基于渦流傳感器的測距系統設計目錄TOC\o"1-3"\h\u217641引言 1282931.1研究背景和意義 1150471.2研究現狀 1137952系統分析與設計 2262022.1系統總體設計 2274572.2渦流傳感器工作原理 3262583系統硬件設計 4122273.1主控模塊的設計 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主控模塊的電路設計 471613.2距離采集模塊設計 8199633.2.1渦流傳感器的選擇 829503.2.2距離采集電路設計 9209573.3距離顯示模塊設計 9217283.3.1顯示模塊的方案選擇 9217283.3.2距離顯示電路設計 1043344系統軟件設計 10307014.1系統主程序設計 10292244.2顯示模塊的程序設計 11132504.3距離采集電路程序設計 12256645系統測試及分析 1482735.1系統實物圖展示 14151515.2系統整體測試 1457136總結與展望 1630440參考文獻 1624476致謝 17摘要：本文介紹了一種基于渦流傳感器的距離測量系統，該系統能夠自動顯示精確到小數點后兩位的測量結果，操作簡便，測量精度高。系統采用渦流傳感器作為信號發生裝置，并通過單片機進行信號采集和處理，電路設計簡單且成本低廉。經過嚴格測試，該系統顯示出高度的精確性和穩定性，自動化功能顯著提高了操作效率和工作效率，同時優化的電路設計也有效控制了成本，使得該系統在工程應用中具有廣泛的前景和實用價值。關鍵詞：渦流傳感器；單片機；距離測量1引言研究背景和意義在當今社會，隨著科技和工業的迅速發展，對建筑、機械工業、電子制造等領域的距離測量要求不斷提升，精確的距離測量技術變得尤為重要。成熟的距離測量技術能夠提供非常精確的距離信息，對于保證機械設備的精密操作、提高產品質量、保障工程安全等方面起到關鍵作用。例如，在半導體制造中，微小的誤差都可能導致芯片功能的嚴重缺陷，而在建筑工程中，距離監測能夠及時發現結構的微小變化，預防潛在的安全事故。傳統的距離測量技術主要基于GPS,激光測距等設備，但這些設備有一些不足，如依賴外部信號，精度受環境影響，測距范圍過大，不適合需要測量小距離的場合。現有技術在測量過程中可能存在操作繁瑣、反應時間長、成本高昂等問題，這限制了其在高精度場景下的廣泛應用。然而渦流傳感器具有較強的抗干擾能力，能夠在復雜環境中穩定工作，還具備較高的反映速度和測量精度[1]。引入基于渦流傳感器的距離測量系統，不僅能提供高精度的測量結果，還能通過自動化設計大幅度提高操作的便捷性和效率，降低了成本。本文設計的基于渦流傳感器的距離測量系統，可測距離范圍在33.58毫米到0.29毫米之間，可為各種小距離領域提供有效的測量數據支持，具有較高的測量精度和可靠性。該系統具有以下特點：（1）測量精度高，可滿足工程領域中對于距離測量的精度要求。（2）系統所需設備簡單，成本低廉，便于安裝和維護。（3）數據采集：實時采集數據，為后續數據處理和分析提供基礎。（4）應用廣泛：適用于各種工程領域，如建筑、橋梁、隧道、航空航天等，為工程提供了有效的測量數據支持。研究現狀在測距技術的研究與發展上，近年來國外相關研究取得了顯著成果。首先，衛星遙感技術在測距領域取得了顯著成果[2]。如由美國陸海空三軍聯合研制的GPS衛星系統實現陸、海、空三大領域全覆蓋[3]，提供實時、全天候和全球性的導航服務。又如歐盟的伽利略衛星系統可以做到實時更新位置信息[4]，使測距結果更加精確。其次，激光測距技術在測距領域也取得了突破。德國的LiDAR技術可以實現復雜環境下的測距[5]，在軍事、工業領域已經被廣泛應用，并且被認為在自動駕駛領域有廣闊前景。另外，慣性導航技術在測距領域也有重要應用。例如最早開發于蘇聯時期，后由俄羅斯繼續研究的GLONASS衛星導航系統擁有慣性導航功能[6]，可以實現全球范圍內的測距和定位功能。國外相關研究開始較早，有相關經驗可供我們學習。 在中國，測距技術的發展主要經歷了目視觀測、激光測距、視覺測量和全站測量四個階段。中國科學院國家天文臺利用目視觀測技術研究對流星的感知函數并給出二元表達形式[7]。隨著科技的發展目視觀測技術逐漸被激光測距技術所替代。張建軍等人就利用激光測距技術設計了滿足遠距離測距要求的激光發射和接收光學系統[8]，與此同時，潘武琪等人對月球激光反射器指向角度進行了計算和分析[9]，鐘守炎等人利用激光測距設計了仿生機械龜以提高水下航行器的性能[10]。我國在激光測距領域研究全面開花。鄭州大學丁哲文等人應用視覺測量研究方法[11]，解決了小型零件圓度誤差測量效率低、精度不穩定等問題。不同于視覺測量，全站測量技術是一種新興的測距技術,具有較高的精度和可靠性,能夠測量更長的距離,并且能夠在復雜的環境下工作，十分符合采礦業的測距需求。李霞就利用全站測量實現實現對煤礦內部和外部的精確測距[12]，劉昆對全站儀在礦山工程測量精度進行優化[13]，陳波也進行了地下工程控制測距實驗研究[14]。這些技術的發展預示著中國在全球精密測距技術領域將占據更為重要的地位。2系統分析與設計2.1系統總體設計本系統的總體設計旨在提供一個高精度的距離測量系統，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采集模塊、STM32F103C8T6核心板主控模塊、OLED顯示模塊三個部分，其中主控單片機模塊由電源電路，3.3V穩壓電路，濾波電路，復位電路，晶振電路和啟動選擇電路組成。軟件部分采用C語言進行開發，由STM32F103C8T6核心板的模擬到數字轉換器（ADC）讀取并處理，處理后的信號通過算法進一步分析，以確定位移的確切大小，并采用IIC通訊方式通過OLED顯示電路實時顯示結果。整個系統的設計注重于提高測量的精度和穩定性，同時確保用戶操作的簡便性，適用于需要精細測量控制的各種應用。系統整體框架圖如圖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，下方是被測金屬導體，二者之間高度差為x。當上方線圈中通入交變電流i1時，線圈就會產生交變磁場H1，此時，置于磁場中的金屬導體將產生感應電動勢，進而形成電渦流i2，該電渦流又將產生一個磁場H2，該磁場與之前產生的磁場H1方向相反，并力圖削弱線圈原磁場H1。當高度差x發生改變，線圈電感量也會發生改變，進而改變線圈阻抗。綜上所述渦流傳感器測距原理是利用渦流傳感器檢測線圈與金屬導體之間的微小距離變化，當金屬導體在傳感器附近移動時，會改變傳感器線圈中的磁場，進而改變線圈的阻抗。這些阻抗變化轉化為電信號，傳到單片機主控模塊中。圖2渦流傳感器測距原理示意圖3系統硬件設計3.1主控模塊的設計3.1.1主控模塊的功能分析主控模塊在測距系統中起著至關重要的角色，此模塊的主要作用是作為系統的大腦，負責協調和控制各個子模塊的操作，包括數據從渦流傳感器的采集、處理和將處理結果輸出到OLED顯示屏。此外，它還處理來自用戶界面的輸入，執行系統配置和調整，確保系統的靈活性和高效性。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擴展性，此次系統開發選擇了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容量，能夠更好地滿足系統對于數據處理速度和內存需求。其強大的內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，確保系統運行的高效和穩定。此外，STM32F103C8T6的廣泛應用和成熟的開發工具也為系統的開發提供了便利，使得定制和優化代碼更為高效，最終保證了系統的可靠性和擴展性。3.1.3主控模塊的電路設計電路設計方面，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，用于模塊間的數據傳輸。主控模塊還設計有電源電路，3.3V穩壓電路，濾波電路，復位電路，晶振電路和啟動選擇電路，保證微控制器及其他關鍵組件在各種工作條件下均可靠運行。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，單片機也不例外。本文用USB電路進行供電，具體電路原理圖如圖4所示。圖4USB電路二、3.3V穩壓電路USB電路另一端接移動電源，提供5V電壓，但本文使用的是STM32F103單片機，其工作電壓為3.3V。單片機能承載的電壓有一定范圍，如果把單片機接到過高的電壓上超出其承載范圍，則容易燒壞單片機或者發生爆炸。所以我們要把5V電源降壓到3.3V才可以接入單片機，所以需要有穩壓電路。這里我們選用LM1117芯片來降壓，LM111是一款可調穩壓器，可以提供3.3V的固定電壓，以保證系統正常運行。3.3V穩壓電路原理圖如圖5所示。圖53.3V穩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，保持供電電路穩定。濾波電路原理圖如圖6所示。圖6濾波電路四、復位電路復位電路由一個按鍵、一個電容、一個上拉電阻組成，如圖7所示。設計復位電路的目的是對芯片進行強制復位，使電路恢復到起始狀態，避免上次實驗數據影響本次實驗。其中NRSET連接STM32芯片的復位引腳，該復位引腳為低電平復位。該復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位，第二種是手動按鍵復位。圖7復位電路五、晶振電路單片機的運行必須依賴穩定的時鐘脈沖，由于單片機的內部時鐘容易受外界干擾，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提供時鐘和給單片機提供時鐘。其中2^15等于32768即32.768K，反過來講，如果要把32.768K的時鐘頻率經過15次分頻的話，得到的頻率正好是1Hz即1秒，方便計數。圖88MHz晶振電路圖9RTC時鐘晶振電路六、啟動選擇電路本文采用默認啟動方式即FLASH啟動，如圖10所示。FLASH用來存儲信息，相當于計算機的硬盤，可以在斷電的情況下保證數據不丟失，另外，Flashmemory（閃速存儲器）還具有體積小，容量大，成本低等一系列優點，目前在嵌入式系統中用其來存儲數據和程序很受歡迎。采用本種啟動選擇方式存儲數據和程序代碼快速安全。圖10啟動選擇電路3.2距離采集模塊設計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、響應速度和環境適應性，最終選擇了WL01渦流傳感器作為系統的關鍵組件。因為EC10在高頻響應和微小距離測量方面表現一般，對于需要高度精密測量的應用場合可能不足夠。相比之下WL01渦流傳感器專為高精度和高解析度的測量任務設計，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量結果，特別適合于需要捕捉極小物理變化的應用，如小距離測量，滿足我們系統對精確度的嚴格要求，而其對環境變化的高度適應性也確保了系統在不同工作條件下都能提供可靠的數據。此外，WL01的低噪聲特性對于提高系統總體性能和測量結果的可信度非常關鍵。雖然WL01的成本可能高于一些傳統選項如EC10，但其帶來的長期穩定性和準確性的好處將顯著優化系統性能，從而為用戶提供更大的價值。3.2.2距離采集電路設計本實驗采用WL01渦流傳感器，工作電壓為DC5.0V，輸出信號為模擬電壓5V供電，運用場合有單片機檢測金屬，測距，分類，采集等。本文利用其單片機距離檢測特性，將其接入單片機PA0口作為信號發生裝置，如圖11所示。圖11距離采集電路3.3距離顯示模塊設計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），另一種是有機發光二極管（OLED）。LCD需要外部光源且反應慢，OLED擁有自發光的特性，因此不需要背光，可以產生更深的黑色和更高的對比度，這對于顯示清晰、精確的測量數據至關重要。OLED屏幕也具有更廣的視角和更快的響應時間。鑒于測距系統需要精確顯示復雜數據，并且操作環境可能多樣，本系統選擇OLED作為顯示模塊。OLED的高對比度和快速響應時間使得微小的測量值更易于讀取，且圖像質量在各種光照條件下均保持一致。此外，OLED的能耗低于傳統LCD，這有助于減少整個系統的電力消耗，增加設備的續航時間。盡管初期成本略高，但OLED的長期效益在提高用戶體驗和操作效率方面是值得的。這些特性使得OLED成為滿足高精度測量系統需求的理想選擇。3.3.2距離顯示電路設計本次實驗顯示屏選取的是0.96寸OLED屏幕，應用I^2C通訊方式進行數據傳輸。I^2C總線用于連接微控制器及其外圍設備，它是由數據線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，本實驗數據線SDA和時鐘線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系統軟件設計4.1系統主程序設計系統的主程序流程從系統的初始化開始，此階段包括配置STM32F103C8T6核心板的各項參數，設置渦流傳感器和OLED顯示屏。系統完成啟動后，進入主循環，主循環的核心任務是持續采集來自渦流傳感器的數據，并實時處理這些數據。數據處理包括信號放大、濾波和通過特定算法計算出精確的距離值。處理后的距離數據被實時顯示在OLED屏幕上，并根據用戶的輸入調整，如更改測量參數或重置系統設置，以適應不同的操作需求。整個流程的設計注重實時性和準確性，確保系統可以在各種工業應用中可靠地運行，為用戶提供必要的數據支持和操作界面。主程序流程圖如圖13所示。圖13主程序流程圖4.2顯示模塊的程序設計在距離測量系統中，顯示模塊的程序設計關鍵在于實現對OLED顯示屏的有效控制，以確保數據的清晰可讀和實時更新。程序首先通過初始化部分設定OLED顯示的基本參數，如對比度、亮度和必要的顯示區域，確保顯示屏能夠根據系統的具體需求提供優化的視覺效果。初始化之后，主程序將通過特定的顯示驅動庫函數調用，如SSD1306庫，來管理屏幕上的顯示內容。在主循環中，顯示模塊的程序主要負責接收處理后的位移數據，并將這些數據轉換為用戶友好的格式顯示在屏幕上。程序還設計有數據更新機制，可以實時刷新顯示內容，以反映最新的測量結果。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計渦流傳感器的程序設計主要目標是確保傳感器的數據精確采集與實時處理。在系統中，渦流傳感器通過其特定的硬件接口與STM32F103C8T6核心板連接，程序設計需要實現對這些硬件接口的準確配置和管理。程序的首要任務是初始化，這包括設置渦流傳感器的工作頻率、增益和電源管理參數。這些參數確保傳感器在最佳狀態下運行，以便捕捉微小的距離變化。初始化后，程序進入數據采集階段，這一階段涉及到連續監測傳感器的輸出，并將模擬信號通過ADC（模擬數字轉換器）轉換為數字信號，使其能夠被微控制器處理。在數據處理部分，程序應用算法對采集到的數據進行去噪和濾波，從而提高測量結果的精確性和可靠性。此外，程序還需要實現一個反饋機制，根據數據處理結果調整傳感器的敏感度和測量參數，以適應不同的操作環境和測量要求。最終處理的數據將被送往顯示模塊或存儲于系統內部，供進一步分析或實時監控使用。程序設計流程圖如圖15所示。圖15渦流電路程序流程圖

5系統測試及分析5.1系統實物圖展示本系統實物如圖16所示。焊接完成后對其進行了初步測試，發現傳感器對于非常小的距離反應遲鈍，通過調整傳感器靈敏度設置和信號放大比例，改善了其測量精度和響應速度。圖16系統實物展示圖5.2系統整體測試實物測試圖如下圖17，移動金屬片靠近渦流傳感器的過程中，OLED顯示屏會實時顯示金屬片與渦流傳感器之間的距離。其中DIS數值就是距離測量值，Val顯示數值是ADC的值。圖17實物測試圖為驗證本系統性能，現將系統距離測量值和距離實際值進行比較，測試過程如下：將系統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，手持被測金屬逐漸靠近渦流傳感器感應線圈，觀察記錄OLED顯示屏上顯示的距離測量值，同時觀察測量距離實際值并進行記錄。經過反復測量得出本系統測量值最大為33.58mm，最小為0.29mm。根據所測數據繪制下方所示表1a和表1b以及圖18。表1a距離測量值與距離實際值對比距離測量值(mm)33.5831.2028.6126.6523.3420.7817.64距離實際值(mm)34312825221918絕對誤差-0.420.200.611.651.341.78-0.36相對誤差-0.010.010.020.070.060.09-0.02表1b距離測量值與距離實際值對比距離測量值(mm)14.2110.438.386.493.511.040.29距離實際值(mm)131086410絕對誤差1.210.430.380.49-0.490.040.29相對誤差0.090.0430.050.08-0.120.04圖18距離實際值與距離測量值對比圖由表1可以看出本系統絕對誤差和相對誤差很小，由圖18可直觀看出本系統測量值與實際值非常接近，除個別數值外，二者基本重合，滿足系統設計需求，總體來說實現了距離的測量且精度有一定保證。6總結與展望本文對基于電渦流傳感器的測距系統進行了系統性設計，通過STM32單片機采用庫函數實現算法，設計了一個測量精度高、易實現的測距系統。單片機作為控制芯片通過程序發揮數據的提取計算傳輸存儲等功能，渦流傳感器把距離量轉變為電信號，單片機ADC提取并進行數據處理，最終通過OLED顯示屏實時顯示所測距離數值，經過反復測量計算，本系統誤差較小，精度達到設計要求。總的來說本系統通過結合測距系統的軟、硬件平臺設計，可以實現實時精確的距離測量。誤差產生的原因分析如下：測量過程中產生誤差最有可能的原因有兩個，一是選用直尺測量實際距離會存在偏差，因為直尺精度不足，在記錄數據時只能估算，實際距離值記錄準確性有待提高。二是測量過程中采用手持被測金屬靠近或遠離渦流傳感器線圈，忽略了手未必能時時刻刻精準保持在一個位置不動的現實情況，一旦手部有微小動作就可能影響線圈磁場進而影響阻抗，導致距離測量值發生變化，示數不穩定，有一定誤差，應該用專業固定設備測量。參考文獻陳陽,呂勇,劉力雙.空間強約束條件下電渦流傳感器特性影響分析[J].儀表技術與傳感器,2023,(08):26-30.齊旭.遙感衛星應用加速走進生活[N].中國電子報,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.國外衛星導航系統工程管理現狀分析及啟示[J].導航定位學報,2022,10(01):15-19.Shangguan