STM32实战开发（126）：智能液位检测 - 使用STM32实现液位检测

1. 引言

液位检测技术广泛应用于工业自动化、环境监测、水处理、智能家居等领域。在这些应用中，实时准确地检测液体的液位变化至关重要。液位检测不仅关系到生产过程中的自动化控制，还能保证设备和人员的安全，避免因液位异常导致的设备损坏或事故。

STM32作为一种高性能、低功耗的微控制器，因其强大的处理能力和丰富的外设接口，成为液位检测系统开发中的首选平台。本博客将详细介绍如何使用STM32实现智能液位检测系统，结合液位传感器和STM32进行数据采集、处理和输出，以实现液位的精准测量和实时监控。

2. 项目概述

系统需求

该智能液位检测系统的主要需求包括：

• 实时液位监测：通过液位传感器（如超声波、光电传感器等）测量液体的高度。
• 显示功能：通过LCD显示器实时显示液位数据。
• 报警系统：当液位超过或低于预设范围时，触发报警。
• 数据存储与记录：记录液位数据并存储在SD卡中，便于后续数据分析。
• 远程监控：通过无线通信模块（如WiFi或蓝牙）将数据发送到上位机或云平台，实现远程监控。
• 液位计算与处理：对传感器采集到的数据进行处理，提供精准的液位值。

技术选型

• STM32微控制器：作为系统的核心控制单元，STM32具备足够的计算能力和外设接口，满足液位检测的需求。
• 液位传感器：常用的液位传感器包括超声波传感器、光电传感器和电容式传感器。根据实际应用场景选择合适的传感器。
• LCD显示屏：用于实时显示液位数据，采用I2C或SPI接口的LCD显示屏。
• 蜂鸣器：用于在液位超过或低于设定范围时发出报警信号。
• SD卡模块：用于存储液位数据，便于后续分析和备份。
• 无线通信模块：使用ESP8266（WiFi）或HC-05（蓝牙）模块，实现远程数据传输。

3. 硬件设计

3.1 系统框图

整个智能液位检测系统的框架如下所示：

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+------------------+        +--------------------+       +---------------------+
|   STM32 MCU      | <-->   |  液位传感器        | <-->  |   LCD显示屏         |
|   (核心控制单元) |        |  (超声波或电容等)  |       |  (实时显示液位值)    |
+------------------+        +--------------------+       +---------------------+
        |                           |                            |
        v                           v                            v
+-------------------+        +--------------------+       +---------------------+
|   蜂鸣器          |        |   SD卡模块         |       |   无线通信模块      |
+-------------------+        +--------------------+       +---------------------+

3.2 电路设计

1. STM32单片机：作为主控单元，通过GPIO、ADC、I2C、SPI等接口与其他模块进行通信。

2. 液位传感器：传感器通过模拟信号或数字信号输出液位信息。常用的液位传感器包括：

   • 超声波传感器：使用超声波反射时间来计算液位高度。
   • 电容式传感器：利用液体对电容的影响测量液位。

3. LCD显示屏：通过I2C或SPI接口与STM32连接，用于显示液位数据。

4. 蜂鸣器：连接到STM32的GPIO口，用于触发报警。

5. SD卡模块：通过SPI接口与STM32连接，用于存储液位数据。

6. 无线通信模块：如ESP8266，连接到STM32的UART接口，用于数据传输。

3.3 流行液位传感器

液位传感器根据其工作原理可以分为多种类型：

• 超声波液位传感器：通过发射超声波并接收其反射来测量液位，适用于液位较大的容器。
• 电容式液位传感器：根据液体的介电常数对电容的影响来测量液位，适用于密闭容器或有腐蚀性液体。
• 光电式液位传感器：利用液体是否反射光线来测量液位，适用于透明容器。

3.4 硬件连接示意图

以下是硬件连接示意图：

• 液位传感器：连接到STM32的ADC口（模拟信号）或数字接口（脉冲信号）。
• LCD显示屏：通过I2C或SPI接口与STM32连接。
• 蜂鸣器：连接STM32的GPIO口。
• SD卡模块：通过SPI接口连接STM32。
• 无线通信模块：通过UART接口与STM32通信。

4. 软件设计

4.1 系统初始化

在STM32启动时，首先进行系统初始化，包括时钟配置、外设初始化、GPIO配置、液位传感器初始化等。

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void System_Init(void) {
    HAL_Init();  // 初始化HAL库
    SystemClock_Config();  // 配置时钟
    MX_GPIO_Init();  // 初始化GPIO
    MX_ADC_Init();  // 初始化ADC
    MX_USART1_UART_Init();  // 初始化UART
    MX_I2C1_Init();  // 初始化I2C
    MX_SPI1_Init();  // 初始化SPI（SD卡）
}

4.2 液位采集与计算

液位传感器（如超声波传感器）通过测量反射时间来计算液位。根据传感器的输出，STM32通过ADC读取模拟信号，或者通过外部中断读取脉冲信号，计算液位高度。

假设我们使用超声波传感器（HC-SR04），其通过测量超声波的传播时间来计算液位。

c
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#define TRIG_PIN GPIO_PIN_0
#define ECHO_PIN GPIO_PIN_1
#define TRIG_PORT GPIOA
#define ECHO_PORT GPIOA

void MeasureLevel(void) {
    // 激活超声波传感器
    HAL_GPIO_WritePin(TRIG_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(10);
    HAL_GPIO_WritePin(TRIG_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET);

    // 读取ECHO引脚的高电平时间（回波时间）
    uint32_t echo_time = 0;
    while (HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_SET) {
        echo_time++;  // 计算回波时间
        HAL_Delay(1);
    }

    // 计算液位
    float level = echo_time * 0.0343 / 2;  // 根据公式计算液位高度（单位：cm）
    DisplayLevel(level);  // 显示液位
}

4.3 液位数据处理与显示

根据传感器采集的液位数据，使用LCD显示液位值。液位值需要进行一定的处理，如校准和单位转换。

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void DisplayLevel(float level) {
    char buffer[16];
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "Level: %.2f cm", level);
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, LCD_ADDR, (uint8_t *)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY);  // 将字符串发送到LCD
}

4.4 报警系统

液位超出预设范围时，触发报警系统。可以通过蜂鸣器或LED灯发出警告。

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void CheckAlarm(float level) {
    if (level > MAX_LEVEL || level < MIN_LEVEL) {  // 如果液位超出设定范围
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);  // 启动蜂鸣器或LED
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);  // 关闭蜂鸣器或LED
    }
}

4.5 数据存储

通过SD卡模块将液位数据存储，以便后续分析和备份。使用FATFS文件系统进行SD卡操作。

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void SaveDataToSD(float level) {
    FIL file;  // 文件对象
    FRESULT res = f_open(&file, "level_data.txt", FA_WRITE | FA_OPEN_APPEND);
    if (res == FR_OK) {
        char buffer[50];
        snprintf(buffer, sizeof(buffer), "Level: %.2f cm\n", level);
        f_write(&file, buffer, strlen(buffer), NULL);  // 写入数据
        f_close(&file);  // 关闭文件
    }
}

4.6 无线通信

通过WiFi模块（如ESP8266）或蓝牙模块（如HC-05）将液位数据发送到远程设备。

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void SendDataToRemote(float level) {
    char buffer[50];
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "Level: %.2f cm", level);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY);  // 通过UART发送数据
}

5. 测试与调试

在完成硬件连接和软件设计后，进行系统的测试和调试。测试内容包括：

• 液位传感器的准确性：使用已知的液位进行校准，检查传感器的输出与实际液位的偏差。
• 报警系统：设置不同的液位范围，检查报警系统是否能在超出范围时触发报警。
• 数据存储与传输：检查SD卡的数据存储是否正常，确保液位数据可以成功写入SD卡。检查无线通信模块是否能将数据成功发送到远程设备。

6. 总结

通过STM32微控制器，结合液位传感器、LCD显示屏、蜂鸣器、SD卡模块和无线通信模块，我们实现了一个智能液位检测系统。该系统可以实时监测液位变化，提供数据存储、报警和远程监控功能，广泛应用于工业自动化、环境监测等领域。随着技术的进步，未来可以通过引入更加先进的传感器、数据分析和云计算平台，进一步提高系统的智能化水平。