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电容式液位传感器
的系统和设计:
液面水平的测定中常用的方法有滑动电位器法、感应线圈法、数字容量法等。 滑动电位法是目前中低速车采用的检测方法，但复盖油污电位器时电阻值发生变化，误差过大，这种油箱传感器成为消耗部件。 感应线圈法是目前汽车常用的方法，但结构复杂、成本高，不能广泛应用。 数字电容法是一种比较容易实现、设计灵活、成本低、精度高的测量方法，但需要解决线性度和校正等问题。
汽油和柴油是具有电绝缘特性的液体混合物，粘度低，流动性好，蒸发性强，测量对象的这些物理特性使用电容式液位传感器创造了条件，而高速发展的微电子技术能够以较低的价格实现小容量的测量，该测量方案具有广阔的市场前景
1硬件设计
1.1电容式测量油量原理
电容式传感器
将测量的非电量变化转换为电容量变化的传感器。 静电电容式水平传感器的原理是在液面水平发生变化时，引起介电常数的变化。 当被检液体的液面在静电电容式圆筒套筒电极间变化时，电极间的介电常数不同的电介质的高度发生变化，静电电容发生变化。 本电容传感器采用圆筒形套筒结构。
电容式传感器外壳和内圆柱采用钛合金材料，构成两个电极板，外壳半径为R1的内圆柱半径R2； 汽油的介电常数为&epsilon； 0； 真空中的介电常数为&epsilon； 1； 圆筒套筒的高度为h。液面的高度为l。忽略边缘效应，L=0时，传感器处于零点，容量值z小，传感器容量小
1.2简介
具有单片机处理单元的专用容量测量的容量数字转换单片方案，是内部结构原理。 该变换测定原理是相对于变换时间范围z可能小到2&mu的s的高精度的时间变换。 在芯片中有48位DSP单元，该处理单元处理容量测量的信息并获取测量数据，并且向芯片输出端口发送结果。 结果数据存储在内部RAM中，在内部用OTP或SRAM这两种方法编写程序。
有漂移和接地两种电容传感器连接的方式，本设计针脚资源充足，为提高抗干扰性，采用漂移连接法，电容传感器通过屏蔽线直接连接，测量的电容值转换为数字值，精度z达到21位有效位，测量读取寄存器 实验设计范围为16~45 pF，可测范围可达数f至数百nF，满足本设计对测范围的要求。
电容传感器数据可以在芯片内校准并经由SPI或I2C数据串行接口来传送。 使用标准固件，提供20个结构、参数寄存器和12个读取寄存器。
1.3数字电容式液位传感器应用系统
该设计用所附带的标准固件03.01.xx来构成电容测量寄存器，进行读取，选择STM32F103ZET6，通过I2C串行总线接收数字电容测量值，向LCD画面发送数据。
这里，采用单传感器漂移模式，根据电容传感器的测定数据，将20 pF的陶瓷电容器作为基准电容器与PC0和PC1的两端连接，测定的电容器与PC2和PC3的两端连接。 设定配置寄存器选择漂移单一容量模式，内部放电电阻为90 k&Omega，将静电容量测量的触发源设为持续触发模式。
由读取寄存器Res1读取的是C/C基准比率，无符号固定点数带有3位的整数和21位的小数，数值为0~7.999 9，精度为0.477×； 十六。 有内部接地补偿和外部漂移寄生电容补偿，为了确保系统的可靠运行和高精度测量，解决了外围电路的抗干扰和屏蔽问题，其中去耦电容的选择和电源稳定性是系统硬件设计的重要环节。
双软件结构设计
部分主要包括寄存器的配置和大容量数据采集模块的STM32F103ZET6的部分包括两部分，即串行通信和LCD屏幕上的通信显示数据。 有些软件是用汇编语言编写的，有些STM32F103ZET6软件是用c语言编写的。
2.1部分软件设计
在软件开发评价中，在SRAM中写入了固件。 SRAM地址空间为4 kx 8位。 如果开始接通电源后发送0x88，此命令将重置所有状态。 发送从8位数据到000到FFF的任意SRAM地址，从该地址再次读取数据，进行通信测试后，再次全复位操作码0x88的状态。 向SRAM发送数据后，可按照设计进行配置寄存器的设定。 设计中选择的是单一漂移电容模式，一个传感器，一个参考电容，完全补偿，内部放电电阻为90 k&Omega，连续触发，电容测量的循环时间为20&mu； s。 容量测量的循环时间是重要的CDC参数，必须注意容量放电时间的大小，设置的循环时间必须足够长，默认设置的循环时间为>； 因为是2倍的放电时间，所以选择20&mu的s可以满足设计要求。 设定寄存器后，发送部分复位操作码0x8a和容量测量开始指令0x8c，等待100 ms后，可从Res1寄存器读取C/C参照的比率。
2.2 STM32F103ZET6软件设计的一部分
STM32F103ZET6基于armcortex，是M3内核的32位处理器，内部配备了I2C硬件接口。 现在I2C总线协议已成为芯片间低速串行通信的事实标准，应用范围越来越广。 I2C总线在数据传输过程中，有开始信号、结束信号、响应信号三种信号。 在读出序列中，STM32F103ZET6按照发送开始信号后的第Byte发送个别的7比特设备地址，Pcap01作为从属的设备地址是1010000。 STM32F103ZET6接收数据，对其进行数据转换，进行滤波，并通过8位数据总线的并行接口发送给LCD液晶面板显示器。 软件的流程图如图4所示。
3实验验证与结果分析
为了验证系统的测量精度和性能，对试验机进行了实验测试，使用高30 cm的电容式传感器和93号汽油，在自己设计的实验平台上进行了多次实验。
3.1精度分析
传感器测量的电容值与基准电容的比率C/C存储在Pcap01的Res1寄存器中，多次测量了高10 cm和20 cm的汽油。
Pcap01的测定比率范围为0~7.999 9，从测定结果来看，24位的测定结果除去上位12位、整数位，稳定在小数点以下9位，测定精度为20/(29-1)=0.04 pF。
3.2线性分析
由式(1)可知，电容器c与液面高度x成比例关系，图6为测量范围0~35cm、进给量0.5 cm时的传感器容量值和高度值的变化曲线，由图可知，系统具有良好的线性。
4结语
本文结合电容数字芯片Pcap01对STM32的电容数据的处理，通过在自行设计的实验平台上进行的测量精度和线性度分析实验，充分考虑了信号的屏蔽和抗干扰等问题，显示出了较高的可靠性。 Pcap01设计的液位传感器系统具有结构简单、精度高、测量范围宽的特点，适用于油箱、油箱等液位测量。
扩展阅读:铭宇自控水平计
以上就是电容式液位传感器的系统及设计文章的全部内容
