电容式液位传感器课程设计-1

1、电容式智能液位仪 目录目录摘要··········································21.导言····

2、3;····································32.传感器············

3、3;··························42.1理想的电容式传感器·····················

4、83;···················42.2电路模型·····························&

5、#183;·····················52.3传感器特性··························

6、3;······················62.4传感器结构··························&

7、#183;······················73. 硬件电路设计·························

8、83;·······113.1硬件电路划分········································

9、3;······113.2单片机的选用··········································

10、;·····113.3直流充放电式电容测量电路设计·······························133.4信号调理电路设计········

11、83;··································143.5单片机电路及模数转化电路设计············&#

12、183;··················153.6通信电路设计·····························

13、83;·················164.系统软件设计·······························

14、;··184.1编程环境与编程语言·········································18 4.2软件总体设计··

15、83;············································185. 电容测量电路的实验结果和分析··&#

16、183;··············195.1实验过程及结果·································&#

17、183;···········195.2实验分析·····································

18、;··············21参考文献···································

19、;···22摘要设计一种多功能智能化液位检测装置，采用ATmega8作为硬件电路核心，以圆柱形电容探头为液位检测传感器，利用电容频率转换原理将电容变化为频率变化，利用单片机检测频率，软件计算液位高度。本装置具有机械去液面波动，用软件进行温度修正、线性校正、用户自校正，通信和多液体选择等功能。本文主要创新之处是提出一种适合于波动液面液位检测的智能液位仪，具有温度补偿、用户自校正和通信等功能。本文设计了高度为100cm的柱形电容液位检测传感器，电容器具有结构简单，电路实现容易，利用555振荡电路实现了电容到频率的转换，利用程序实现频率到高度转换，理论正确可靠，推算过程

20、合理，利用软件分段修正减小了线性误差。在电容的两端装有液位缓冲器，采用机械的方式减小液面波动。由实验测试可知，本液位检测装置性能稳定，检测可靠，测量精度达到1cm, 分辨率可0.1cm，达到车载式喷雾机液位检测的要求。利用此方案可根据需要设计各种量程的液位检测装置，适用性较广。 ·2·1.导言 河流、水库或容器的液位可以通过测量浸在液体内两电极间的电容而进行监控。使用电容式传感器进行液位测量，具有以下优点：低成本（即对于传感器有比较成熟的技术）、低功耗、高线性度、对应用场合的几何形状有较高的适应性。 电容式液位传感器的工作原理取决于液体类型。对于导电液体，为了避免短路，两个

21、传感器电极中至少有一个是绝缘的。在气-液分界面以下，液体表现为导体，因此，电容的电解质仅仅是绝缘电极。在气-液分界面以上，电解质就是绝缘电极与电极之间的空气，因而产生更小的电容。另一方面，对于非导电液体，电极不需要绝缘。在气-液分界面以下，电解质是液体（其介电常数高于空气）。而分界面以上，则是空气。对于两种类型的液体，随着液位的升高，在气液分界面以下的电极的面积也就增加，进而导致电容增大。 电容式传感器可分为两类：浮力电容式传感器（即该传感器的电极都不接地），还有接地电容式传感器（即传感器两个电极中的一个是接地的）。前者使用范围更大，应用更广泛，因为能抵抗杂散电容干扰的接口电路可以对它们的数据

22、进行读取。然而，由于浮力电容式传感器的安全原因或者操作条件的限制，接地电容式传感器在一些领域中还是有一些应用的。例如：接地金属容器中导电液体的液位的测量。文献【6】公布了一个0.6mm的非线性误差线（0.1%）和一项对于60cm的测量范围允许有0.1mm的非线性误差的决议。另一方面， ·3·文献【7】公布了一个1%的非线性误差线和一项对于70cm的测量范围允许有1mm的非线性误差的决议。 在许多工业应用中，传感器是远离电子器件的。例如：在油库底部的水位测量。在这些情况下，为了减少外部噪声的影响干扰，传感器用屏蔽电缆连接到接口电路。对于接地电容传感器，普通的被动屏蔽（防护罩连

23、接地面）是不合适的，因为电缆的附加电容与电容器的电容同时存在，而且电缆的附加电容能够远大于由于环境条件引起的传感器的电容。为了减少这种附加电容的影响，接地电容式传感器一般采用有源屏蔽技术连接到接口电路。 本文介绍了以远程电容式传感器为基础的液位测量系统的设计和实施。它提供了在有源电路中对因附加元件产生的影响的详细分析该系统已经通过在接地金属容器中测量液体导电水平的测试。2. 传感器2.1 理想的电容式传感器 当测量导电液体的液位时，传感器的总电容实际上等于气液分界面以下两电极间的电容。这类电容显示了一个同轴电极配置。换言之一个电极是导线，另一个电极是绝缘导线周围的导电液体。因此，该电容的理论值

24、可用下式进行计算：在这里为真空介电常数，为绝缘线的相对介电常数，d1和d2分 ·4·别是绝缘线的内径和外径，h是液位高。两个因素中，第一个是考虑到金属线做成U型，做一个近似，电容加倍。2.2 电路模型图2a是为电容式传感器设计的电路模型。电容Cx是理想电容，Rw和Cw分别是液体的电阻和电容。Ls是电感系数。 Rw 当液体能够导电，并且激发信号的频率不太高（几十到几百千赫），Rw的影响将优于Cw，并且Ls的影响可以忽略。将电路模型简化为图2b，这更接近理想值（即只受Rw的影响）。因为这个原因，用作接口电路的振荡器工作在这样的频率范围。另一方面，在高频下，Cw的影响优于Rw，因

25、此电路模型简化为2c。这种高频电路模型适用于对主动屏蔽电路进行稳定性分析。 ·5·2.3 传感器特性 设计传感器原型的阻抗使用阻抗分析仪在20kHz到15MHz内进行测量。然后，测量结果用于提取2a中电路模型的参数。图3显示不同的自来水水位的特性结果。电容Cw随着水位高低线性增减，正如公式一。灵敏度是0.47pf/mm这与前节中所陈述的值及其相似。尽管电容Cw能够线性增减，但电阻Rw的增减与液位的变化成反比，这正是我们所期望的。最后，电感Ls随液位的变化线性增减，这是因为当前回路面积随着液位的升高而减小。 ·6· 2.4 传感器结构传感器结构如图： 整个

26、传感器可以分为上下两部分：上部为数据采集和处理模块，下部为十段电容传感器和电容传感器外电极。 上部包括电源模块、ATmega16单片机、人机交互模块和通讯模块。全部安装在传感器顶部的防水盒中。防水盒采用航空街头外接天线。接入20V电源的输入以及RS-485串行通讯电缆。防水盒上方安装有状态指示灯、按键和LCD显示屏，实现传感器工作指示和人机交互。 下部包括十段独立的电容传感器和电容传感器外电极。电容传感器外电极公用，套在整个电容传感器外部。中间是聚四氟乙烯绝缘管将 ·7·所测介质和电容传感器隔离。十段独立的电容传感器每一段的结构如下图：聚四氟乙烯绝缘管内是电容传感器内电极，

27、高为10cm，中间是电容测量电路板，包括ATmega8单片机、电容测量电路和通讯电路，其中电容测量电路分别和电容传感器内、外电极相连。 电容传感器截面图如图所示： 这种独立的电容测量模块的设计虽然增加了整体复杂度和开发成本，但是这样的设计可以极大的缩小连接电容测量模块和电容极板的导线距离，从而极大的减小了导线电容对于测量的影响，提高了液位测量的精度。 系统功能模块划分 系统按功能可以划分为以下模块： ·8· 四个按键实现用户输入 LCD显示实现油气油水界面位置显示、油层厚度显示、不同功能状态下内容显示。这些都保证了用户能够简单快捷的设定、使用和维护传感器，提高用户的操作体验

28、。 （5）通信模块：包括两部分，传感器内部串行通信和外部RS-485总线通信。 ·9·系统工作框图： ·10· 3. 硬件电路设计3.1 硬件电路设计3.2单片机的选用了RISC的这种结构，使AVR系列单片机都具备了1MIPS/MHZ的高速处理能力。 ·11·AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机得折中策略，采用局部寄AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可5V-2.7V宽电压运行，抗干扰能力强。 ·12·3.3直流充放电式电容测量电路设计 ·13· 3.4信号调理电路设计 ·14·3.5 单片机电路及模数转化电路设计 每一段电容传感器中都含有一个ATmega8单片机，因此ATmega8单片机共有十个，每一个电路如图： ·15·用于状态指示LED控制。3.6通信电路设计 ·16·方便与TTL电路连接。 （2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps，最大传输距离可达1200米。 （3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，