电容式液位传感器的设计

李一峰，吴振陆，樊海红

（广东海洋大学信息学院，广东 湛江 524088）

电容式液位传感器的设计

李一峰，吴振陆，樊海红

（广东海洋大学信息学院，广东 湛江 524088）

设计了一种基于单片机的电容式液位传感器，主要由单片机系统、555定时器、液晶显示屏组成。单片机作为主要控制的部分，控制系统所有的部分，接收555定时器方波信号并读取出其频率，将频率转换成液位高度，显示到 LCD1602液晶显示屏幕上，软件计算液位高度，减小了电容与频率转换的线性误差，最终实现算法的设计。

电容式液位传感器；555定时器；多谐振荡电路；频率转换

在石油化工、水利水电、农田灌溉、环境监测以及食品加工等众多行业，液位是一个重要的技术参数。液位准确检测一直以来是传感检测技术方面的研究热点，同时也是控制领域的一项关键技术。

通常进行液位测量的方法有 20多种，分为直接法和间接法。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。目前国内外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。但这些方法都有各自的缺点问题，如设备复杂、测量不准等，所以解决以上问题就是对液位测量提出的新要求。

1　电容式液位传感器的工作原理

电容式液位传感器其原理就是利用电容量的大小与电容外特征有直接关系，即是电容值与极板的面积成正比，与极板间的距离成反比，特别是与极板间的介质的介电常数ε成正比，而水和油的介电常数差别较大，正好可以利用。

将被测液位转换为电容量的传感器，它的敏感部分就是两根大小参数一样的金属棒（其中一根外包绝缘层防止短路）构成的具有可变参数的电容器。两根金属棒插入的液位高度不同，会改变电容器的电容量。传感部分将液位高度转换成相应的电容量，用555 振荡电路将容量变化转换成频率，再将频率数据输入到单片机，计算出液位高度。最后用LCD1602显示屏显示液位。

2　电容式液位传感器设计

电容式液位传感器通过测量电容来获取液位值，其容器的结构主要有圆筒状柱型结构和探针式（平行极板）结构。

2.1电容测量电路

设计的小电容的测量是利用被测电容的储能以及充放原理与555定时器组成多谐振荡电路。将测量的电容量换算成振荡频率输出。该方案硬件电路实现简单，能测出较宽的电容范围。555定时器输出波形为方波信号，可直接输入单片机的计数器进行处理。

2.2单片机选择

STC89C51RC单片机，8 K字节 Flash，40位I/O口线，内置MAX810复位电路。内部具有ISP在线程序下载接口，无需专用下载烧录器。机器周期为6个状态周期，也就是12个时钟周期，最高工作时钟频率为80 MHz，速度非常快。考虑到简化电路结构，选用自带 MAX810复位电路的单片机。考虑到降低成品成本，选择内部具有ISP在线程序下载接口，无需专用下载器烧录器的单片机。考虑测量液位时会有波动，为了确保其测量，计算与显示的实时性，选用工作时钟频率较高的这款单片机。

2.3系统的结构框图

系统以STC89C51RC单片机为控制元件，以探针作为测量元件，用555定时器测频，用LCD1602显示液位，外围还有晶振，电源电路。系统结构框图如图1所示：

图1　系统结构框Fig.1　system structure chart

3　系统硬件设计

3.1电容式液位传感器系统

如图2所示为系统总图，包括STC89C51RC单片机，晶振（使用11.059 2 M），ISP下载器电路，555定时器的多谐振荡电路，LCD1602显示电路，电源（地）。

图2　系统总图Fig.2　system chart

3.2555多谐振荡器测电容电路设计

如图3所示为由 555定时构成的多谐振荡电路。通过计算频率来计算被测电容的大小。

图3　555多谐振荡器电路Fig.3　555 Multi-oscillator circuit

接通电源后，电源VCC通过R1和R2对电容C1充电。当Uc<1/3VCC时，振荡器输出Uo=1，放电管截止。当Uc充电到≥2/3VCC后，振荡器输出Uo翻转成0。此时放电管导通，使放电端(DISC)接地，电容C通过R2对地放电，使Uc下降。当Uc下降到≤1/3VCC后，振荡器输出Uo又翻转成1。此时放电管又截止，使放电端（DISC）不接地，电源VDD通过R1和R2又对电容C1充电，又使Uc从1/3VCC上升到2/3VCC，触发器又发生翻转。如此周而复始，从而在输出端 Uo得到连续变化的振荡脉冲波形。脉冲宽度TL=ln2 R2C1，由电容C1放电时间决定；TH=ln2(R1+R2) C1，由电容C1充电时间决定，脉冲周期T=TH+TL。工作波形如图4所示。

555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为

设置R1=1 KΩ，R2=750 KΩ，令R1+R2≈R2得到

即

3.3LCD1602显示电路设计

LCD1602它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，LCD1602显示部分的接口电路如图5所示。

图4　555多谐振荡器工作波形Fig.4　555 Multi-oscillator wave chart

图5　LCD1602显示电路接口Fig.5　LCD1602 display circuit

3.4电源部分

系统电源滤波电路如图6所示。

图6　电源滤波电路Fig.6　power filtering circuit

设计中的电源是外接插头。在输入电路通电瞬间，由于电容上的初始电压为零，会形成很大的瞬时冲击电流。为防止冲击电流过大造成电源无法正常投入，其输入采用较大容量的滤波电容。这里采用了体积小的极性电容。大容量的滤波电容的蓄能作用提高通电瞬间电源电路的过载能力，保证电源的正常投入。

4　系统软件设计

4.1系统主程序设计

主程序在程序运行的过程中必须先经过初始化，包括定时器中断程序，液晶显示程序以及各个控制端口的初始化工作。系统在初始化完成后就进入定时器和计数器的设置，然后将测量的电容量换算成频率，读取频率后计算出液位值，然后在液晶显示屏显示出来。

系统软件设计的主程序流程如图7所示。

图7　主程序流程Fig.7　main program chart

4.2定时器T1的中断程序

定时器的中断不干扰单片机的正常运行，可以使单片机不用一直等待一个时间的到来而空转，或者运行一个程序的过程中计算运行的时间并定时插入一个额外的工作，大大提高单片机的工作效率。在处理多任务（主程序与各个子程序）时，必须使用定时器（也可以通过外部信号做计数器）以及外中断来切换多个任务。定时器T1的中断程序流程如图8所示。

图8　定时器T1的中断程序流程Fig.8　timer T1 ieterru

4.3LCD显示程序

显示数据之前，必须要初始化，经过初始化之后，开始采集电容数据，然后计算频率并换算成液位值，传输数据到LCD中显示出来。LCD显示流程如图9所示：

图9　LCD显示程序流程Fig.9　LCD Display program flowchart

5　电容式液位传感器测试与分析

本次试验直接用自来水，传感器的量程为 50mm，精度为1mm。由于其中一根探针外层包裹绝缘材料，导致实际长度比另一根探针长3mm。若外层包裹绝缘材料的探针触碰到容器底部，则实际液位高度为测得液位高度+3mm。

将传感器的两根探针竖直插入到试验用水中，重复测量4次取平均值如表1所示（单位：mm）。

分析实验数据，测量误差为1mm，实验数据与实际情况相符合。

表1　实验数据Table 1　test data　　　mm

6　讨　论

6.1误差分析

本设计产生误差的原因主要有 4个，1）正弦波发生模块；2）模拟比较器的精度；3）机测量时间的精度问题；4）采用了某些近似公式。虽然从示波器上观察这个正弦波比较理想，但是仍旧不是理想的波形。

6.2改进的方法

1）采用更高的处理器频率。Proteus软件中STC89C51RC最高只能用8 MHz的晶振，而实际上它的工作频率可以高达16 MHz。或者可以采用其他更高性能的处理器芯片。都将有助于提高检测精度。

2）采用专门的正弦波发生芯片。这样可以提高正弦波的质量，提高精度。但是这会增加许多硬件和软件的工作。

电容式液位传感器的设计采用了单片机控制的电容式液位传感器结构，该液位传感器设计结构简单，相比于其它液位传感器，电容式液位传感器的显著优点在于探头部分不带可动的机械部件，结构紧凑，体积较小，并且能通过液晶显示读数的方式得到准确的液位数据。实验结果表明，测试系统稳定，测量结果准确，误差小，能够达到预期的设计目标。

[1]潘新民，王燕方.微型计算机控制技术（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]唐露新.传感器与检测技术[M].北京：科学出版社，2011.

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[4]张小勇，陈颖鸣，郭禹姬.基于电容检测芯片的电容检测系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2010，（6）：35-37.

[5]王雷.电容传感器新型微弱电容测量电路[J].传感技术学报，2002，（4）：273-277.

（责任编辑：任万森）

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

广东省科技攻关项目资助（2011B010300016，2012B010300023）；广东省海洋与渔业局项目资助（A201301D04）

李一峰（1966-），男，硕士，副教授，主要从事电气自动化专业。