基于stm32和ucos3的船上水位探测装置

1、基于stm32和ucos3的船上水位探测装置 一：可行性分析 船在行驶中需要实时显示船体水位，以便航行需要。而stm32具有功能多，价格优，ucos3具有轻量，实时性高的特点。所以选用stm32和ucos3作为船上水位监测的硬件和平台。实时多任务操作系统uCOS-III的特点： uCOS-III是一个全新的实时内核，源于世界上最流行的实时内核uC/OS-II，除了提供熟悉的一系列系统服务，全面修订了API接口，使uC/OS-III更直观，更容易使用。该产品可以广泛应用于通信，工业控制，仪器仪表，汽车电子，消费电子，办公自动化设备等的设计开发。1.对液位报警装置的选型三种类型装置的比较 

2、;：浮子式：属早期产品，主要是结构与维修相对简单，成本低。该类型装置基本上属于机械式的，测量与控制合为一体，在加装时就其位置的选择而言有一定的局限性；该装置只能在达到设定液位时报警，却不方便观察平时的液位情况；在接近设定液位时，浮子容易受到液面波涌的干扰，出现误报警，且测量亦不精确，等等。 测距式：测量准确，容易控制，性能稳定，不仅能对设定的液位报警，还能监视平时液位的变化情况，成本适中。因为超声探头要装在被测液面之上，其加装仍有一定的局限，但较浮子式的要好些；通过调节显示控制装置的延时与报警回差值能够剥弱液面波涌对测量的干扰。 传感式：测量准确，容易控制，性能稳定，不仅能

3、对设定的液位报警，还能监视平时液位的变化情况，成本适中；由于压力探头和变送器之间用软性的导气缆连接，方便了安装，降低了该装置在安装上的局限性；因为压力探头是放在液体的底部，液面的波涌对其的干扰本来就小，加之通过显示控制装置的延时与报警回差值的调节，基本上能够消除液面波涌产生的测量干扰。2、选型及基于的考虑 通过上述比较，我们选用测距式舱底水液位报警装置主要是基于以下两点考虑： 装置的性能：性能稳定，我们选的这款装置关键部件都是进口元件；参数设定后，断电后可保存20年；宽电压（85260VAC）；温度漂移小（±0.2%/10）；测量准确，适合船舶使用。抗干扰能力强，

4、特别是消除液面波涌产生的干扰尤为突出。显示直观，舱底水的液位高度以数字显示在显示控制装置上，方便了工作人员对舱底水的监视和处理。操作简单，参数一经设定就不需其它操作了，至多开关一下电源而已；如需调整参数，按照说明书进行调整亦很简单。不失为一款性价比较好的设备。 船舶的要求：船舶舱室的空间很有限。在加装其它设备时，应考虑到：新设备加装后对原设备功能、操作产生的影响。在实现新加装设备功能的同时，还应以：不移动、或少移动原有的设备，不影响、或少影响原有设备的操作和作用为原则。我们所选的这款液位报警装置就相对好的解决了这个问题，因为它几乎不需要特定的安装位置。  二：实现

5、功能由stm32硬件实时监控水位，数据由超声波传感器测量而得，并将显示结果传输至上位机。当水位高于或低于预定值时，拉响警报，实现避险和预报功能。三：功能原理超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点：（1）无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；（2）其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。系统采用的超声波传感器的工作频率为40kHz

6、左右。由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。计算公式为：V=331.5+0.607T （1）式中：V为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。S=V ×t/2=V×（t1t0）/2 （2）式中：S为被测距离；t为发射超声脉冲与接收其回波的时间差；t1为超声回波接收时刻；t0为超声脉冲发射时刻。利用MCU的捕获功能可以很方便地测量t0时刻和t1时刻，根据以上公式

7、，用软件编程即可得到被测距离S。由于本系统的MCU选用了具有SOC特点的混合信号处理器，其内部集成了温度传感器，因此可利用软件很方便的实现对传感器的温度补偿。由stm32硬件实时监控水位，当水位高于或低于预定值时，拉响警报1.stm32 STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核.按内核架构分为不同产品：其中STM32F1系列有：STM32F103“增强型”系列STM32F101“基本型”系列STM32F105、STM32F107“互联型”系列增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36M

8、Hz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是32位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上最低的产品，相当于0.5mA/MHz。STM32F103简介ARM公司的高性能”Cortex-M3”内核1.25DMips/MHz,而ARM7TDMI只有0.95DMips/MHz一流的外设1s的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度低功耗在72MHz时消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2A最

9、大的集成度复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等简单的结构和易用的工具参数12V-36V供电兼容5V的I/O管脚优异的安全时钟模式带唤醒功能的低功耗模式内部RC振荡器内嵌复位电路工作温度范围：-40°C至+85°C或105°C特点内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。DMA：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。3个12位的us级的A/D转换器（16通道）：A/D测量范围：0-3.6V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。

10、2通道12位D/A转换器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。最多多达13个通信接口：2个IIC接口（

11、SMBus/PMBus）。5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。3个SPI接口（18 Mbit/s），两个和IIS复用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。系统作用1、集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARM Cortex-M3内核。和8/16位设备相比，ARM Cortex-M3 32位RISC处理器提供了更高的代码效率。STM32F103xx微控制器带有一个嵌入式的ARM核，所以可以兼容所有的ARM工具和软件。2、嵌入式Flash存储器和RAM存储器：内置多达512KB的嵌入式Flash，可用于存储程序和数据。多达64KB的

12、嵌入式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写（不待等待状态）。3、可变静态存储器（FSMC）：FSMC嵌入在STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中，带有4个片选，支持四种模式：Flash,RAM,PSRAM,NOR和NAND。3个FSMC中断线经过OR后连接到NVIC。没有读/写FIFO，除PCCARD之外，代码都是从外部存储器执行，不支持Boot，目标频率等于SYSCLK/2，所以当系统时钟是72MHz时，外部访问按照36MHz进行。4、嵌套矢量中断控制器（NVIC）：可以处理43个可屏蔽中断通道（不包括Cortex-M3的16根中断线），提供16个中断优先

13、级。紧密耦合的NVIC实现了更低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧密耦合的NVIC内核接口，允许中断提前处理，对后到的更高优先级的中断进行处理，支持尾链，自动保存处理器状态，中断入口在中断退出时自动恢复，不需要指令干预。5、外部中断/事件控制器（EXTI）：外部中断/事件控制器由用于19条产生中断/事件请求的边沿探测器线组成。每条线可以被单独配置用于选择触发事件（上升沿，下降沿，或者两者都可以），也可以被单独屏蔽。有一个挂起寄存器来维护中断请求的状态。当外部线上出现长度超过内部APB2时钟周期的脉冲时，EXTI能够探测到。多达112个GPIO连接到16个外部中断线。2.uC/

14、OS-III 简介uC/OS-III(Micro C OS Three 微型的C 语言编写的操作系统第3版)是一个可升级的，可固化的，基于优先级的实时内核。它对任务的个数无限制。uC/OS-III 是一个第3 代的系统内核，支持现代的实时内核所期待的大部分功能。例如资源管理，同步，任务间的通信等等。然而，uC/OS-III 提供的特色功能在其它的实时内核中是找不到的，比如说完备的运行时间测量性能，直接地发送信号或者消息到任务，任务可以同时等待多个内核对象等。uC/OS-III 是一个可扩展的，可固化的，抢占式的实时内核，它管理的任务个数不受限制。它是第三代内核，提供了现代实时内核所期望的所有功

15、能包括资源管理、同步、内部任务交流等。uC/OS-III 也提供了很多特性是在其他实时内核中所没有的。比如能在运行时测量运行性能，直接得发送信号或消息给任务，任务能同时等待多个信号量和消息队列。应用程序接口（API）uC/OS-III 是很直观的。如果你熟悉类似的编码规范，你能轻松地知道函数名所对应的服务，以及需要怎样的参数。例如：指向对象的指针通常是第一个参数，指向错误代码的指针通常是最后一个参数。抢占式多任务处理uC/OS-III 是一个抢占式多任务处理内核，因此，uC/OS-III 正在运行的经常是最重要的就绪任务。时间片轮转调度uC/OS-III 允许多个任务拥有相同的优先级。当多个相

16、同优先级的任务就绪时，并且这个优先级是目前最高的。uC/OS-III 会分配用户定义的时间片给每个任务去运行。每个任务可以定义不同的时间片。当任务用不完时间片时可以让出CPU 给另一个任务。快速响应中断uC/OS-III 有一些内部的数据结构和变量。uC/OS-III 保护临界段可以通过锁定调度器代替关中断。因此关中断的时间会非常少。这样就使uC/OS-III 可以响应一些非常快的中断源了。3.超声波传感器人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。超声波是一种在弹性介质

17、中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。四：任务分配通过创建任务函数ostaskcreate创建3个任务，分别为：1.数据测量，通过超声波测量，得到反馈数据，进行量化2.数据传

18、输，送给上位机显示3.报警设置，通过预设值比较，判断是否响铃两个函数之间通过中断切换中断优先级为3>1>2数据测量和数据传输两个任务有参数传递，参数量为超声波测量返回数值。系统软件部分使用C语言编程，同时使用STM32官方提供的固件库，使用的版本为3.5版。 STM32固件库也称固件函数库或标准外设库，是一个固件函数包，它由程序、数据结构和宏组成，包括了微控制器所有外设的性能特征。该函数库还包括每一个外设的驱动描述和应用实例，为开发者访问底层硬件提供了一个中间API，通过使用固件函数库，无需深入掌握底层硬件细节，开发者就可以轻松应用每一个外设。因此，使用固态函数库可以大大减少用户的程序编写时间，进而降低开发成本。每个外设驱动都由一组函数组成，这组函数覆盖了该外设所有功能。简单的说，使用标准外设库进行开发最大的优势就在于可以使开发者不用深入了解底层硬件细节就可以灵活规范的使用每一个外设。五：总结STM32在速度、功耗方面性能都更加优越，其丰富的外设也更加方便设计。另外，STM32价格较低，在成本上也有