基于電容式傳感器的非接觸式液位測量系統(tǒng)*

屈夢瑤，易 藝，陸澤青，楊宗林，彭雪斌

(桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004 )

0 引 言

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，液位測量技術(shù)從傳統(tǒng)的接觸式測量[1～4]到非接觸式測量，正朝著自動(dòng)化、集成化、智能化的方向發(fā)展[5,6]，以滿足人們對容器液位測量的需求。在測量容器液位時(shí)，非接觸式液位測量系統(tǒng)因具有不與被測液體接觸、非浸入式測量、不破壞容器的物理結(jié)構(gòu)和完整性等特點(diǎn)，而成為近年來科研人員研究的熱點(diǎn)課題[7～9]。

電容式傳感器具有成本低、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、易安裝和維護(hù)等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此本文設(shè)計(jì)了一種基于電容式傳感器的非接觸式液位測量系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103ZET6作為微控制器，控制安裝在容器外壁的電容式傳感器和三軸陀螺儀/加速度傳感器進(jìn)行工作，獲取容器的液位信息和姿態(tài)信息，然后對這些信息進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)對容器內(nèi)液位和液體體積的測量。

1 系統(tǒng)的組成與原理

非接觸式液位測量系統(tǒng)由主控單元、微弱電容測量模塊、電容式傳感器、容器姿態(tài)檢測模塊、無線通信模塊和上位機(jī)組成，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

電容式液位傳感器采用覆銅板進(jìn)行制作[10]，將電容的兩個(gè)電極制作在同一個(gè)絕緣平面上，構(gòu)成共面極板電容傳感器[11]。在容器液位測量中，將電容式液位傳感器粘貼在容器的外壁，用來感應(yīng)容器內(nèi)液體液位的變化，并將容器液位的變化信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電容值，實(shí)現(xiàn)容器液位信息到電容量的轉(zhuǎn)換。

主控單元是非接觸式液位測量系統(tǒng)的主控中心，負(fù)責(zé)整個(gè)液位測量系統(tǒng)的管理、處理和控制等任務(wù)，它主要控制微弱電容測量模塊和容器姿態(tài)檢測模塊進(jìn)行工作，分別獲取容器的液位信息和姿態(tài)信息，然后對這些信息進(jìn)行分析與處理，以實(shí)現(xiàn)對容器內(nèi)液位和液體體積的測量。為了便于液位測量實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)還增加了直流潛水泵及其電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，用于給容器輸入或輸出液體。用戶可以根據(jù)需要通過上位機(jī)或人機(jī)交互模塊輸入任務(wù)指令，一方面獲取容器內(nèi)液體液位值和液體體積等參數(shù)，另一方面實(shí)現(xiàn)對容器內(nèi)液體液位值和液體體積的控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括主控單元模塊、微弱電容測量模塊、容器姿態(tài)檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和無線通信模塊的電路設(shè)計(jì)。

2.1 主控單元模塊的硬件設(shè)計(jì)

主控單元模塊由STM32微控制器、存儲(chǔ)器模塊、時(shí)鐘模塊和人機(jī)交互模塊組成。其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 主控單元模塊電路設(shè)計(jì)框圖

STM32微控制器選用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的32位STM32F103ZET6微控制器，其內(nèi)部集成有16位定時(shí)器、SPI接口、I2C接口、USART接口、ADC和DAC等豐富的片上資源，能夠滿足整個(gè)液位測量系統(tǒng)的需求。存儲(chǔ)器模塊選用Atmel公司的AT24C64D芯片來實(shí)現(xiàn)，主要用來存儲(chǔ)液位測量系統(tǒng)中電容式液位傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)。時(shí)鐘模塊選用DS3231 芯片來實(shí)現(xiàn)，主要用來獲取實(shí)時(shí)時(shí)鐘，方便用戶實(shí)時(shí)記錄容器液位數(shù)據(jù)和容器姿態(tài)信息。人機(jī)交互模塊由輕觸按鍵開關(guān)和1.3寸的OLED液晶顯示模塊組成。液晶顯示模塊通過SPI 通信協(xié)議與STM32微控制器進(jìn)行通信。

2.2 微弱電容測量模塊的硬件設(shè)計(jì)

微弱電容測量模塊采用TI公司的28位電容數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器FDC2214來實(shí)現(xiàn)。FDC2214是低功耗、高分辨率的非接觸式電容傳感器芯片，適用于液位測量[12]。該芯片有4個(gè)輸入檢測通道，每個(gè)輸入檢測通道通過外接一個(gè)電容器C0和電感器L0構(gòu)成LC諧振電路。FDC2214內(nèi)置電路以參考時(shí)鐘信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)，對輸入的諧振頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)度量[13]，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最后通過換算處理可以求解出被測電容，實(shí)現(xiàn)對微弱電容的檢測。其電路原理圖如圖3所示。

圖3 微弱電容測量模塊電路原理

在圖3中，設(shè)電容式液位傳感器感應(yīng)的電容為CX，則諧振頻率fsensor為

(1)

設(shè)FDC2214配置為最高分辨率的工作模式，外接參考時(shí)鐘信號(hào)的頻率為fREF，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為DATAX，則有

(2)

式中L0為諧振電路的電感，取值為18 μH；C0為諧振電路的電容，取值為33 pF；fREF為40 MHz晶振。STM32微控制器通過I2C通信協(xié)議與FDC2214進(jìn)行通信，控制其進(jìn)行工作獲取DATAX，再結(jié)合式(1)和式(2)，即可以計(jì)算出被測電容式液位傳感器感應(yīng)的電容CX。

2.3 容器姿態(tài)檢測模塊的硬件設(shè)計(jì)

容器姿態(tài)檢測模塊采用三軸陀螺儀/加速度傳感器MPU6050來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)容器傾斜一定角度時(shí)，可通過陀螺儀/加速度傳感器的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器(digital motion processor，DMP)實(shí)現(xiàn)容器姿態(tài)的解算，求解出容器傾斜的角度，然后結(jié)合容器液位信息計(jì)算出容器內(nèi)液體的體積。容器姿態(tài)檢測模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖4 容器姿態(tài)檢測模塊電路原理

2.4 無線通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

無線通信模塊電路選用高性能的串口轉(zhuǎn)WiFi模塊ESP8266來實(shí)現(xiàn)。該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn) TTL 串口與 WiFi無線雙向透明傳輸。STM32微控制器通過串口與WiFi模塊進(jìn)行通信。該模塊的電路原理圖如圖5所示。

圖5 無線通信模塊電路原理

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由2個(gè)松樂繼電器SRD—05VDC—SL、光耦芯片、二極管和三極管等器件組成。STM32微控制器通過控制繼電器的閉合與斷開來控制直流潛水泵進(jìn)行工作，給容器注入或抽出液體。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由主控單元模塊的微控制器程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)的客戶端軟件設(shè)計(jì)組成。

3.1 主控單元的微控制器程序設(shè)計(jì)

STM32微控制器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。在Keil uVision5集成開發(fā)環(huán)境下，使用C語言來編寫各個(gè)模塊的程序，主要包括電容數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器FDC2214的驅(qū)動(dòng)程序、三軸陀螺儀/加速度傳感器MPU6050驅(qū)動(dòng)程序、串口驅(qū)動(dòng)程序和液晶顯示模塊驅(qū)動(dòng)程序等。其主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主控單元的微控制器主程序流程框圖

3.2 上位機(jī)的客戶端軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)為安卓手機(jī)，手機(jī)的客戶端軟件App采用在Eclipse中添加ADT Android開發(fā)工具，使用Java語言進(jìn)行開發(fā)。手機(jī)的客戶端軟件界面圖如圖7所示。

圖7 上位機(jī)軟件界面圖

4 系統(tǒng)功能實(shí)驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證非接觸式液位測量系統(tǒng)，選用亞克力板和膠水制作容器，將電容式傳感器通過雙面膠粘貼在容器外壁上，選用自來水作為被測溶液。電容式傳感器通過屏蔽線與非接觸式液位測量系統(tǒng)相連接，非接觸式液位測量系統(tǒng)的測試平臺(tái)如圖8所示。

圖8 非接觸式液位測量系統(tǒng)的測試平臺(tái)

非接觸式液位測量系統(tǒng)啟動(dòng)后，先通過按鍵設(shè)置進(jìn)入標(biāo)定模式，控制直流潛水泵給容器注入液體，對容器液位進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定完成后進(jìn)入測量模式，對容器的液位和液體體積進(jìn)行測量，并使用游標(biāo)卡尺作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，對非接觸式液位測量系統(tǒng)進(jìn)行比對測試，得到非接觸式液位測量系統(tǒng)的部分參數(shù)測量結(jié)果如表1和表2所示。

表1 容器液位測量部分參數(shù)測量結(jié)果

表2 液體體積測量部分參數(shù)測量結(jié)果

從表1的測量結(jié)果可知，在0～14 cm范圍內(nèi)，液位測量結(jié)果絕對誤差不大于0.39 mm，最大相對誤差為5 %；從表2的測量結(jié)果可知，體積測量結(jié)果絕對誤差不大于0.03 L，最大相對誤差為2 %。因此，基于電容傳感器的非接觸式液位測量系統(tǒng)具有較高的測量精度和準(zhǔn)確度。

5 結(jié)束語

本文基于電容式傳感器和三軸陀螺儀/加速度傳感器，結(jié)合傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種非接觸式液位測量系統(tǒng)。闡述了非接觸式液位測量系統(tǒng)的組成原理，軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，并對非接觸式液位測量系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:液位測量系統(tǒng)能夠非接觸、非浸入式地測量容器內(nèi)液體的液位和體積，液位測量范圍為0～14 cm，液位測量相對誤差為5 %，體積測量相對誤差為2 %，為非接觸式液位測量提供一種參考。