電容式液位傳感器

的系統(tǒng)和設(shè)計(jì):

液面水平的測定中常用的方法有滑動(dòng)電位器法、感應(yīng)線圈法、數(shù)字容量法等。 滑動(dòng)電位法是目前中低速車采用的檢測方法，但復(fù)蓋油污電位器時(shí)電阻值發(fā)生變化，誤差過大，這種油箱傳感器成為消耗部件。 感應(yīng)線圈法是目前汽車常用的方法，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，不能廣泛應(yīng)用。 數(shù)字電容法是一種比較容易實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)靈活、成本低、精度高的測量方法，但需要解決線性度和校正等問題。

汽油和柴油是具有電絕緣特性的液體混合物，粘度低，流動(dòng)性好，蒸發(fā)性強(qiáng)，測量對象的這些物理特性使用電容式液位傳感器創(chuàng)造了條件，而高速發(fā)展的微電子技術(shù)能夠以較低的價(jià)格實(shí)現(xiàn)小容量的測量，該測量方案具有廣闊的市場前景

1硬件設(shè)計(jì)

1.1電容式測量油量原理

電容式傳感器

將測量的非電量變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。 靜電電容式水平傳感器的原理是在液面水平發(fā)生變化時(shí)，引起介電常數(shù)的變化。 當(dāng)被檢液體的液面在靜電電容式圓筒套筒電極間變化時(shí)，電極間的介電常數(shù)不同的電介質(zhì)的高度發(fā)生變化，靜電電容發(fā)生變化。 本電容傳感器采用圓筒形套筒結(jié)構(gòu)。

電容式傳感器外殼和內(nèi)圓柱采用鈦合金材料，構(gòu)成兩個(gè)電極板，外殼半徑為R1的內(nèi)圓柱半徑R2； 汽油的介電常數(shù)為&epsilon； 0； 真空中的介電常數(shù)為&epsilon； 1； 圓筒套筒的高度為h。液面的高度為l。忽略邊緣效應(yīng)，L=0時(shí)，傳感器處于零點(diǎn)，容量值z小，傳感器容量小

1.2簡介

具有單片機(jī)處理單元的專用容量測量的容量數(shù)字轉(zhuǎn)換單片方案，是內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理。 該變換測定原理是相對于變換時(shí)間范圍z可能小到2&mu的s的高精度的時(shí)間變換。 在芯片中有48位DSP單元，該處理單元處理容量測量的信息并獲取測量數(shù)據(jù)，并且向芯片輸出端口發(fā)送結(jié)果。 結(jié)果數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部RAM中，在內(nèi)部用OTP或SRAM這兩種方法編寫程序。

有漂移和接地兩種電容傳感器連接的方式，本設(shè)計(jì)針腳資源充足，為提高抗干擾性，采用漂移連接法，電容傳感器通過屏蔽線直接連接，測量的電容值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，精度z達(dá)到21位有效位，測量讀取寄存器 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍為16~45 pF，可測范圍可達(dá)數(shù)f至數(shù)百nF，滿足本設(shè)計(jì)對測范圍的要求。

電容傳感器數(shù)據(jù)可以在芯片內(nèi)校準(zhǔn)并經(jīng)由SPI或I2C數(shù)據(jù)串行接口來傳送。 使用標(biāo)準(zhǔn)固件，提供20個(gè)結(jié)構(gòu)、參數(shù)寄存器和12個(gè)讀取寄存器。

1.3數(shù)字電容式液位傳感器應(yīng)用系統(tǒng)

該設(shè)計(jì)用所附帶的標(biāo)準(zhǔn)固件03.01.xx來構(gòu)成電容測量寄存器，進(jìn)行讀取，選擇STM32F103ZET6，通過I2C串行總線接收數(shù)字電容測量值，向LCD畫面發(fā)送數(shù)據(jù)。

這里，采用單傳感器漂移模式，根據(jù)電容傳感器的測定數(shù)據(jù)，將20 pF的陶瓷電容器作為基準(zhǔn)電容器與PC0和PC1的兩端連接，測定的電容器與PC2和PC3的兩端連接。 設(shè)定配置寄存器選擇漂移單一容量模式，內(nèi)部放電電阻為90 k&Omega，將靜電容量測量的觸發(fā)源設(shè)為持續(xù)觸發(fā)模式。

由讀取寄存器Res1讀取的是C/C基準(zhǔn)比率，無符號固定點(diǎn)數(shù)帶有3位的整數(shù)和21位的小數(shù)，數(shù)值為0~7.999 9，精度為0.477×； 十六。 有內(nèi)部接地補(bǔ)償和外部漂移寄生電容補(bǔ)償，為了確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和高精度測量，解決了外圍電路的抗干擾和屏蔽問題，其中去耦電容的選擇和電源穩(wěn)定性是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

雙軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

部分主要包括寄存器的配置和大容量數(shù)據(jù)采集模塊的STM32F103ZET6的部分包括兩部分，即串行通信和LCD屏幕上的通信顯示數(shù)據(jù)。 有些軟件是用匯編語言編寫的，有些STM32F103ZET6軟件是用c語言編寫的。

2.1部分軟件設(shè)計(jì)

在軟件開發(fā)評價(jià)中，在SRAM中寫入了固件。 SRAM地址空間為4 kx 8位。 如果開始接通電源后發(fā)送0x88，此命令將重置所有狀態(tài)。 發(fā)送從8位數(shù)據(jù)到000到FFF的任意SRAM地址，從該地址再次讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行通信測試后，再次全復(fù)位操作碼0x88的狀態(tài)。 向SRAM發(fā)送數(shù)據(jù)后，可按照設(shè)計(jì)進(jìn)行配置寄存器的設(shè)定。 設(shè)計(jì)中選擇的是單一漂移電容模式，一個(gè)傳感器，一個(gè)參考電容，完全補(bǔ)償，內(nèi)部放電電阻為90 k&Omega，連續(xù)觸發(fā)，電容測量的循環(huán)時(shí)間為20&mu； s。 容量測量的循環(huán)時(shí)間是重要的CDC參數(shù)，必須注意容量放電時(shí)間的大小，設(shè)置的循環(huán)時(shí)間必須足夠長，默認(rèn)設(shè)置的循環(huán)時(shí)間為>； 因?yàn)槭?倍的放電時(shí)間，所以選擇20&mu的s可以滿足設(shè)計(jì)要求。 設(shè)定寄存器后，發(fā)送部分復(fù)位操作碼0x8a和容量測量開始指令0x8c，等待100 ms后，可從Res1寄存器讀取C/C參照的比率。

2.2 STM32F103ZET6軟件設(shè)計(jì)的一部分

STM32F103ZET6基于armcortex，是M3內(nèi)核的32位處理器，內(nèi)部配備了I2C硬件接口。 現(xiàn)在I2C總線協(xié)議已成為芯片間低速串行通信的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用范圍越來越廣。 I2C總線在數(shù)據(jù)傳輸過程中，有開始信號、結(jié)束信號、響應(yīng)信號三種信號。 在讀出序列中，STM32F103ZET6按照發(fā)送開始信號后的第Byte發(fā)送個(gè)別的7比特設(shè)備地址，Pcap01作為從屬的設(shè)備地址是1010000。 STM32F103ZET6接收數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行濾波，并通過8位數(shù)據(jù)總線的并行接口發(fā)送給LCD液晶面板顯示器。 軟件的流程圖如圖4所示。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的測量精度和性能，對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，使用高30 cm的電容式傳感器和93號汽油，在自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。

3.1精度分析

傳感器測量的電容值與基準(zhǔn)電容的比率C/C存儲在Pcap01的Res1寄存器中，多次測量了高10 cm和20 cm的汽油。

Pcap01的測定比率范圍為0~7.999 9，從測定結(jié)果來看，24位的測定結(jié)果除去上位12位、整數(shù)位，穩(wěn)定在小數(shù)點(diǎn)以下9位，測定精度為20/(29-1)=0.04 pF。

3.2線性分析

由式(1)可知，電容器c與液面高度x成比例關(guān)系，圖6為測量范圍0~35cm、進(jìn)給量0.5 cm時(shí)的傳感器容量值和高度值的變化曲線，由圖可知，系統(tǒng)具有良好的線性。

4結(jié)語

本文結(jié)合電容數(shù)字芯片Pcap01對STM32的電容數(shù)據(jù)的處理，通過在自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行的測量精度和線性度分析實(shí)驗(yàn)，充分考慮了信號的屏蔽和抗干擾等問題，顯示出了較高的可靠性。 Pcap01設(shè)計(jì)的液位傳感器系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、測量范圍寬的特點(diǎn)，適用于油箱、油箱等液位測量。

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