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基于STM32的超声波流量计设计

news 2024/10/22 9:38:09

引言

本项目设计了一个基于STM32的超声波流量计，能够通过超声波信号测量管道中液体或气体的流速，从而计算流量。超声波流量计具有无接触、精度高、适用范围广等特点，广泛应用于工业、农业、水处理等领域。系统通过测量超声波在流体中传播时间差，计算流速，并通过显示屏或其他通信接口输出流量信息。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）
超声波传感器对（发射器和接收器，常用的如 40kHz 超声波传感器）
液体或气体流动的管道（用于实际流量测量）
定时器（STM32 内置定时器，用于时间差测量）
OLED 显示屏（用于显示流速和流量）
USB-TTL 串口调试工具
电阻、杜邦线、面包板等基础电子元件

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于初始化 STM32 外设。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写和下载代码。
ST-Link 驱动程序：用于下载程序到 STM32。

项目实现

1. 硬件连接

超声波传感器连接：将超声波发射器和接收器分别安装在流体管道的上下游，将发射器的控制引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA0），将接收器的输出引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA1），用于检测超声波信号的到达时间。
OLED 显示屏连接：将 OLED 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于显示流量和流速。
其他连接：为 STM32、传感器和显示屏提供稳定的电源，并确保信号线接线正确。

2. STM32CubeMX 配置

打开 STM32CubeMX，选择你的开发板型号。
配置系统时钟为 HSI，确保系统稳定运行。
配置 GPIO 引脚用于控制超声波发射器和接收接收器的信号。
配置 TIM 定时器用于测量超声波在管道内的传播时间差。
配置 I2C，用于与 OLED 显示屏通信。
生成代码，选择 Keil 或 STM32CubeIDE 作为工具链。

3. 编写主程序

在生成的项目基础上，编写超声波时间差测量、流速和流量计算、OLED 显示的代码。以下是超声波流量计的基本代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "oled.h"
#include "gpio.h"
#include "tim.h"// 定义流量计参数
#define PIPE_DIAMETER 0.05  // 管道直径（米）
#define ULTRASOUND_SPEED 343.0  // 超声波在空气中的速度（米/秒）// 定义时间差阈值
#define TIME_DIFF_THRESHOLD 1  // 时间差阈值（微秒）// 函数声明
void System_Init(void);
void Measure_Time_Difference(void);
void Calculate_Flow(void);
void Display_Status(void);// 全局变量
uint32_t time_upstream = 0;   // 上游超声波传播时间
uint32_t time_downstream = 0; // 下游超声波传播时间
float flow_velocity = 0;      // 计算出的流速（m/s）
float flow_rate = 0;          // 计算出的流量（m^3/s）void System_Init(void)
{HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_TIM2_Init();MX_I2C1_Init();OLED_Init();OLED_ShowString(0, 0, "Ultrasound Flow Ready");
}// 测量超声波上下游传播的时间差
void Measure_Time_Difference(void)
{// 触发上游发射器发射超声波HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);HAL_Delay(10);HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);// 等待接收器接收到上游超声波信号while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET){time_upstream = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);  // 获取上游超声波的传播时间}// 触发下游发射器发射超声波HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);HAL_Delay(10);HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);// 等待接收器接收到下游超声波信号while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_3) == GPIO_PIN_RESET){time_downstream = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);  // 获取下游超声波的传播时间}
}// 计算流速和流量
void Calculate_Flow(void)
{uint32_t time_diff = time_downstream - time_upstream;  // 计算上下游的时间差if (time_diff > TIME_DIFF_THRESHOLD){// 计算流速flow_velocity = (ULTRASOUND_SPEED * time_diff) / (2 * PIPE_DIAMETER);// 根据管道面积计算流量float pipe_area = 3.14159 * (PIPE_DIAMETER / 2) * (PIPE_DIAMETER / 2);flow_rate = flow_velocity * pipe_area;  // 流量（m^3/s）}else{flow_velocity = 0;flow_rate = 0;}
}// 显示状态
void Display_Status(void)
{OLED_Clear();OLED_ShowString(0, 0, "Velocity: ");OLED_ShowFloat(64, 0, flow_velocity, 2);OLED_ShowString(0, 1, "Flow Rate: ");OLED_ShowFloat(64, 1, flow_rate, 4);
}int main(void)
{System_Init();while (1){Measure_Time_Difference();  // 测量时间差Calculate_Flow();           // 计算流速和流量Display_Status();           // 显示状态信息HAL_Delay(1000);            // 每秒更新一次}
}

4. 各模块代码

超声波传感器时间差测量

通过上下游超声波传感器测量超声波信号在流体中传播的时间差，用于计算流速：

#include "gpio.h"
#include "tim.h"// 初始化超声波传感器
void Ultrasonic_Init(void)
{// 配置 GPIO 引脚和定时器，用于控制超声波发射器和接收器MX_GPIO_Init();MX_TIM2_Init();
}// 测量上游和下游的时间差
void Measure_Time_Difference(void)
{// 触发上下游发射器，计算超声波的传播时间差
}

流速和流量计算

根据测得的时间差，使用流速公式计算流速，并根据管道面积计算流量：

#include "flow.h"// 根据时间差计算流速
void Calculate_Flow(void)
{uint32_t time_diff = time_downstream - time_upstream;  // 计算时间差if (time_diff > TIME_DIFF_THRESHOLD){// 使用时间差公式计算流速flow_velocity = (ULTRASOUND_SPEED * time_diff) / (2 * PIPE_DIAMETER);// 根据流速计算流量float pipe_area = 3.14159 * (PIPE_DIAMETER / 2) * (PIPE_DIAMETER / 2);flow_rate = flow_velocity * pipe_area;  // 流量（m^3/s）}
}

OLED 显示

OLED 显示屏用于显示当前的流速和流量信息

#include "oled.h"// 初始化 OLED 显示屏
void OLED_Init(void)
{// OLED 初始化代码
}// 显示字符串
void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, const char *str)
{// 在 OLED 显示屏上显示字符串
}// 显示浮点数
void OLED_ShowFloat(uint8_t x, uint8_t y, float num, uint8_t decimal_places)
{// 显示带小数的数值
}// 清屏
void OLED_Clear(void)
{// 清除 OLED 显示内容
}

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系统工作原理

时间差测量：系统通过超声波发射器和接收器，测量超声波在流体中上下游传播的时间差。由于流体的流动会影响超声波的传播速度，超声波顺流传播的时间会比逆流传播的时间短。通过测量上下游的时间差，系统可以计算出流体的流速。
流速计算：根据超声波在上下游的时间差，使用公式计算流速。流速公式为：
v=C×Δt2×Dv = \frac{C \times \Delta t}{2 \times D}v=2×DC×Δt
其中，CCC 为超声波在流体中的传播速度，Δt\Delta tΔt 为上下游的时间差，DDD 为管道直径。
流量计算：根据管道的横截面积和流速，计算流体的流量。管道的面积为：
A=π×(D2)2A = \pi \times \left(\frac{D}{2}\right)^2A=π×(2D)2
流量公式为：
Q=v×AQ = v \times AQ=v×A
其中，QQQ 为流量，vvv 为流速，AAA 为管道横截面积。
状态显示：OLED 显示屏用于实时显示当前测得的流速和流量，便于用户查看。