概述

液位檢測(cè)在工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。隨著技術(shù)的進(jìn)步，基于飛行時(shí)間（Time-of-Flight, ToF）傳感器的液位檢測(cè)解決方案以其高精度、非接觸式測(cè)量能力成為了熱門選擇。本文將介紹如何使用 STMicroelectronics 的 VL53L4CD ToF 傳感器進(jìn)行高精度液位檢測(cè)，并重點(diǎn)探討在不同液體和容器條件下如何通過(guò)非線性校正算法提升測(cè)量準(zhǔn)確性。文中還將分析實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，并總結(jié)液位檢測(cè)應(yīng)用中可能面臨的挑戰(zhàn)及解決方案。

最近在弄ST的課程，需要樣片的可以加群申請(qǐng)：615061293 。

視頻教學(xué)

[https://www.bilibili.com/video/BV1gj1BY1Ewe/]

樣品申請(qǐng)

[https://www.wjx.top/vm/OhcKxJk.aspx#]

完整代碼下載

[https://download.csdn.net/download/qq_24312945/89853013]

硬件準(zhǔn)備

首先需要準(zhǔn)備一個(gè)開(kāi)發(fā)板，這里我準(zhǔn)備的是自己繪制的開(kāi)發(fā)板，需要的可以進(jìn)行申請(qǐng)。

STSW-IMG039

該液位監(jiān)測(cè)解決方案基于意法半導(dǎo)體渡越時(shí)間測(cè)距傳感器，可與VL53L4CD渡越時(shí)間高精度接近傳感器或具有寬視野的VL53L5CX渡越時(shí)間8x8多區(qū)測(cè)距傳感器配合使用。
采用FlightSense技術(shù)的創(chuàng)新型意法半導(dǎo)體解決方案支持用戶使用非機(jī)械傳感器來(lái)測(cè)量液體的液位，以降低銹蝕風(fēng)險(xiǎn)。意法半導(dǎo)體解決方案可以十分精準(zhǔn)地測(cè)量各種液體，包括透明的水和深色的燃料等等。
VL53L4CD適用于接近測(cè)量和短距離測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)從僅僅1 mm到1300 mm的超精準(zhǔn)距離測(cè)量。新一代激光發(fā)射器具有18°FoV（視場(chǎng)），提高了環(huán)境光下的性能，其測(cè)距速度高達(dá)100 Hz。

容器特性

AN5851 文件的內(nèi)容，第二章主要講解了 ST 的建議，該章節(jié)分為兩個(gè)部分，討論了容器的屬性和反射率對(duì)測(cè)量精度的影響，并給出了相應(yīng)的優(yōu)化建議。

容器的尺寸和傳感器的視場(chǎng)角 (FoV)：VL53L4CD 傳感器的視場(chǎng)角是錐形的（18°），因此，如果容器的直徑小于傳感器的視場(chǎng)角，測(cè)量信號(hào)可能會(huì)從容器的邊緣反射回來(lái)，導(dǎo)致測(cè)量精度下降。為了避免這一問(wèn)題，建議使用直徑大于傳感器視場(chǎng)的容器。

傳感器與液體表面的距離：傳感器應(yīng)放置在液面最高點(diǎn)上方至少 30 毫米的位置，以避免水滴反彈或容器晃動(dòng)時(shí)造成的信號(hào)干擾，從而影響測(cè)量準(zhǔn)確性。

低反射率容器：建議使用底部低反射率的容器，因?yàn)楫?dāng)液面較低時(shí)，如果容器底部反射信號(hào)過(guò)強(qiáng)，可能會(huì)與從液面反射回來(lái)的信號(hào)混淆，導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。

透明或高反射率容器的影響：透明或高反射率的容器底部容易導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)混亂，尤其是在液面較低時(shí)。因此，低反射率的底部設(shè)計(jì)能夠減少信號(hào)干擾，提高測(cè)量精度。

包含必要的頭文件

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "vl53l4cd_api.h" // VL53L4CD 傳感器 API
#include "custom_ranging_sensor.h" // 自定義測(cè)距傳感器頭文件
/* USER CODE END Includes */

變量定義

/* USER CODE BEGIN 0 */
int status;// 存儲(chǔ)操作狀態(tài)
volatile int IntCount;// 中斷計(jì)數(shù)器
uint8_t p_data_ready;// 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備標(biāo)志
uint16_t dev, sensor_id;// 設(shè)備 ID 和傳感器 ID
VL53L4CD_ResultsData_t results;        /* Results data from VL53L4CD */
VL53L4CD_Version_t sw_version;    /* Driver version */


/* Below code has to be updated depending on customer setup parameters */
/* Start: Measure liquid level application*/
/* Consider X indicator levels and define a structure to store level, expected result and compensation value*/
// 液位標(biāo)志的數(shù)量，定義有 10 個(gè)級(jí)別
#define MAX_LABEL 10 /* Number of level indicators – To be updated depending on the number of levels in the OffGainVal.csv file */
typedef struct ogalgo_data
{
  uint8_t level ;// 液位級(jí)別
  uint16_t  expected_res;// 預(yù)期測(cè)量結(jié)果
  uint16_t  og_val;// 補(bǔ)償值
}ogalgo_data;

/* Design a lookup table with a structure of compensate value data received from GUI once characterization is done*/
/* First column : indicator level , Second column: Expected result , Third column: compensate value*/
/* Example of values given below - To be updated with values from the GUI*/

/* 使用測(cè)量補(bǔ)償數(shù)據(jù)初始化查找表 */
ogalgo_data ogalgo_data_inst[MAX_LABEL]={
        { 9, 21, 4 },
        { 8, 42, 4 },
        { 7, 63, 2 },
        { 6, 84, 1 },
        { 5, 105, 5 },
        { 4, 126, 14 },
        { 3, 147, 25 },
        { 2, 168, 30 },
        { 1, 189, 20 },
    };


/* Ranging 函數(shù)的原型聲明 */
int Ranging(Dev_t dev,uint16_t *ouputranging);

/* 開(kāi)啟算法標(biāo)志 */
uint8_t algo_enable=1; /* algo_enable=1 to apply the lookup table - algo_enable=0 to not apply */
uint16_t totaldistance=270; /* 傳感器到容器底部的高度，單位為毫米 */
uint16_t meanranging=0;// 平均測(cè)距值
uint16_t rangevalue_out=0;// 最終補(bǔ)償后的測(cè)距值
uint16_t invalid_range=999;// 無(wú)效測(cè)距值


void get_data_by_polling(Dev_t dev);// 數(shù)據(jù)輪詢獲取函數(shù)
/* USER CODE END 0 */

測(cè)距函數(shù) Ranging()

該函數(shù)執(zhí)行 10 次測(cè)距操作并計(jì)算平均值，確保測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。

/* Ranging 函數(shù) - 獲取測(cè)量數(shù)據(jù)并計(jì)算平均值 */
int Ranging(Dev_t dev,uint16_t *ouputranging)
{
    uint8_t cnt=0;uint16_t mean_distance=0;uint16_t meanranging=0;
     /* 進(jìn)行 10 次測(cè)量，取平均值 */
    for (cnt = 0; cnt < 10;)
    {
        status = VL53L4CD_CheckForDataReady(dev, &p_data_ready);
//        printf("status11=%d,data_ready=%dn",status,p_data_ready);
        HAL_Delay(3);
        if (p_data_ready)
        {
            VL53L4CD_ClearInterrupt(dev);
            VL53L4CD_GetResult(dev, &results);


                if(results.range_status ==0)
                {
                    mean_distance+=results.distance_mm;
                    cnt++;
                    HAL_Delay(3);
                }


        }
    }
//    printf("cnt=%dn",cnt);
    meanranging=mean_distance/10;// 計(jì)算平均值
    *ouputranging =meanranging;
    return status;
}

液位誤差補(bǔ)償函數(shù) Liquidlevelmeasureerrorcomponsate()

/* 液位測(cè)量誤差補(bǔ)償函數(shù) */
void Liquidlevelmeasureerrorcomponsate(uint16_t rangevalue,uint16_t *rangevalue_out)
{

        uint16_t pos=0;
        uint16_t i=0; uint16_t value;

        for (i=0;i< MAX_LABEL;i++)
        {
            if  (rangevalue < totaldistance+5) //5 buffer
            {
                if (rangevalue < ogalgo_data_inst[i].expected_res)
                {

                    //Check first
                    if (i >0)
                    {
                        value = (ogalgo_data_inst[i].expected_res + ogalgo_data_inst[i-1].expected_res)/2;
                    }
                    else
                        value = ogalgo_data_inst[i].expected_res;
                    if(rangevalue <= value)
                    {
                        /* First position */
                        if (i ==0 )
                        {
                            pos=1;
                            break;
                        }
                        pos=1+(i-1); // adding one bcz position starts from 1
                        break;
                    }
                    else
                    {
                        pos=1+i;
                        break;
                    }
                }
                else
                {
                    if (rangevalue > totaldistance+5)
                        pos=99;
                    else
                        pos=6;  // Need to find which one is max OG value or store it directly here

                }
            }
            else
                pos=99;

        }

         /* 根據(jù)位置補(bǔ)償測(cè)量值 *//
        switch(pos)
        {
            case 1:
                    *rangevalue_out=rangevalue + ogalgo_data_inst[pos].og_val; // Category Underranging,
                break;
            case 2:
                    *rangevalue_out=rangevalue + ogalgo_data_inst[pos].og_val; // Category Underranging, 30mm average b/w C3&C2
                break;
            case 3:
                    *rangevalue_out=rangevalue + ogalgo_data_inst[pos].og_val; // Category Underranging, 25mm average b/w C4&C3
                break;
            case 4:
                    *rangevalue_out=rangevalue + ogalgo_data_inst[pos].og_val; // Category Underranging, 12mm average b/w C2&C2
                break;
            case 5:
                    *rangevalue_out=rangevalue - ogalgo_data_inst[pos].og_val; // Category Overranging, 4mm average b/w C2&C2
                break;
            case 6:
                    *rangevalue_out=(uint16_t)(rangevalue - ogalgo_data_inst[pos].og_val); // Category Overranging,

                break;
            case 7:
                    *rangevalue_out=(uint16_t)(rangevalue - ogalgo_data_inst[pos].og_val); //Category Overranging,
                break;
            case 8:
                    *rangevalue_out=(uint16_t)(rangevalue - ogalgo_data_inst[pos].og_val); // Category Overranging,

                break;
            case 9:
                    *rangevalue_out=(uint16_t)(rangevalue - ogalgo_data_inst[pos].og_val); // Category Overranging,
                break;
            default:
                    printf("Valid water level not foundn");
            }

}
/* End:Measure liquid level application */

數(shù)據(jù)輪詢函數(shù) get_data_by_polling()

該函數(shù)不斷輪詢 VL53L4CD 傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算平均測(cè)距值并輸出補(bǔ)償后的液位數(shù)據(jù)。

/* 通過(guò)輪詢獲取數(shù)據(jù) */
void get_data_by_polling(Dev_t dev){
    do
    {
        /* Liquid level Measure application */
        status=Ranging(dev,&meanranging);
             if (!status)
             {
                 if (algo_enable == 1)
                 {
                     Liquidlevelmeasureerrorcomponsate(meanranging,&rangevalue_out);
                     //printf("rg=%d %dn",meanranging, rangevalue_out);
                     if (rangevalue_out >0)
                          printf("Liquid level is = %d mmn",rangevalue_out);
                     else
                         printf("Invalid range is = %d mmn",invalid_range);
                 }
                 else
                     printf("Mean ranging is = %d mmn",meanranging);
             }

    }
    while(1);
}

演示

水瓶大概19cm左右，當(dāng)只剩下一點(diǎn)水時(shí)。

加水到7cm左右。

加水到11cm左右。

加水到14左右。

審核編輯 黃宇