電容式液位傳感器
的系統和設計:
液面水平的測定中常用的方法有滑動電位器法、感應線圈法、數字容量法等。 滑動電位法是目前中低速車采用的檢測方法,但復蓋油污電位器時電阻值發生變化,誤差過大,這種油箱傳感器成為消耗部件。 感應線圈法是目前汽車常用的方法,但結構復雜、成本高,不能廣泛應用。 數字電容法是一種比較容易實現、設計靈活、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,流動性好,蒸發性強,測量對象的這些物理特性使用電容式液位傳感器創造了條件,而高速發展的微電子技術能夠以較低的價格實現小容量的測量,該測量方案具有廣闊的市場前景
1硬件設計
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生變化時,引起介電常數的變化。 當被檢液體的液面在靜電電容式圓筒套筒電極間變化時,電極間的介電常數不同的電介質的高度發生變化,靜電電容發生變化。 本電容傳感器采用圓筒形套筒結構。
電容式傳感器外殼和內圓柱采用鈦合金材料,構成兩個電極板,外殼半徑為R1的內圓柱半徑R2; 汽油的介電常數為ε 0; 真空中的介電常數為ε 1; 圓筒套筒的高度為h。液面的高度為l。忽略邊緣效應,L=0時,傳感器處于零點,容量值z小,傳感器容量小
1.2簡介
具有單片機處理單元的專用容量測量的容量數字轉換單片方案,是內部結構原理。 該變換測定原理是相對于變換時間范圍z可能小到2&mu的s的高精度的時間變換。 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據,并且向芯片輸出端口發送結果。 結果數據存儲在內部RAM中,在內部用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,本設計針腳資源充足,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,測量的電容值轉換為數字值,精度z達到21位有效位,測量讀取寄存器 實驗設計范圍為16~45 pF,可測范圍可達數f至數百nF,滿足本設計對測范圍的要求。
電容傳感器數據可以在芯片內校準并經由SPI或I2C數據串行接口來傳送。 使用標準固件,提供20個結構、參數寄存器和12個讀取寄存器。
1.3數字電容式液位傳感器應用系統
該設計用所附帶的標準固件03.01.xx來構成電容測量寄存器,進行讀取,選擇STM32F103ZET6,通過I2C串行總線接收數字電容測量值,向LCD畫面發送數據。
這里,采用單傳感器漂移模式,根據電容傳感器的測定數據,將20 pF的陶瓷電容器作為基準電容器與PC0和PC1的兩端連接,測定的電容器與PC2和PC3的兩端連接。 設定配置寄存器選擇漂移單一容量模式,內部放電電阻為90 k&Omega,將靜電容量測量的觸發源設為持續觸發模式。
由讀取寄存器Res1讀取的是C/C基準比率,無符號固定點數帶有3位的整數和21位的小數,數值為0~7.999 9,精度為0.477×; 十六。 有內部接地補償和外部漂移寄生電容補償,為了確保系統的可靠運行和高精度測量,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定性是系統硬件設計的重要環節。
雙軟件結構設計
部分主要包括寄存器的配置和大容量數據采集模塊的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據。 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部分軟件設計
在軟件開發評價中,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送0x88,此命令將重置所有狀態。 發送從8位數據到000到FFF的任意SRAM地址,從該地址再次讀取數據,進行通信測試后,再次全復位操作碼0x88的狀態。 向SRAM發送數據后,可按照設計進行配置寄存器的設定。 設計中選擇的是單一漂移電容模式,一個傳感器,一個參考電容,完全補償,內部放電電阻為90 k&Omega,連續觸發,電容測量的循環時間為20μ s。 容量測量的循環時間是重要的CDC參數,必須注意容量放電時間的大小,設置的循環時間必須足夠長,默認設置的循環時間為>; 因為是2倍的放電時間,所以選擇20&mu的s可以滿足設計要求。 設定寄存器后,發送部分復位操作碼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軟件設計的一部分
STM32F103ZET6基于armcortex,是M3內核的32位處理器,內部配備了I2C硬件接口。 現在I2C總線協議已成為芯片間低速串行通信的事實標準,應用范圍越來越廣。 I2C總線在數據傳輸過程中,有開始信號、結束信號、響應信號三種信號。 在讀出序列中,STM32F103ZET6按照發送開始信號后的第Byte發送個別的7比特設備地址,Pcap01作為從屬的設備地址是1010000。 STM32F103ZET6接收數據,對其進行數據轉換,進行濾波,并通過8位數據總線的并行接口發送給LCD液晶面板顯示器。 軟件的流程圖如圖4所示。
3實驗驗證與結果分析
為了驗證系統的測量精度和性能,對試驗機進行了實驗測試,使用高30 cm的電容式傳感器和93號汽油,在自己設計的實驗平臺上進行了多次實驗。
3.1精度分析
傳感器測量的電容值與基準電容的比率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,從測定結果來看,24位的測定結果除去上位12位、整數位,穩定在小數點以下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成比例關系,圖6為測量范圍0~35cm、進給量0.5 cm時的傳感器容量值和高度值的變化曲線,由圖可知,系統具有良好的線性。
4結語
本文結合電容數字芯片Pcap01對STM32的電容數據的處理,通過在自行設計的實驗平臺上進行的測量精度和線性度分析實驗,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設計的液位傳感器系統具有結構簡單、精度高、測量范圍寬的特點,適用于油箱、油箱等液位測量。
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