電容式液位傳感器的設計

李一峰，吳振陸，樊海紅

（廣東海洋大學信息學院，廣東 湛江 524088）

電容式液位傳感器的設計

李一峰，吳振陸，樊海紅

（廣東海洋大學信息學院，廣東 湛江 524088）

設計了一種基于單片機的電容式液位傳感器，主要由單片機系統、555定時器、液晶顯示屏組成。單片機作為主要控制的部分，控制系統所有的部分，接收555定時器方波信號并讀取出其頻率，將頻率轉換成液位高度，顯示到 LCD1602液晶顯示屏幕上，軟件計算液位高度，減小了電容與頻率轉換的線性誤差，最終實現算法的設計。

電容式液位傳感器；555定時器；多諧振蕩電路；頻率轉換

在石油化工、水利水電、農田灌溉、環境監測以及食品加工等眾多行業，液位是一個重要的技術參數。液位準確檢測一直以來是傳感檢測技術方面的研究熱點，同時也是控制領域的一項關鍵技術。

通常進行液位測量的方法有 20多種，分為直接法和間接法。直接液位測量法是以直觀的方法檢測液位的變化情況，如玻璃管或玻璃板法。然而隨著工業自動化規模的不斷擴大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐漸被間接測量方法取代。目前國內外工業生產中普遍采用間接的液位測量方法，如浮子式、液壓式、超聲波法、磁致伸縮式、光纖等。但這些方法都有各自的缺點問題，如設備復雜、測量不準等，所以解決以上問題就是對液位測量提出的新要求。

1　電容式液位傳感器的工作原理

電容式液位傳感器其原理就是利用電容量的大小與電容外特征有直接關系，即是電容值與極板的面積成正比，與極板間的距離成反比，特別是與極板間的介質的介電常數ε成正比，而水和油的介電常數差別較大，正好可以利用。

將被測液位轉換為電容量的傳感器，它的敏感部分就是兩根大小參數一樣的金屬棒（其中一根外包絕緣層防止短路）構成的具有可變參數的電容器。兩根金屬棒插入的液位高度不同，會改變電容器的電容量。傳感部分將液位高度轉換成相應的電容量，用555 振蕩電路將容量變化轉換成頻率，再將頻率數據輸入到單片機，計算出液位高度。最后用LCD1602顯示屏顯示液位。

2　電容式液位傳感器設計

電容式液位傳感器通過測量電容來獲取液位值，其容器的結構主要有圓筒狀柱型結構和探針式（平行極板）結構。

2.1電容測量電路

設計的小電容的測量是利用被測電容的儲能以及充放原理與555定時器組成多諧振蕩電路。將測量的電容量換算成振蕩頻率輸出。該方案硬件電路實現簡單，能測出較寬的電容范圍。555定時器輸出波形為方波信號，可直接輸入單片機的計數器進行處理。

2.2單片機選擇

STC89C51RC單片機，8 K字節 Flash，40位I/O口線，內置MAX810復位電路。內部具有ISP在線程序下載接口，無需專用下載燒錄器。機器周期為6個狀態周期，也就是12個時鐘周期，最高工作時鐘頻率為80 MHz，速度非常快。考慮到簡化電路結構，選用自帶 MAX810復位電路的單片機。考慮到降低成品成本，選擇內部具有ISP在線程序下載接口，無需專用下載器燒錄器的單片機。考慮測量液位時會有波動，為了確保其測量，計算與顯示的實時性，選用工作時鐘頻率較高的這款單片機。

2.3系統的結構框圖

系統以STC89C51RC單片機為控制元件，以探針作為測量元件，用555定時器測頻，用LCD1602顯示液位，外圍還有晶振，電源電路。系統結構框圖如圖1所示：

圖1　系統結構框Fig.1　system structure chart

3　系統硬件設計

3.1電容式液位傳感器系統

如圖2所示為系統總圖，包括STC89C51RC單片機，晶振（使用11.059 2 M），ISP下載器電路，555定時器的多諧振蕩電路，LCD1602顯示電路，電源（地）。

圖2　系統總圖Fig.2　system chart

3.2555多諧振蕩器測電容電路設計

如圖3所示為由 555定時構成的多諧振蕩電路。通過計算頻率來計算被測電容的大小。

圖3　555多諧振蕩器電路Fig.3　555 Multi-oscillator circuit

接通電源后，電源VCC通過R1和R2對電容C1充電。當Uc<1/3VCC時，振蕩器輸出Uo=1，放電管截止。當Uc充電到≥2/3VCC后，振蕩器輸出Uo翻轉成0。此時放電管導通，使放電端(DISC)接地，電容C通過R2對地放電，使Uc下降。當Uc下降到≤1/3VCC后，振蕩器輸出Uo又翻轉成1。此時放電管又截止，使放電端（DISC）不接地，電源VDD通過R1和R2又對電容C1充電，又使Uc從1/3VCC上升到2/3VCC，觸發器又發生翻轉。如此周而復始，從而在輸出端 Uo得到連續變化的振蕩脈沖波形。脈沖寬度TL=ln2 R2C1，由電容C1放電時間決定；TH=ln2(R1+R2) C1，由電容C1充電時間決定，脈沖周期T=TH+TL。工作波形如圖4所示。

555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為

設置R1=1 KΩ，R2=750 KΩ，令R1+R2≈R2得到

即

3.3LCD1602顯示電路設計

LCD1602它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，LCD1602顯示部分的接口電路如圖5所示。

圖4　555多諧振蕩器工作波形Fig.4　555 Multi-oscillator wave chart

圖5　LCD1602顯示電路接口Fig.5　LCD1602 display circuit

3.4電源部分

系統電源濾波電路如圖6所示。

圖6　電源濾波電路Fig.6　power filtering circuit

設計中的電源是外接插頭。在輸入電路通電瞬間，由于電容上的初始電壓為零，會形成很大的瞬時沖擊電流。為防止沖擊電流過大造成電源無法正常投入，其輸入采用較大容量的濾波電容。這里采用了體積小的極性電容。大容量的濾波電容的蓄能作用提高通電瞬間電源電路的過載能力，保證電源的正常投入。

4　系統軟件設計

4.1系統主程序設計

主程序在程序運行的過程中必須先經過初始化，包括定時器中斷程序，液晶顯示程序以及各個控制端口的初始化工作。系統在初始化完成后就進入定時器和計數器的設置，然后將測量的電容量換算成頻率，讀取頻率后計算出液位值，然后在液晶顯示屏顯示出來。

系統軟件設計的主程序流程如圖7所示。

圖7　主程序流程Fig.7　main program chart

4.2定時器T1的中斷程序

定時器的中斷不干擾單片機的正常運行，可以使單片機不用一直等待一個時間的到來而空轉，或者運行一個程序的過程中計算運行的時間并定時插入一個額外的工作，大大提高單片機的工作效率。在處理多任務（主程序與各個子程序）時，必須使用定時器（也可以通過外部信號做計數器）以及外中斷來切換多個任務。定時器T1的中斷程序流程如圖8所示。

圖8　定時器T1的中斷程序流程Fig.8　timer T1 ieterru

4.3LCD顯示程序

顯示數據之前，必須要初始化，經過初始化之后，開始采集電容數據，然后計算頻率并換算成液位值，傳輸數據到LCD中顯示出來。LCD顯示流程如圖9所示：

圖9　LCD顯示程序流程Fig.9　LCD Display program flowchart

5　電容式液位傳感器測試與分析

本次試驗直接用自來水，傳感器的量程為 50mm，精度為1mm。由于其中一根探針外層包裹絕緣材料，導致實際長度比另一根探針長3mm。若外層包裹絕緣材料的探針觸碰到容器底部，則實際液位高度為測得液位高度+3mm。

將傳感器的兩根探針豎直插入到試驗用水中，重復測量4次取平均值如表1所示（單位：mm）。

分析實驗數據，測量誤差為1mm，實驗數據與實際情況相符合。

表1　實驗數據Table 1　test data　　　mm

6　討　論

6.1誤差分析

本設計產生誤差的原因主要有 4個，1）正弦波發生模塊；2）模擬比較器的精度；3）機測量時間的精度問題；4）采用了某些近似公式。雖然從示波器上觀察這個正弦波比較理想，但是仍舊不是理想的波形。

6.2改進的方法

1）采用更高的處理器頻率。Proteus軟件中STC89C51RC最高只能用8 MHz的晶振，而實際上它的工作頻率可以高達16 MHz。或者可以采用其他更高性能的處理器芯片。都將有助于提高檢測精度。

2）采用專門的正弦波發生芯片。這樣可以提高正弦波的質量，提高精度。但是這會增加許多硬件和軟件的工作。

電容式液位傳感器的設計采用了單片機控制的電容式液位傳感器結構，該液位傳感器設計結構簡單，相比于其它液位傳感器，電容式液位傳感器的顯著優點在于探頭部分不帶可動的機械部件，結構緊湊，體積較小，并且能通過液晶顯示讀數的方式得到準確的液位數據。實驗結果表明，測試系統穩定，測量結果準確，誤差小，能夠達到預期的設計目標。

[1]潘新民，王燕方.微型計算機控制技術（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2010.

[2]唐露新.傳感器與檢測技術[M].北京：科學出版社，2011.

[3]律德才，邵富群.高壓法微小電容檢測[J].儀器儀表學報，2009，（7）：1 448-1 451.

[4]張小勇，陳穎鳴，郭禹姬.基于電容檢測芯片的電容檢測系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2010，（6）：35-37.

[5]王雷.電容傳感器新型微弱電容測量電路[J].傳感技術學報，2002，（4）：273-277.

（責任編輯：任萬森）

Design of a Capacitive Liquid Level Sensor

LI Yi-feng，WU Zheng-lu，FAN Hai-hong
（The Information College of Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China）

Capacitance type liquid level sensor based on single chipwas designed.The system consists of single-chip microcomputer system, 555 timer, LCD screen.Single chip microcomputer, as the main control part, control all part of the system, receive a 555 timer square wave signal and read out the frequencywhich is transformedinto the height of liquid level and is displayed on the LCD1602 liquid crystal screen.The liquid level height is calculated by software, by reducing the linearity error of capacitance and frequency conversion,and finally thealgorithm is designed.

Capacitive liquid level sensor；555 timer；Multi-oscillator circuit；frequency conversion

TP212

A

1673-9159（2015）01-0090-05

2014-10-25

廣東省科技攻關項目資助（2011B010300016，2012B010300023）；廣東省海洋與漁業局項目資助（A201301D04）

李一峰（1966-），男，碩士，副教授，主要從事電氣自動化專業。