基于渦流傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于渦流傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u217641引言 1282931.1研究背景和意義 1150471.2研究現(xiàn)狀 1137952系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 2262022.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2274572.2渦流傳感器工作原理 3262583系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4122273.1主控模塊的設(shè)計(jì) 4223283.1.1主控模塊的功能分析 4223283.1.2主控模塊的方案選擇 4313433.1.3主控模塊的電路設(shè)計(jì) 471613.2距離采集模塊設(shè)計(jì) 8199633.2.1渦流傳感器的選擇 829503.2.2距離采集電路設(shè)計(jì) 9209573.3距離顯示模塊設(shè)計(jì) 9217283.3.1顯示模塊的方案選擇 9217283.3.2距離顯示電路設(shè)計(jì) 1043344系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 10307014.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 10292244.2顯示模塊的程序設(shè)計(jì) 11132504.3距離采集電路程序設(shè)計(jì) 12256645系統(tǒng)測(cè)試及分析 1482735.1系統(tǒng)實(shí)物圖展示 14151515.2系統(tǒng)整體測(cè)試 1457136總結(jié)與展望 1630440參考文獻(xiàn) 1624476致謝 17摘要：本文介紹了一種基于渦流傳感器的距離測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)顯示精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位的測(cè)量結(jié)果，操作簡(jiǎn)便，測(cè)量精度高。系統(tǒng)采用渦流傳感器作為信號(hào)發(fā)生裝置，并通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集和處理，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本低廉。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試，該系統(tǒng)顯示出高度的精確性和穩(wěn)定性，自動(dòng)化功能顯著提高了操作效率和工作效率，同時(shí)優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)也有效控制了成本，使得該系統(tǒng)在工程應(yīng)用中具有廣泛的前景和實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：渦流傳感器；單片機(jī)；距離測(cè)量1引言研究背景和意義在當(dāng)今社會(huì)，隨著科技和工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)建筑、機(jī)械工業(yè)、電子制造等領(lǐng)域的距離測(cè)量要求不斷提升，精確的距離測(cè)量技術(shù)變得尤為重要。成熟的距離測(cè)量技術(shù)能夠提供非常精確的距離信息，對(duì)于保證機(jī)械設(shè)備的精密操作、提高產(chǎn)品質(zhì)量、保障工程安全等方面起到關(guān)鍵作用。例如，在半導(dǎo)體制造中，微小的誤差都可能導(dǎo)致芯片功能的嚴(yán)重缺陷，而在建筑工程中，距離監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的微小變化，預(yù)防潛在的安全事故。傳統(tǒng)的距離測(cè)量技術(shù)主要基于GPS,激光測(cè)距等設(shè)備，但這些設(shè)備有一些不足，如依賴(lài)外部信號(hào)，精度受環(huán)境影響，測(cè)距范圍過(guò)大，不適合需要測(cè)量小距離的場(chǎng)合?，F(xiàn)有技術(shù)在測(cè)量過(guò)程中可能存在操作繁瑣、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、成本高昂等問(wèn)題，這限制了其在高精度場(chǎng)景下的廣泛應(yīng)用。然而渦流傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定工作，還具備較高的反映速度和測(cè)量精度[1]。引入基于渦流傳感器的距離測(cè)量系統(tǒng)，不僅能提供高精度的測(cè)量結(jié)果，還能通過(guò)自動(dòng)化設(shè)計(jì)大幅度提高操作的便捷性和效率，降低了成本。本文設(shè)計(jì)的基于渦流傳感器的距離測(cè)量系統(tǒng)，可測(cè)距離范圍在33.58毫米到0.29毫米之間，可為各種小距離領(lǐng)域提供有效的測(cè)量數(shù)據(jù)支持，具有較高的測(cè)量精度和可靠性。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）測(cè)量精度高，可滿(mǎn)足工程領(lǐng)域中對(duì)于距離測(cè)量的精度要求。（2）系統(tǒng)所需設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，便于安裝和維護(hù)。（3）數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析提供基礎(chǔ)。（4）應(yīng)用廣泛：適用于各種工程領(lǐng)域，如建筑、橋梁、隧道、航空航天等，為工程提供了有效的測(cè)量數(shù)據(jù)支持。研究現(xiàn)狀在測(cè)距技術(shù)的研究與發(fā)展上，近年來(lái)國(guó)外相關(guān)研究取得了顯著成果。首先，衛(wèi)星遙感技術(shù)在測(cè)距領(lǐng)域取得了顯著成果[2]。如由美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)陸、海、空三大領(lǐng)域全覆蓋[3]，提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)。又如歐盟的伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)可以做到實(shí)時(shí)更新位置信息[4]，使測(cè)距結(jié)果更加精確。其次，激光測(cè)距技術(shù)在測(cè)距領(lǐng)域也取得了突破。德國(guó)的LiDAR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)距[5]，在軍事、工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，并且被認(rèn)為在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域有廣闊前景。另外，慣性導(dǎo)航技術(shù)在測(cè)距領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。例如最早開(kāi)發(fā)于蘇聯(lián)時(shí)期，后由俄羅斯繼續(xù)研究的GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擁有慣性導(dǎo)航功能[6]，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的測(cè)距和定位功能。國(guó)外相關(guān)研究開(kāi)始較早，有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供我們學(xué)習(xí)。 在中國(guó)，測(cè)距技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了目視觀測(cè)、激光測(cè)距、視覺(jué)測(cè)量和全站測(cè)量四個(gè)階段。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)利用目視觀測(cè)技術(shù)研究對(duì)流星的感知函數(shù)并給出二元表達(dá)形式[7]。隨著科技的發(fā)展目視觀測(cè)技術(shù)逐漸被激光測(cè)距技術(shù)所替代。張建軍等人就利用激光測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離測(cè)距要求的激光發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)[8]，與此同時(shí)，潘武琪等人對(duì)月球激光反射器指向角度進(jìn)行了計(jì)算和分析[9]，鐘守炎等人利用激光測(cè)距設(shè)計(jì)了仿生機(jī)械龜以提高水下航行器的性能[10]。我國(guó)在激光測(cè)距領(lǐng)域研究全面開(kāi)花。鄭州大學(xué)丁哲文等人應(yīng)用視覺(jué)測(cè)量研究方法[11]，解決了小型零件圓度誤差測(cè)量效率低、精度不穩(wěn)定等問(wèn)題。不同于視覺(jué)測(cè)量，全站測(cè)量技術(shù)是一種新興的測(cè)距技術(shù),具有較高的精度和可靠性,能夠測(cè)量更長(zhǎng)的距離,并且能夠在復(fù)雜的環(huán)境下工作，十分符合采礦業(yè)的測(cè)距需求。李霞就利用全站測(cè)量實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦內(nèi)部和外部的精確測(cè)距[12]，劉昆對(duì)全站儀在礦山工程測(cè)量精度進(jìn)行優(yōu)化[13]，陳波也進(jìn)行了地下工程控制測(cè)距實(shí)驗(yàn)研究[14]。這些技術(shù)的發(fā)展預(yù)示著中國(guó)在全球精密測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)更為重要的地位。2系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)旨在提供一個(gè)高精度的距離測(cè)量系統(tǒng)，整體由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分包括渦流傳感器信號(hào)采集模塊、STM32F103C8T6核心板主控模塊、OLED顯示模塊三個(gè)部分，其中主控單片機(jī)模塊由電源電路，3.3V穩(wěn)壓電路，濾波電路，復(fù)位電路，晶振電路和啟動(dòng)選擇電路組成。軟件部分采用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，由STM32F103C8T6核心板的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）讀取并處理，處理后的信號(hào)通過(guò)算法進(jìn)一步分析，以確定位移的確切大小，并采用IIC通訊方式通過(guò)OLED顯示電路實(shí)時(shí)顯示結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注重于提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，同時(shí)確保用戶(hù)操作的簡(jiǎn)便性，適用于需要精細(xì)測(cè)量控制的各種應(yīng)用。系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。圖1總體框架圖2.2渦流傳感器工作原理渦流傳感器測(cè)距工作示意圖如圖2所示，上方是渦流傳感器線圈，下方是被測(cè)金屬導(dǎo)體，二者之間高度差為x。當(dāng)上方線圈中通入交變電流i1時(shí)，線圈就會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1，此時(shí)，置于磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而形成電渦流i2，該電渦流又將產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)H2，該磁場(chǎng)與之前產(chǎn)生的磁場(chǎng)H1方向相反，并力圖削弱線圈原磁場(chǎng)H1。當(dāng)高度差x發(fā)生改變，線圈電感量也會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而改變線圈阻抗。綜上所述渦流傳感器測(cè)距原理是利用渦流傳感器檢測(cè)線圈與金屬導(dǎo)體之間的微小距離變化，當(dāng)金屬導(dǎo)體在傳感器附近移動(dòng)時(shí)，會(huì)改變傳感器線圈中的磁場(chǎng)，進(jìn)而改變線圈的阻抗。這些阻抗變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳到單片機(jī)主控模塊中。圖2渦流傳感器測(cè)距原理示意圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1主控模塊的設(shè)計(jì)3.1.1主控模塊的功能分析主控模塊在測(cè)距系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的角色，此模塊的主要作用是作為系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制各個(gè)子模塊的操作，包括數(shù)據(jù)從渦流傳感器的采集、處理和將處理結(jié)果輸出到OLED顯示屏。此外，它還處理來(lái)自用戶(hù)界面的輸入，執(zhí)行系統(tǒng)配置和調(diào)整，確保系統(tǒng)的靈活性和高效性。3.1.2主控模塊的方案選擇主控模塊的方案有兩種選擇方式，一種是ArduinoUno，一種是STM32F103C8T6，綜合考慮性能需求和系統(tǒng)擴(kuò)展性，此次系統(tǒng)開(kāi)發(fā)選擇了STM32F103C8T6作為主控模塊。與ArduinoUno相比，STM32F103C8T6是一款高性能的32位ARMCortex-M3處理器，具備高速處理能力和多功能的輸入/輸出端口，提供了更高的處理能力和更大的存儲(chǔ)容量，能夠更好地滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)處理速度和內(nèi)存需求。其強(qiáng)大的內(nèi)置功能和多種通信接口支持，使其能夠有效地管理渦流傳感器電路和OLED顯示電路，確保系統(tǒng)運(yùn)行的高效和穩(wěn)定。此外，STM32F103C8T6的廣泛應(yīng)用和成熟的開(kāi)發(fā)工具也為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了便利，使得定制和優(yōu)化代碼更為高效，最終保證了系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性。3.1.3主控模塊的電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)方面，STM32F103C8T6核心板不僅連接渦流傳感器和OLED顯示屏，而且還集成了必要的通信接口，如IIC和SPI，用于模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。主控模塊還設(shè)計(jì)有電源電路，3.3V穩(wěn)壓電路，濾波電路，復(fù)位電路，晶振電路和啟動(dòng)選擇電路，保證微控制器及其他關(guān)鍵組件在各種工作條件下均可靠運(yùn)行。主控模塊電路圖如圖3所示。圖3主控模塊電路圖一、電源電路所有電子元器件都需要供電才能工作，單片機(jī)也不例外。本文用USB電路進(jìn)行供電，具體電路原理圖如圖4所示。圖4USB電路二、3.3V穩(wěn)壓電路USB電路另一端接移動(dòng)電源，提供5V電壓，但本文使用的是STM32F103單片機(jī)，其工作電壓為3.3V。單片機(jī)能承載的電壓有一定范圍，如果把單片機(jī)接到過(guò)高的電壓上超出其承載范圍，則容易燒壞單片機(jī)或者發(fā)生爆炸。所以我們要把5V電源降壓到3.3V才可以接入單片機(jī)，所以需要有穩(wěn)壓電路。這里我們選用LM1117芯片來(lái)降壓，LM111是一款可調(diào)穩(wěn)壓器，可以提供3.3V的固定電壓，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。3.3V穩(wěn)壓電路原理圖如圖5所示。圖53.3V穩(wěn)壓電路濾波電路濾波電路即用于消除電源輸入中的噪聲與干擾，提供干凈的電源給單片機(jī)，保持供電電路穩(wěn)定。濾波電路原理圖如圖6所示。圖6濾波電路四、復(fù)位電路復(fù)位電路由一個(gè)按鍵、一個(gè)電容、一個(gè)上拉電阻組成，如圖7所示。設(shè)計(jì)復(fù)位電路的目的是對(duì)芯片進(jìn)行強(qiáng)制復(fù)位，使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)，避免上次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)影響本次實(shí)驗(yàn)。其中NRSET連接STM32芯片的復(fù)位引腳，該復(fù)位引腳為低電平復(fù)位。該復(fù)位電路由兩種工作方式：第一種是接入電源的一瞬間上電復(fù)位，第二種是手動(dòng)按鍵復(fù)位。圖7復(fù)位電路五、晶振電路單片機(jī)的運(yùn)行必須依賴(lài)穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖，由于單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘容易受外界干擾，所以需要外接晶振電路,晶振電路圖如圖8和圖9所示。本文采用的是32.768kHz的外部低速晶振和8MHz的外部高速晶振，分別給RCT提供時(shí)鐘和給單片機(jī)提供時(shí)鐘。其中2^15等于32768即32.768K，反過(guò)來(lái)講，如果要把32.768K的時(shí)鐘頻率經(jīng)過(guò)15次分頻的話，得到的頻率正好是1Hz即1秒，方便計(jì)數(shù)。圖88MHz晶振電路圖9RTC時(shí)鐘晶振電路六、啟動(dòng)選擇電路本文采用默認(rèn)啟動(dòng)方式即FLASH啟動(dòng)，如圖10所示。FLASH用來(lái)存儲(chǔ)信息，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)，可以在斷電的情況下保證數(shù)據(jù)不丟失，另外，F(xiàn)lashmemory（閃速存儲(chǔ)器）還具有體積小，容量大，成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前在嵌入式系統(tǒng)中用其來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序很受歡迎。采用本種啟動(dòng)選擇方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序代碼快速安全。圖10啟動(dòng)選擇電路3.2距離采集模塊設(shè)計(jì)3.2.1渦流傳感器的選擇渦流傳感器有兩種選擇方案，分別為EC10渦流傳感器和WL01渦流傳感器，綜合考慮精度、響應(yīng)速度和環(huán)境適應(yīng)性，最終選擇了WL01渦流傳感器作為系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。因?yàn)镋C10在高頻響應(yīng)和微小距離測(cè)量方面表現(xiàn)一般，對(duì)于需要高度精密測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合可能不足夠。相比之下WL01渦流傳感器專(zhuān)為高精度和高解析度的測(cè)量任務(wù)設(shè)計(jì)，具有卓越的靈敏度和極低的噪聲水平。此傳感器能夠提供非常精確的測(cè)量結(jié)果，特別適合于需要捕捉極小物理變化的應(yīng)用，如小距離測(cè)量，滿(mǎn)足我們系統(tǒng)對(duì)精確度的嚴(yán)格要求，而其對(duì)環(huán)境變化的高度適應(yīng)性也確保了系統(tǒng)在不同工作條件下都能提供可靠的數(shù)據(jù)。此外，WL01的低噪聲特性對(duì)于提高系統(tǒng)總體性能和測(cè)量結(jié)果的可信度非常關(guān)鍵。雖然WL01的成本可能高于一些傳統(tǒng)選項(xiàng)如EC10，但其帶來(lái)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的好處將顯著優(yōu)化系統(tǒng)性能，從而為用戶(hù)提供更大的價(jià)值。3.2.2距離采集電路設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)采用WL01渦流傳感器，工作電壓為DC5.0V，輸出信號(hào)為模擬電壓5V供電，運(yùn)用場(chǎng)合有單片機(jī)檢測(cè)金屬，測(cè)距，分類(lèi)，采集等。本文利用其單片機(jī)距離檢測(cè)特性，將其接入單片機(jī)PA0口作為信號(hào)發(fā)生裝置，如圖11所示。圖11距離采集電路3.3距離顯示模塊設(shè)計(jì)3.3.1顯示模塊的方案選擇顯示模塊共有兩種方案可供選擇，一種是液晶顯示器（LCD），另一種是有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）。LCD需要外部光源且反應(yīng)慢，OLED擁有自發(fā)光的特性，因此不需要背光，可以產(chǎn)生更深的黑色和更高的對(duì)比度，這對(duì)于顯示清晰、精確的測(cè)量數(shù)據(jù)至關(guān)重要。OLED屏幕也具有更廣的視角和更快的響應(yīng)時(shí)間。鑒于測(cè)距系統(tǒng)需要精確顯示復(fù)雜數(shù)據(jù)，并且操作環(huán)境可能多樣，本系統(tǒng)選擇OLED作為顯示模塊。OLED的高對(duì)比度和快速響應(yīng)時(shí)間使得微小的測(cè)量值更易于讀取，且圖像質(zhì)量在各種光照條件下均保持一致。此外，OLED的能耗低于傳統(tǒng)LCD，這有助于減少整個(gè)系統(tǒng)的電力消耗，增加設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。盡管初期成本略高，但OLED的長(zhǎng)期效益在提高用戶(hù)體驗(yàn)和操作效率方面是值得的。這些特性使得OLED成為滿(mǎn)足高精度測(cè)量系統(tǒng)需求的理想選擇。3.3.2距離顯示電路設(shè)計(jì)本次實(shí)驗(yàn)顯示屏選取的是0.96寸OLED屏幕，應(yīng)用I^2C通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。I^2C總線用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，它是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL分別接在IO口PB8和PB9口，如圖12所示。圖12距離顯示電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序流程從系統(tǒng)的初始化開(kāi)始，此階段包括配置STM32F103C8T6核心板的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)置渦流傳感器和OLED顯示屏。系統(tǒng)完成啟動(dòng)后，進(jìn)入主循環(huán)，主循環(huán)的核心任務(wù)是持續(xù)采集來(lái)自渦流傳感器的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)處理這些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理包括信號(hào)放大、濾波和通過(guò)特定算法計(jì)算出精確的距離值。處理后的距離數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)顯示在OLED屏幕上，并根據(jù)用戶(hù)的輸入調(diào)整，如更改測(cè)量參數(shù)或重置系統(tǒng)設(shè)置，以適應(yīng)不同的操作需求。整個(gè)流程的設(shè)計(jì)注重實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，確保系統(tǒng)可以在各種工業(yè)應(yīng)用中可靠地運(yùn)行，為用戶(hù)提供必要的數(shù)據(jù)支持和操作界面。主程序流程圖如圖13所示。圖13主程序流程圖4.2顯示模塊的程序設(shè)計(jì)在距離測(cè)量系統(tǒng)中，顯示模塊的程序設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)對(duì)OLED顯示屏的有效控制，以確保數(shù)據(jù)的清晰可讀和實(shí)時(shí)更新。程序首先通過(guò)初始化部分設(shè)定OLED顯示的基本參數(shù)，如對(duì)比度、亮度和必要的顯示區(qū)域，確保顯示屏能夠根據(jù)系統(tǒng)的具體需求提供優(yōu)化的視覺(jué)效果。初始化之后，主程序?qū)⑼ㄟ^(guò)特定的顯示驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù)調(diào)用，如SSD1306庫(kù)，來(lái)管理屏幕上的顯示內(nèi)容。在主循環(huán)中，顯示模塊的程序主要負(fù)責(zé)接收處理后的位移數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用戶(hù)友好的格式顯示在屏幕上。程序還設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)更新機(jī)制，可以實(shí)時(shí)刷新顯示內(nèi)容，以反映最新的測(cè)量結(jié)果。顯示模塊程序流程圖如圖14所示。圖14顯示模塊程序流程圖4.3距離采集電路程序設(shè)計(jì)渦流傳感器的程序設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是確保傳感器的數(shù)據(jù)精確采集與實(shí)時(shí)處理。在系統(tǒng)中，渦流傳感器通過(guò)其特定的硬件接口與STM32F103C8T6核心板連接，程序設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)這些硬件接口的準(zhǔn)確配置和管理。程序的首要任務(wù)是初始化，這包括設(shè)置渦流傳感器的工作頻率、增益和電源管理參數(shù)。這些參數(shù)確保傳感器在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，以便捕捉微小的距離變化。初始化后，程序進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段，這一階段涉及到連續(xù)監(jiān)測(cè)傳感器的輸出，并將模擬信號(hào)通過(guò)ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，使其能夠被微控制器處理。在數(shù)據(jù)處理部分，程序應(yīng)用算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和濾波，從而提高測(cè)量結(jié)果的精確性和可靠性。此外，程序還需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)反饋機(jī)制，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果調(diào)整傳感器的敏感度和測(cè)量參數(shù)，以適應(yīng)不同的操作環(huán)境和測(cè)量要求。最終處理的數(shù)據(jù)將被送往顯示模塊或存儲(chǔ)于系統(tǒng)內(nèi)部，供進(jìn)一步分析或?qū)崟r(shí)監(jiān)控使用。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖15所示。圖15渦流電路程序流程圖

5系統(tǒng)測(cè)試及分析5.1系統(tǒng)實(shí)物圖展示本系統(tǒng)實(shí)物如圖16所示。焊接完成后對(duì)其進(jìn)行了初步測(cè)試，發(fā)現(xiàn)傳感器對(duì)于非常小的距離反應(yīng)遲鈍，通過(guò)調(diào)整傳感器靈敏度設(shè)置和信號(hào)放大比例，改善了其測(cè)量精度和響應(yīng)速度。圖16系統(tǒng)實(shí)物展示圖5.2系統(tǒng)整體測(cè)試實(shí)物測(cè)試圖如下圖17，移動(dòng)金屬片靠近渦流傳感器的過(guò)程中，OLED顯示屏?xí)?shí)時(shí)顯示金屬片與渦流傳感器之間的距離。其中DIS數(shù)值就是距離測(cè)量值，Val顯示數(shù)值是ADC的值。圖17實(shí)物測(cè)試圖為驗(yàn)證本系統(tǒng)性能，現(xiàn)將系統(tǒng)距離測(cè)量值和距離實(shí)際值進(jìn)行比較，測(cè)試過(guò)程如下：將系統(tǒng)板放置在水平桌面上，并在旁邊豎立一根直尺，注意直尺與水平桌面垂直，且直尺的零刻度線與渦流傳感器線圈處于同一水平線上，手持被測(cè)金屬逐漸靠近渦流傳感器感應(yīng)線圈，觀察記錄OLED顯示屏上顯示的距離測(cè)量值，同時(shí)觀察測(cè)量距離實(shí)際值并進(jìn)行記錄。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)量得出本系統(tǒng)測(cè)量值最大為33.58mm，最小為0.29mm。根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)繪制下方所示表1a和表1b以及圖18。表1a距離測(cè)量值與距離實(shí)際值對(duì)比距離測(cè)量值(mm)33.5831.2028.6126.6523.3420.7817.64距離實(shí)際值(mm)34312825221918絕對(duì)誤差-0.420.200.611.651.341.78-0.36相對(duì)誤差-0.010.010.020.070.060.09-0.02表1b距離測(cè)量值與距離實(shí)際值對(duì)比距離測(cè)量值(mm)14.2110.438.386.493.511.040.29距離實(shí)際值(mm)131086410絕對(duì)誤差1.210.430.380.49-0.490.040.29相對(duì)誤差0.090.0430.050.08-0.120.04圖18距離實(shí)際值與距離測(cè)量值對(duì)比圖由表1可以看出本系統(tǒng)絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差很小，由圖18可直觀看出本系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值非常接近，除個(gè)別數(shù)值外，二者基本重合，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，總體來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)了距離的測(cè)量且精度有一定保證。6總結(jié)與展望本文對(duì)基于電渦流傳感器的測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，通過(guò)STM32單片機(jī)采用庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)算法，設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)量精度高、易實(shí)現(xiàn)的測(cè)距系統(tǒng)。單片機(jī)作為控制芯片通過(guò)程序發(fā)揮數(shù)據(jù)的提取計(jì)算傳輸存儲(chǔ)等功能，渦流傳感器把距離量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，單片機(jī)ADC提取并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終通過(guò)OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示所測(cè)距離數(shù)值，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)量計(jì)算，本系統(tǒng)誤差較小，精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。總的來(lái)說(shuō)本系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合測(cè)距系統(tǒng)的軟、硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確的距離測(cè)量。誤差產(chǎn)生的原因分析如下：測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生誤差最有可能的原因有兩個(gè)，一是選用直尺測(cè)量實(shí)際距離會(huì)存在偏差，因?yàn)橹背呔炔蛔?，在記錄?shù)據(jù)時(shí)只能估算，實(shí)際距離值記錄準(zhǔn)確性有待提高。二是測(cè)量過(guò)程中采用手持被測(cè)金屬靠近或遠(yuǎn)離渦流傳感器線圈，忽略了手未必能時(shí)時(shí)刻刻精準(zhǔn)保持在一個(gè)位置不動(dòng)的現(xiàn)實(shí)情況，一旦手部有微小動(dòng)作就可能影響線圈磁場(chǎng)進(jìn)而影響阻抗，導(dǎo)致距離測(cè)量值發(fā)生變化，示數(shù)不穩(wěn)定，有一定誤差，應(yīng)該用專(zhuān)業(yè)固定設(shè)備測(cè)量。參考文獻(xiàn)陳陽(yáng),呂勇,劉力雙.空間強(qiáng)約束條件下電渦流傳感器特性影響分析[J].儀表技術(shù)與傳感器,2023,(08):26-30.齊旭.遙感衛(wèi)星應(yīng)用加速走進(jìn)生活[N].中國(guó)電子報(bào),2024-04-09(003).JiangN,CaoY,XiaF,etal.BroadcastephemerisSISREassessmentandsystematicerrorcharacteristicanalysisforBDSandGPSsatellitesystems[J].AdvancesinSpaceResearch,2024,73(10):5284-5298.劉棟梁,康登榜,王維嘉,等.國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程管理現(xiàn)狀分析及啟示[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2022,10(01):15-19.Shangguan