《现代传感器技术》课程—系统设计报告
2 总体设计方案
2.1系统框图与流程
装置主要由4 部分组成: 控制电路、光电传感器、步进电机驱动器和执行机构，如图1 所示。其中光电传感器由PIN 结二极管和红外发光管组成，执行机构由步进电机、丝杆和丝杆滑块组成。
图1 总体结构图
检测过程如图2 所示。初始化时，丝杆滑块位于丝杆顶端，发光管发出平行光束穿透玻璃示液管到达光敏管，光敏管导通，控制电路发送脉冲信号使丝杆转动，滑块开始下降。初始位置到凹月面之间是空气介质，光敏管处于持续导通状态；当光电传感器继续下降到凹月面时，凹月面发生折射，如图2 ( b) 所示，此时光敏管处于截止状态；光电传感器继续下降，当到达凹月面底部时，发光管发出的光束不再发生折射，可以穿过液体介质作用于光敏管，光敏管再次导通，此时表明检测到液位所在平面，停止发送步进脉冲并计算当前液面高度。
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2.2光敏特性分析
图3 ( a) 描述了光敏二极管的光电流I与照度L 的特性曲线； 图3 ( b) 描述了硅和锗的光谱响应曲线； 图3 ( c) 描述了光敏二极管的伏安特性曲线；
图3 ( d) 描述了光敏二极管光电流I 与温度T 的特性曲线。
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图3 光敏二极管特性曲线
(a)光照特性
光照特性是描述光电流I和光照强度之间的关系。一般来说，光敏二极管的光电特性的线性较好，而光敏晶体管在照度小时，光电流随照度增加较小，并且在光照足够大时，输出电流有饱和现象。这是由于光敏晶体管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。
(b)光谱特性
光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图3(b)为两种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。
(c)伏安特性
在一定照度下，流过光敏二极管的电流与光敏二极管两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图3(c)为光敏晶体管在不同照度下的伏安特性曲线。
(b)温度特性
温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较小，但是对暗电流的影响却十分显著。从图3(d)中可以看出在一定的温度范围内，在照度和电压不变的情况下,光敏晶体管的光电流随温度的升高线性增大，但是光电流的值很小（微安级），对整个电流的影响不大。
从图3 中我们可以得出结论，硅管的最佳响应波长在800 ～ 900 nm，锗管的最佳响应波长在1 400 ～ 1 500 nm。这两段光波分别落在短波近红外( SW- NIR，7 000 ～ 1 100 nm) 和长波近红外( LW－NIR，1 100 ～ 2 500 nm) 。在温度和电压不变的情况下，光电流随照度线性增加，在照度和电压不变的情况下，光电流随温度线性增加。
普通的光敏二极管受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不即刻为零，这是光敏电阻的时延特性，这决定了光敏电阻不能用在快速响应的场合。光敏二极管的响应频率主要由以下3 个因素决定:
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(1) 光生载流子在耗尽层附近的扩散时间； (2) 光生载流子在耗尽层内的漂移时间；
(3) 与负载电阻R并联的结电容C所决定的电路时间常数。
PIN光敏二极管在PN 结之间生成I 型层，形成PIN 结，具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。其频率特性优于其他光敏元件，适宜快速变化的光信号探测，因此我们选择该种光敏二极管作为检测元件。
3电路设计
装置微控制器选择STM32F103ZET6，微控制器通过I2C 驱动EEPROM，EEPROM 用于存储系统初始化数据，如校准参数等。通过SPI 驱动FLASH，用来存储程序。通过FSMC 接口驱动LCD显示和SRAM，SRAM 用来存放运行时的数据。PE2 检测光敏二极管是否导通，PE3 控制发光管通断。PF8、PF9 和PF10 引脚分别接步进电机驱动器脉冲信号、方向信号和使能信号，驱动器采用共阳极接线方式，电路留有RS－232 调试接口。电路设计如图4 所示。
图4 硬件原理图
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装置选择的微控制器STM32F103ZET6 的内核是ARM Cortex－M3，属于ARMV7 指令架构系列的MCU 版本，它实现了单周期闪存应用最优化，所需代码空间约为ARM7 的一半，MCU 控制应用的速度快2～4倍；中断处理响应仅需6～12个系统时钟周期；引入了单周期乘法指令以及硬件除法，仅支持融合了16 位/32 位的Thumb2 指令集，极大改善了代码密度的同时，又免去了在Thumb和ARM 指令集之间切换的繁琐。更为重要的是，该微控制器性价比极高，32 位的系统比8 /16 位的还便宜。
因只需要控制丝杆滑块移动，不需要大扭矩，本装置选择步进精度为1. 8°的42 步进电机，丝杆导程为2 mm，步进电机每转1 圈需要200个脉冲信号，每个脉冲信号对应0. 01 mm 的垂直位移。
4程序设计
4.1 整体程序设计
上电后对硬件进行初始化，首先给二极管通电，然后判断光敏管是否导通。如果导通则发送步进脉冲驱动光电传感器下降，脉冲计数器加1。如果光敏管不导通，则说明检测到凹月面，继续发送步进脉冲，直到光敏管导通，说明此时光电传感器刚好与凹月面下缘相切，此时光电二极管所在位置即为液位，通过初始位置与发送的脉冲个数计算当前液位高度。结合本文图2 所示检测过程，其算法控制流程如图5 所示。
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