基于單片機(jī)的電容式液位傳感器參數(shù)測(cè)量

呂淑平，于 巖

基于單片機(jī)的電容式液位傳感器參數(shù)測(cè)量

呂淑平，于 巖

（哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

設(shè)計(jì)制作了符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的電容式液位傳感器參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。通過(guò)555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，將電容信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)頻率的變化，輸給單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并計(jì)算出液位高度，觸發(fā)相應(yīng)功能電路進(jìn)行液位顯示和報(bào)警。設(shè)計(jì)了傳感器測(cè)量電路模塊﹑多諧振蕩器電路模塊﹑鍵盤(pán)與顯示電路模塊﹑電源電路模塊以及軟件程序，學(xué)生可根據(jù)具體需要設(shè)計(jì)不同量程的液位測(cè)量電路，應(yīng)用場(chǎng)合和適用范圍廣。

電容式傳感器；液位測(cè)量；單片機(jī)

傳感器與檢測(cè)技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課[1]，在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng) 用[2-3]。液位檢測(cè)技術(shù)是一種利用液位敏感元件，當(dāng)被測(cè)液體液位發(fā)生變化時(shí)，能夠把物理量變化通過(guò)相應(yīng)的易于檢測(cè)的電信號(hào)變化檢測(cè)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)液位到檢測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換[4]。目前液位測(cè)量方法有20多種[5]，其中電容式液位測(cè)量方法以其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，成為最常用的方法之一[6]。

1 電容式液位傳感器工作原理

2 液位測(cè)量硬件電路設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的電容式傳感器進(jìn)行液位測(cè)量整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 液位測(cè)量整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的主控部分采用STC12C5A60S2單片機(jī)，電容式傳感器將液位信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電容量，經(jīng)555定時(shí)器組成的多諧振蕩器將電容變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)頻率變化，利用單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器計(jì)量脈沖信號(hào)頻率，計(jì)算出液位高度。系統(tǒng)的硬件接口電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、液位測(cè)量電路、555振蕩器電路、液位設(shè)定鍵盤(pán)電路、液位顯示電路、報(bào)警電路以及電源轉(zhuǎn)換電路等。

2.1 555多諧振蕩器電路

實(shí)驗(yàn)中采用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器作為信號(hào)發(fā)生電路，將制作的電容傳感器接入555振蕩電路中，把檢測(cè)到的電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以檢測(cè)的矩形脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電容和頻率的轉(zhuǎn)換。555多諧振蕩器電路如圖3所示[11]。

圖3 555多諧振蕩器電路

555多諧振蕩器輸出的脈沖信號(hào)頻率為

2.2 數(shù)碼管顯示電路

由單片機(jī)計(jì)算出液位高度，經(jīng)顯示電路實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前液位值。為使硬件電路簡(jiǎn)單、低成本，實(shí)驗(yàn)中采用4位一體的共陽(yáng)極數(shù)碼管，利用循環(huán)掃描方式實(shí)現(xiàn)液位顯示[12]。數(shù)碼管顯示電路如圖4所示。

圖4 數(shù)碼管顯示電路

2.3 按鍵設(shè)定電路

實(shí)驗(yàn)中采用獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)液位報(bào)警上下限的設(shè)定，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，經(jīng)過(guò)軟件程序延時(shí)去抖，判斷單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳輸出為低電平，從而執(zhí)行相應(yīng)操作。此部分電路共設(shè)有S1—S55個(gè)按鍵。S1用于選擇液位的上、下限以及“確定”，當(dāng)前3次按下S1時(shí)，分別表示“液位設(shè)定開(kāi)始”“設(shè)置上限液位”“設(shè)置下限液位”，第4次按下S1時(shí)表示“確定”，此時(shí)返回主程序繼續(xù)執(zhí)行其他程序。

僅當(dāng)S1處于“設(shè)置”狀態(tài)時(shí)，S2/S3/S4/S5鍵按下才有效。這4個(gè)按鍵用于在液位報(bào)警上、下限設(shè)定時(shí)，對(duì)所設(shè)定個(gè)﹑十﹑百﹑千位進(jìn)行增加操作。當(dāng)相應(yīng)的按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的位進(jìn)行“加1”操作。

2.4 液位報(bào)警電路

實(shí)驗(yàn)中要求液位超限報(bào)警，使用簡(jiǎn)單的蜂鳴器就可以實(shí)現(xiàn)這一功能。電路如圖5所示。

圖5 報(bào)警電路接線(xiàn)圖

蜂鳴器的正極接到+5 V電源上，另一端接到三極管9012的發(fā)射極。由于單片機(jī)輸出電流不足以直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，所以此處接一個(gè)三極管9012實(shí)現(xiàn)電流放大作用。三極管的基極通過(guò)連接一個(gè)1 kΩ電阻接到單片機(jī)某一引腳上，引腳的高低電平實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器的控制。

3 液位測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

軟件程序主要由主程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)處理程序﹑按鍵程序﹑顯示程序和報(bào)警程序等組成。主程序主要完成參數(shù)的初始化、相關(guān)寄存器和I/O管腳配置、給定時(shí)器設(shè)置工作方式和賦始值、開(kāi)中斷等工作。之后，程序進(jìn)入按鍵掃描程序，對(duì)當(dāng)前的按鍵狀態(tài)進(jìn)行判定，從而決定是否執(zhí)行按鍵處理程序，設(shè)定報(bào)警液位上、下限。按鍵程序處理完畢后，啟動(dòng)單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作，定時(shí)進(jìn)入液位測(cè)量程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以顯示當(dāng)前液位值，并判斷是否超限進(jìn)行報(bào)警等功能。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)規(guī)定水位值刷新時(shí)間為0.1 s，設(shè)定TIMER0定時(shí)器每50 ms產(chǎn)生一次中斷，在中斷服務(wù)程序中，判斷進(jìn)入中斷的次數(shù)，若為2次，定時(shí)0.1 s時(shí)間到，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序，即對(duì)計(jì)數(shù)器T1采集的脈沖信號(hào)次數(shù)進(jìn)行處理，以及根據(jù)水位與頻率關(guān)系計(jì)算出液位 高度。

4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量

學(xué)生制作的電容式傳感器見(jiàn)圖7，液位測(cè)量電路實(shí)物圖見(jiàn)圖8。實(shí)際測(cè)量液位時(shí)，把電容式傳感器垂直置于待測(cè)液體中，下端接觸容器底部。測(cè)得電容-水位標(biāo)定關(guān)系如圖9所示，電容值與水位高度近似呈線(xiàn)性關(guān)系。

圖7 電容式傳感器實(shí)物圖

圖8 液位測(cè)量電路實(shí)物圖

圖9 電容-水位關(guān)系曲線(xiàn)

5 結(jié)論

本文結(jié)合單片機(jī)設(shè)計(jì)制作的自動(dòng)測(cè)量液位的電容式傳感器實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）傳感器電路可以實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示液位，能夠分辨1 mm水位，最大測(cè)量誤差在5%以下，可手動(dòng)設(shè)置液位值的上、下限，實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警；

（2）電容式傳感器原理簡(jiǎn)單，電容與水位呈線(xiàn)性關(guān)系，可以很好地減小測(cè)量誤差，測(cè)量精度高；

（3）硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低，可廣泛應(yīng)用于水箱﹑水塔水位、汽車(chē)油位等測(cè)量，適用于多種場(chǎng)合的液位測(cè)量。

[1] 戴增輝.互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代高職《傳感器技術(shù)與應(yīng)用》課程教學(xué)改革探索[J].教育教學(xué)論壇，2019(1): 140–142.

[2] 張冬至，吳君峰，周蘭娟，等.石墨烯濕敏傳感器件的呼吸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017, 36(4): 52–55.

[3] 吳麗榮.論傳感器的現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].科技視界，2013(12): 108.

[4] 楊小玲.液位測(cè)量技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2003.

[5] 馮斌.一種與介質(zhì)無(wú)關(guān)的電容式液位測(cè)量方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[6] 符欲梅，張巧娥，昝昕武，等.微分法實(shí)現(xiàn)與介質(zhì)無(wú)關(guān)的電容式液位測(cè)量[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011, 30(5): 139–141.

[7] 嚴(yán)兆大，王振子，俞小莉，等.熱能與動(dòng)力機(jī)械測(cè)試技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[8] 單成祥.傳感器與理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

[9] 鄒益民.基于單片機(jī)及TTS模塊的語(yǔ)音播報(bào)簡(jiǎn)易電容式液位計(jì)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2015(1): 19–20, 24.

[10] 李書(shū)旗，沈金榮.液位測(cè)量傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009, 17(11): 2131–2133.

[11] 阮亞婕.智能電容式液位計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2002(6): 15–16.

[12] 呂淑平，于立君，劉心，等.微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2013.

Measurement of parameters of capacitive liquid level sensor based on SCM

Lü Shuping, YU Yan

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Based on the principle of capacitive signal conversion, the parameter measurement experiment of a capacitive liquid level sensor is designed and established, which meets the requirements of experimental teaching. Through the multivibrator composed of 555 timer, the capacitance signal is transformed into the frequency change of the pulse signal, which is input to the single chip computer for real-time detection and calculation of the liquid level height, triggering the corresponding functional circuit for liquid level display and alarm. The sensor measurement circuit module, multi-resonator circuit module, keyboard and display circuit module, power supply circuit module and software program are designed. Students can design liquid level measurement circuits of different ranges according to specific needs, which have a wide range of applications and applications.

capacitive sensor; liquid level measurement; SCM

TP212

A

1002-4956(2019)10-0046-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.011

2019-03-03

黑龍江省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（SJGZ20180011）；黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題（GBE1317040）

呂淑平（1963—），女，黑龍江哈爾濱，博士，教授，控制工程（電氣工程）實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主任，主要研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別與智能系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理。