基于555振荡器和STC单片机的液位测量电路设计*

吴家烜

(黎明职业大学信息与电子工程学院,福建 泉州 362000)

2017-09-01

泉州市科技局科技项目(2016G053)

吴家烜(1980- )，男，福建泉州人， 讲师，主要从事电源电路、无线电通信等方面的研究。

1674- 4578(2017)05- 0037- 03

基于555振荡器和STC单片机的液位测量电路设计*

吴家烜

(黎明职业大学信息与电子工程学院,福建 泉州 362000)

液位测量技术在工业中有广泛的运用。本文设计了一种基于555振荡器和STC8A8K60S4单片机的电容式液位传感器，测量系统由555 定时器、STC8A8K60S4单片机和12864液晶显示屏组成。电容传感器和555 定时器构成一个多谐振荡器，用于输出一个随着液位变化的频率，STC8A8K60S4单片机作为控制系统用定时器读取频率，并将频率转换成液位高度，1602液晶显示液位高度，数据处理采用中值滤波法，减小误差，最终实现算法。

单片机；555定时器；液位传感器

液位测量方法是工业生产领域的非常重要的技术之一，分为直接法和间接法，约有二十多种，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。而且随着技术的进步，方法还在增加。但每种方法都是有其优缺点的，如超声波法简单准确且非接触但有几公分到十几公分测量禁区，液压法结构复杂等等。本文主要讨论的是采用电容式液位测量的方法。这种测量方法价格低廉、结构简单、适应性强，广泛用于位移、厚度、压力、液位等方面，是间接测量方法中最常用的方法之一。但由于电容式传感器也有其不可克服的弱点，如电容量小、阻抗高，输出信号微弱，易于受环境影响等，所以对它的转换测量电路的研究一直在发展中[1-5]。

1 电路原理

电容式传感器是一个具有可变参数的电容器，它将被测非电量转换为电容的变化，测量电路再将电容变化转化成易于观测的电参量，如V、F等。传统的电容传感器是以空气为介质的平行板组成，但也可以是同心圆筒形。为了降低设计难度，参考以往文献的设计方案[1,3〗，本设计将电容传感器设计为同心圆筒形，见图1。

下面分析我们设计的圆筒电容结构，长度L为30 cm，外导体为外径R为2 cm的铜管，内导体为实心包裹防水塑料的铜线内径r大约0.2 cm。如果介质为空气ε1，可知电容的计算公式(1)为：

(1)

图1 电容传感器结构图

如果电容泡在水中，水的高度为H，水的介电常数为ε2，则可得到水中电容的计算公式(2)为：

(2)

由上述公式可知，按上述公式的频率f与被测量电容也成线性关系，与是否泡在液体中无关。

2 电路设计

2.1 系统框图

本系统由电容液位传感器、555振荡器、基于STC8A8K60S4的单片机小系统构成，用LCD1602液晶来显示数据。具体框图见图2。由于STC8A8K60S4的特性，省略了复位电路和晶振。

图2 基于STC8A8K60S4单片机和555振荡器的液位测试系统

2.2 关键电路设计及实现

根据STC网站资料，STC8系列单片机是STC公司最新研制的最新单时钟/机器周期(1T)的单片机，具有宽电压、高速、高可靠、低功耗、强抗静电、较强抗干扰等特性。特别是相比传统单片机，ISP编程时5 MHz～30 MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路(内部己集成)，比传统51约快12倍左右。

本测试电路采用STC8系列中的STC8A8K60S4单片机，具有60k的flash和4k的EEPROM，5个16位定时器，15路12位ADC，8组PWM等，资源非常丰富。

将液位传感器电容接入555，代替电路中的C1，构成多谐振荡器(见图3)。电路的振荡频率为：

(3)

图3 555多谐振荡器和单片机电路连接图

按上述公式的频率f与被测量电容成线性关系。经过测量，此电路的频率在20～40 kHz之间。因此单片机需要能够准确测量出此区间的频率。测量频率的程序流程图见图4。

测量液位实际上是采用查表法进行估算，我们首先从0 mm开始间隔5 mm测量一组频率数据，从0 mm～200 mm一共41组数据。假设H1为xmm高度的频率f1，H2位x+5 mm高度的频率f2，频率f2

图4 测量频率流程图

(4)

液位的变化是比较缓慢的，但由于外界比如电压、震动等影响，电容传感器必然受到影响，进而导致检测到频率是抖动的，虽然抖动幅度不大，会超出设计的误差范围(1 mm)。在这里采用了软件滤波方法-中值滤波法进行数据处理。这种方法对温度、液位等缓慢变化的数据滤波效果很好，是一种典型的非线性滤波法。其处理过程是对频率连续采样30次，然后将这些数据进行冒泡法进行排序，去除最大和最小各五个值，选取中间的20次值进行平均，采用这种数据处理方法后，频率检测数据非常稳定。

2.3 电路测试

本次测试直接采用的是实验室的自来水，并有加入白醋进行干扰，电容传感器的测试范围0～200 mm，设计精度为1 mm。将传感器放入水中后，记录数据并与实际高度比较(见表1)。根据实验数据，测量误差在1 mm以下，满足设计要求。

表1 测试数据

3 结论

本设计采用电容式液位传感器，传感器和555 定时器构成一个多谐振荡器，用于输出一个随着液位变化的频率，STC8A8K60S4单片机作为控制系统用定时器读取频率，并将频率转换成液位高度，数据处理采用中值滤波法，减小误差，最终实现算法，达到了1 mm的测量精度。

[1] 李一峰,吴振陆,樊海红.电容式液位传感器的设计.广东海洋大学学报,2015,35(1):90-94.

赵明,汤晓君,张徐梁,等.基于CAV444的电容式液位传感器设计与优化.仪表技术与传感器,2015(1):7-9.

王书瑶.有关电容式液位传感器的分析与研究.数字技术与应用,2012(4):56-57.

王颖,禹静,李东升,等.单管计算电容式液位传感器的仿真与特性研究.传感技术学报,2017,30(6):893-898.

王芸,张国雄,樊玉铭.基于运算法的电容式液位传感器的设计.电子测量技术,2008(3):122-124.

DesignofLiquidLevelMeasuringCircuitBasedon555OscillatorandSTCMcu

Wu Jiaxuan

(DepartmentofInformationandElectronicEngineering,LimingVocationalUniversity,QuanzhouFujian362000,China)

Liquid level measurement technology is widely used in industry. In this paper, a capacitive liquid level sensor based on 555 oscillator and STC8A8K60S4 microcontroller is designed. The measurement system consists of 555 timer, STC8A8K60S4 and 12864 LCD screen. The capacitance sensor and a 555 timer form a multivibrator for outputting a frequency changed with liquid level. STC8A8K60S4 as a control system with a timer reads frequency and the frequency is converted to the liquid level displayed with 1602 liquid crystal, liquid level, and the data processing adopts median filtering method to reduce the error recovery and finally realizes the algorithm.

MCU; 555 timer; liquid level sensor

TP212

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