基于電容感測的鹽水質(zhì)量分數(shù)測量

黃 健

西京學(xué)院信息工程學(xué)院，陜西西安 710123

鹽水濃度檢測在水資源保護、食品加工、醫(yī)療衛(wèi)生等方面有廣泛應(yīng)用．常用的測量方法有比重計法和天平法等，近年來也出現(xiàn)了其他電子測量方法，如楊璇等[1]采用超聲波測量乙醇溶液密度，對回波信號進行數(shù)據(jù)擬合分析，測量乙醇溶液密度；吳黎杰等[2]以聲速測量為基礎(chǔ)，用曲面擬合算法測量鹽水質(zhì)量分數(shù)；張述仁等[3]用超聲波測量液體中的懸移物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，并用蟻群算法進行了反演，測量誤差最小達到10%．但是，這些方法均基于超聲波進行測量，方法單一，且測量精度不高[4-7]，如文獻[1]的測量精度達到1.2%，文獻[2]的測量誤差大于0.1%．同時，算法需對大量數(shù)據(jù)進行建模分析，算法復(fù)雜度較高，可靠性有待進一步驗證．為此，本研究提出一種新的鹽水質(zhì)量分數(shù)測量方法，基于非接觸式電容感測技術(shù)，用新型數(shù)字式電容傳感器FDC2214檢測鹽水液位和質(zhì)量分數(shù)變化．將單面覆銅板插入鹽水中，銅板上的寄生電容會隨鹽水液位或質(zhì)量分數(shù)的變化而變化．FDC2214傳感器能夠感知這種微弱變化，并將其轉(zhuǎn)換為28 bit的二進制數(shù)，再從集成電路總線(inter-integrated circuit, IIC或I2C)接口輸出給微處理器．同時，使用超聲波測量液位高度，得到被測液體的體積；使用高精度電子秤測量液體的質(zhì)量，進而得到液體的比重，融合處理后最終得到輸出信號與鹽水質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系．

1 系統(tǒng)設(shè)計

本研究設(shè)計的鹽水質(zhì)量分數(shù)檢測系統(tǒng)框圖如圖1．其中，主控采用新型嵌入式微處理器STM32H743IIT6，該處理器基于Cortex-M7架構(gòu)，主頻高達480 MHz，具有豐富的硬件配置和接口．微處理器STM32H743IIT6采用3.3 V的直流供電．

圖1 鹽水質(zhì)量分數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.1 Design diagram of brine mass fraction detection system

將薄銅片插入鹽水中作為傳感器，F(xiàn)DC2214的通道1與其相連，檢測液體環(huán)境下銅片上的寄生電容值，并在內(nèi)部將其轉(zhuǎn)換為28 bit的二進制數(shù)，再用IIC接口傳送給微處理器STM32H743IIT6．電子秤模塊能夠準確測量容器質(zhì)量，測量數(shù)據(jù)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital converter, A/D)接口傳送給STM32H743IIT6微處理器進行處理．超聲波測距模塊用于測量液位高度，測量結(jié)果通過串口傳送至STM32H743IIT6微處理器．采用C語言對微處理器編程，對采集到的數(shù)據(jù)進行融合，處理結(jié)果通過串口傳輸給電腦或液晶屏．

2 硬件設(shè)計

2.1 電容感測基本原理

電容計算公式為

(1)

其中，ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m；A為一個板極的面積(單位：m2)；d為板極之間的距離(單位：m)；ε為相對于空氣的介電常數(shù)[14]．常見介電質(zhì)的相對介電常數(shù)如表1．

表1 不同介質(zhì)的相對介電常數(shù)

由式(1)可見，電容容量與相對介質(zhì)常數(shù)ε、 板極的面積A成正比，與板極之間的距離d成反比．介質(zhì)變化(如鹽水質(zhì)量分數(shù)變化)會引起ε的變化，從而引起C的變化[5-8]．電容傳感器FDC2214能夠感知這種變化，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出．FDC2214共有4個通道，標號為通道0～3，對應(yīng)的數(shù)字輸出量為DATA0～DATA3,每個通道的工作原理都相同．以通道0為例，電容檢測的等效電路如圖2．

圖2 FDC2214通道0等效電路Fig.2 Equivalent circuit of channel 0 in FDC2214

圖2中，感知板1為單面覆銅板，裸露在空氣中，其值基本保持不變；感知板2是插入水中的單面覆銅板，當液位或濃度發(fā)生變化時，其值發(fā)生變化．感知板1和感知板2構(gòu)成目標檢測傳感器，二者串聯(lián)后與電感L和電容C構(gòu)成振蕩電路，振蕩頻率fs和參考頻率fr分別為

(2)

(3)

其中，Cx為感知板1和感知板2的電容Cx1和Cx2串聯(lián)后的等效電容，C1為圖3中通道1的電容，C2為圖3中通道2的電容， 1/Cx=1/Cx1+1/Cx2；fclk為FDC2214傳感器的輸入頻率，本研究設(shè)fclk=40 MHz；ch0_sel是通道0的分頻系數(shù)，通過軟件設(shè)置FDC2214內(nèi)部寄存器0X14來實現(xiàn)對fclk的分頻，本研究設(shè)置為二分頻．

由于Cx2的變化，會引起Cx變化，進而引起fs的變化，而式(3)中的fr基本不變，因此，轉(zhuǎn)換后的28 bit二進制數(shù)為

(4)

2.2 鹽水質(zhì)量分數(shù)檢測原理

本研究設(shè)計的鹽水質(zhì)量分數(shù)電容感測的原理圖如圖3．其中，F(xiàn)DC2214傳感器外接40 MHz有源晶振，可提高數(shù)據(jù)采集的速率．為增強鹽水質(zhì)量分數(shù)測量系統(tǒng)的可靠性和實用性，需對所處環(huán)境進行檢測．FDC2214的通道0檢測當前空氣環(huán)境下電容值，通道2檢測被測量液體的電容值，將其完全浸入液體中，并以這兩個測量值作為參考值．在實際測量中，若當前環(huán)境未發(fā)生大的變化，則空氣環(huán)境下電容值和被測量液體的電容會基本保持不變．但若在不同的時間或季節(jié)進行測量，溫度變化會令測量值發(fā)生微小變化，導(dǎo)致鹽水質(zhì)量分數(shù)和電容感測值之間擬合曲線的函數(shù)關(guān)系也會略有變化．本研究正是基于此原因研究溫度對鹽水質(zhì)量分數(shù)變化測量的影響．通道1連接一個單面覆銅板，將該覆銅板部分插入液體中，部分裸露在空氣中，當液位發(fā)生變化時，單面覆銅板上寄生電容的容量會發(fā)生變化．FDC2214傳感器敏銳的感知此變化，并將此變化轉(zhuǎn)換為28 bit的二進制數(shù)字量，再通過IIC接口傳送給STM32H743IIT6微處理器．

圖3 鹽水質(zhì)量分數(shù)電容感測原理圖Fig.3 Schematic diagram of capacitance sensing of brine mass fraction

2.3 稱重電路設(shè)計

稱重電路設(shè)計采用橋式壓力傳感器，如圖4．重物令壓力橋產(chǎn)生形變，導(dǎo)致電阻阻值發(fā)生變化，橋式傳感器產(chǎn)生電壓差并被傳送給24 bit A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711-BF，再經(jīng)內(nèi)部放大和轉(zhuǎn)換后傳送至微處理器STM32H743IIT6．稱重電路可檢測物體質(zhì)量，其中，橋式壓力傳感器測量精度為1 g．

圖4 橋式壓力傳感器電路圖Fig.4 Circuit diagram of bridge pressure sensor

HX711-BF模塊滿量程輸出電壓為激勵電壓與靈敏度的乘積．若供電電壓為5 V，靈敏度為1.0 mV/V，則滿量程為5 mV，相當于有5 kg質(zhì)量產(chǎn)生5 mV的電壓．HX711-BF 模塊A通道帶有128倍信號增益，輸出24 bit A/D轉(zhuǎn)換后的值，而STM32H743IIT6微處理器通過A/D轉(zhuǎn)換接口將24 bit數(shù)據(jù)讀出，該過程可通過以下兩步驟進行．

1)計算傳感器供電電壓．VCC為HX711-BF模塊的供電引腳電壓，GND為地線．設(shè)模塊基準電壓VBG=1.265 V，R1=20.0 kΩ，R2=8.2 kΩ，則

VCC=VBG(R1+R2)/R2=4.3 V

(5)

2)將HX711-BF輸出的A/D轉(zhuǎn)換值轉(zhuǎn)換為質(zhì)量值．設(shè)橋式傳感器的量程小于5 kg，并假設(shè)壓力橋上的物體質(zhì)量為m(單位：kg)，橋式傳感器將此質(zhì)量轉(zhuǎn)換為電壓．在將此電壓輸入H711-BF A/D轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過內(nèi)部放大器放大128倍后，轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字量．為便于計算此處用十進制表示，即

(6)

則可得橋式傳感器上物體質(zhì)量為

m=D/(429.5×103)

(7)

2.4 超聲波測距電路設(shè)計

串口超聲波測距模塊如圖5，采用5 V直流電壓供電，數(shù)據(jù)輸出引腳OUT可連接到STM32H743IIT6串口4的RXD引腳PC11．因此，接收到的數(shù)據(jù)幀格式為：0XFF+H_DATA+L_DATA+SUM． 其中，0XFF為起始字節(jié)；H_DATA為測量數(shù)據(jù)的高8 bit；L_DATA為測量數(shù)據(jù)的低8 bit；SUM為8 bit的校驗和[9-13]．測量距離H(單位：mm)通過式(7)計算．測量精度達1 mm，測量范圍為2～3 500 mm．

H=H_DATA×256+L_DATA

(7)

圖5 串口超聲波模塊Fig.5 Serial port ultrasonic module

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件流程圖

用C語言編寫程序，在KEIL MDK開發(fā)環(huán)境下編譯并調(diào)試通過后下載到微處理器STM32H743IIT6中．圖6為鹽水質(zhì)量分數(shù)測量系統(tǒng)的軟件流程圖．首先，對STM32H743IIT6微處理器的串口、串行外設(shè)接口(serial peripheral interface, SPI)、IIC、A/D轉(zhuǎn)換采集接口和定時器等進行初始化，并設(shè)置采集次數(shù)．然后，判斷是否達到采集次數(shù)，若沒有，則循環(huán)讀取超聲波測距、壓力橋和電容感測數(shù)據(jù)，并對其進行軟件濾波處理．若達到采集次數(shù)，對所有數(shù)據(jù)進行融合分析，得到鹽水質(zhì)量分數(shù)值與電容感測值之間的函數(shù)關(guān)系(測試部分給出)．最后，將實驗得到的信息通過串口發(fā)送給電腦或顯示屏．

圖6 鹽水質(zhì)量分數(shù)測量系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 Software flow chart of brine mass fraction measurement system

3.2 軟件濾波算法

為降低誤差、提高測量精度，需對電容感測、壓力橋和超聲波測距的數(shù)值進行均值濾波處理．本實驗對每組數(shù)據(jù)均重復(fù)采集100次，再按升序排序，去掉最大值和最小值各20個，將剩余數(shù)據(jù)的均值作為最終值．

圖7 鹽水質(zhì)量分數(shù)電容感測量系統(tǒng)樣品Fig.7 Sample of brine mass fraction capacitance sensing measurement system

4 測試及結(jié)果分析

按上述原理設(shè)計硬件電路并編寫程序，調(diào)試后制作測試樣品，如圖7．其中，顯示屏幕為4.3 in(1 in=25.4 mm)RGB真彩屏；超聲波測距模塊放在玻璃容器正上方，用于測量液位高度．實驗時將15.0 cm×10.5 cm的單面覆銅板一端插入液體中，另外一端裸露在空氣中．玻璃容器是帶刻度的圓形器皿，高21 cm，直徑為16 cm．

測試時，每次按照表2配置好的不同質(zhì)量分數(shù)的鹽水，倒入玻璃容器中，然后讀取超聲波測距、電容感測FDC2214和壓力傳感器HX711-BF的數(shù)據(jù)．如表2．

表2 鹽水質(zhì)量分數(shù)電容感測實驗結(jié)果

由表2可見，隨著液位的增高，鹽水質(zhì)量增大，鹽水的質(zhì)量分數(shù)亦逐漸增大，而電容感測值逐漸減?。疄榱说玫綔蚀_的鹽水質(zhì)量分數(shù)和電容感測值之間的關(guān)系，繼續(xù)提升鹽水質(zhì)量分數(shù)，并記下測量值，并采用Matlab軟件對數(shù)據(jù)進行擬合分析，結(jié)果如圖8．

圖8 鹽水質(zhì)量分數(shù)和電容感測值之間擬合曲線圖Fig.8 Fitting curve between brine mass fraction and capacitance sensing value

由圖8可見，擬合曲線近似為直線，對應(yīng)函數(shù)關(guān)系為

C=-30.48w(鹽水)+22 330

(8)

其中，w鹽水為鹽水的質(zhì)量分數(shù)．可見，在保證液位保持不變的情況下，鹽水質(zhì)量分數(shù)和電容感測測量值之間為較好的線性關(guān)系．實驗中，為保證測量精度，用量程為500 g，精度為0.01 g的高精度電子秤測量鹽的質(zhì)量，用量程為100 mL的量杯盛裝水，準確配置出不同質(zhì)量分數(shù)的鹽水，將其加入圖7的大量杯中進行測量．這樣配置的鹽水質(zhì)量分數(shù)精度已超過0.1%．若要保證液位高度不變，則每次只需改變鹽的質(zhì)量，調(diào)整加水量，即改變鹽水質(zhì)量分數(shù)，再進行測量．這種測量方法，可將整個系統(tǒng)的鹽水質(zhì)量分數(shù)的測量精度提高到0.1%．

結(jié) 語

提出一種基于電容感測技術(shù)的鹽水質(zhì)量分數(shù)測量方法，設(shè)計對應(yīng)的硬件電路和軟件，并制作出測試樣品．通過融合實測得到的液位高度和鹽水質(zhì)量信息，確定了鹽水質(zhì)量分數(shù)和電容感測值之間的函數(shù)關(guān)系．相比簡單的超聲波測量技術(shù)，本研究測量方法的測量精度更高、抗干擾能力更強．