电容式液位仪设计

-.z电容式液位仪设计摘要：该液位计利用不同介质具有不同的介电常数的特性，使液面高度变化改变电容大小，建立线性方程，使得能通过检测电容大小检验出液面高度。本液位计一共分六个局部，由RC文氏震荡电路，衰减电路，微分电路，滤波电路，整流电路和单片机检测显示局部组成。其中电容板与运放组成微分电路，电容的大小与电路的输出大小呈线性。单片机通过检测整流后的输出，得出页面高度。此题的重点是设计合理的滤波电路，难点是如何提高精度。2.方案论证本设计主要任务是测量平行探针的电容。并探索电容的容量与液体高度的关系。电容式传感器检测电路主要有交流半桥式检测电路、充放电检测电路、基于V/T变换的电容测量电路，交流锁相放大电容测量电路，分别论证如下。方案1：交流半桥式检测电路AC电桥电容测量电路如图2所示，其原理是将被测电容在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的一个桥臂，二桥臂分别接到频率一样/幅值一样的信号源上，调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。图2交流半桥式检测电路这种电路的主要优点是：精度高，适合作精细电容测量，可以做到高信噪比。方案2：充放电检测电路充/放电电容测量电路根本原理如图3所示。由CMOS开关S1，将未知电容C*充电至Ve，再由第二个CMOS开关S2放电至电荷检测器。在一个信号充/放电周期从C*传输到检波器的电荷量Q=Ve·C*，在时钟脉冲控制下，充/放电过程以频率f=1/T重复进展，因而平均电流Im=Ve·C*·f，该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一个直流输出电压Vo=Rf·Im=Rf·Ve·C*·f(Rf为检波器的反应电阻)。图3充放电检测电路方案3基于V/T变换的电容测量电路V/T变换的电容测量电路根本原理如下列图所示。图4电容检测电路电流源Io为4DH型精细恒流管，它与电容C通过电子开关K串联构成闭合回路，电容C的两端连接到电压比拟器P的输入端，测量过程如下：当K1闭合时，基准电压给电容充电至Uc=Us，然后K1断开，K2闭合，电容在电流源的作用下放电，单片机的部计数器同时开场工作。当电流源对电容放电至Uc=0时，比拟器翻转，计数器完毕计数，计数值与电容放电时间成正比。方案4：交流锁相放大电容测量电路交流型的C/V转换电路根本原理如图5所示。正弦信号Ui(t)对被测电容进展鼓励，鼓励电流流经由反应电阻Rf、反应电容Cf，和运放组成的检测器D转换成交流电压Uo(t)。图5交流锁相放大电容测量电路假设jωRfCf>>1，则为:上式说明，输出电压值正比于被测电容值。为了能直接反映被测电容的变化量，目前常用的是带负反应回路的C/V转换电路。这种电路的特点是抗杂散性、分辨率可高达0.4*10-15F综上所述，因交流放大的电路广泛应用在数字电压表的电容检测电路中，是一种成熟的电路。为此准备采用方案4。3.整体电路设计采用LM324设计的电容式检测电路如图6所示。图6电容检测电路LM342部共有4个运算放大器，其中A1构成RC桥式振荡电路，产生475Hz的交流信号；A2构成衰减器，将信号按比例缩小至50mV；A3构成电容检测电路，输出的交流电压与液位成线性关系。A4构成475Hz的带通滤波器，最后通过检波二极管将测量电流转换成直流电压，供单片机ADC测量。震荡电路：本电路采用RC文氏桥式震荡电路文氏电桥振荡电路又称RC串并联网络正弦波振荡电路，它是一种较好的正弦波产生电路，适用于频率小于1MHz，频率围宽，波形较好的低频振荡信号。从构造上看，正弦波振荡器是没有输入信号的，为了产生正弦波，必须在放大电路里参加正反应，因此放大电路和正反应风络是振荡电路的最主要局部。但是，这样两局部构成的振荡电路通常是得不到正弦波的，这是由于正反应时不量是很难控制，帮还需要参加一些其他电路。下列图即为运算器组成的文氏电桥RC正弦波振荡电路。图中R3、R4构成负反应支路，R1、R2、C1、C2的吕并联选频网络构成正反应支路并兼作选频网络，二极管构成稳幅电路。调节电位器Rp可以改变负反应的深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。二极管D1、D2要求温度稳定性好且特性匹配，这样才能保证输出小型正负半周对称，同时接入R4以消除二极管的非线性影响。假设R1=R2，C1=C2，则振荡频率为，正反应的电压与输出电压同相位〔此为电路振荡的相位平衡条件〕，且正反应系数为。为满足电路的起振条件放大器的电压放大倍数>3，其中。由此可得出当时，可满足电路的自激振荡的振幅起振条件。在实际应用中应略大于，这样既可以满足起振条件，又不会引起过大而引起波形严重失真本电路实际选用元件参数为：C1=C2=0.1uf.R1=R2=4.3K.R3=1.2K.R4=3.6K,其中RP为10K可调电阻，经过调试，实际输出为+-3.6V，频率为475Hz，由于本液位计与频率精度关系不大，只要输出波形较好即可，后续通过设计滤波器参数将频率滤除即可衰减电路：本设计采用反向加法电路通过调整系数为1/100到达衰减目的。其中Uo=Ui*(Rf/R),本电路实际参数为使用R=36K，Rf=360欧，由于频率较低，Rp阻抗匹配电阻不接微分电路： 微分电路由检测电容板与运放组成，通过调整R8到达输出目的。Uo=-RCdt(Ui),由于实际应用上，检测电容板一般电容非常小，所以R8选择参数较大的110K，实现放大的作用。滤波电路： 经过前面衰减电路的衰减与微分电路的放大，由运放误差，电容噪声，液体复杂的环境等等给电路加上了非常多的噪声，通过示波器可见，从50HZ到10M皆有，其中50Hz和1M最为严重，由于本设计震荡电路采用475hz并且伴有50hz的频率漂移，故设计中心频率为475hz，带宽为100hz的二阶有源滤波器。图1所示是一个多路负反应二阶有源带通滤波器

，它使用单个通用运算放大器〔通用运放〕接成单电源供电模式，易于实现。它的上限截止频率和下限截止频率可以非常近，具有非常很强的频率选择性。令C1=C2=C，Req是R1和R2并联的值。品质因数Q等于中心频率除以带宽，Q

=

fC/BW。由式可以看出可以通过让R3的值远大于Req来获得大的Q值Q值越大，频率选择性越好，带宽越小。反之则反。令中心频率为fc，则计算公式如下：其中经过计算，R1选1.6k,R2选30欧，R3选择3.2k,电路增益为1。经过示波器观测，滤除频率较稳定，而且输出与电容变化成比例，本设计中的关键就是设计合理的滤波器，滤除波纹稳定才能为下一步整流给单片机观测提供稳定数据。整流局部：如下图，采用二极管与电容构成一个简单的整流电路，由于频率不高，采用0.1uf的电容和肖基特二极管即可。单片机检测与显示模块:本模块采用STC12c5A4安装调试4.1电容检测电路的测试信号源测试：用示波器测量A1的信号输出，应为正弦波，电压幅度接近电源电压。衰减器测试：用示波器测量A2的信号输出，应为正弦波，电压幅度缩小100倍。CV转换电路测试：采用104的电容作为输入电容，测量A3输出的波形，波形较差。带通滤波测试:测量A4输出的波形，幅度与A3相近，但是波形更加完美。整流输出测试。改变C*的大小，测量C6两端的输出电压，应与电容大小显著相关。4.2电容检测电路的标定：标定容和方法如下：〔1〕零点调节：传感器没有插入水中，输出电压最低，应接近0V；〔2〕满度调节：全插入水中，调节电路的增益，输出电压最高为5V；〔3〕正反向分度测量：将液位从0开场，每次加1cm，直至10g，再依次降低到0表1标尺标定试验记录表液位〔cm〕0123456789平均电压〔V〕89151233336397498591670670849〔4〕数据处理，用E*CEL线性回归，得出经历公式；采用5阶方程拟合得。y=6E-07*5-0.0016*4+1.6329*3-736.96*2+264714*-2E+075程序设计程序分为四个局部，主程序，AD转换程序，LCD显示程序，拟合曲线与滤波算法。以下粘贴局部程序展示。AD转换程序intad(){intAA; ADC_CONTR=0*C0;//开A/D转换电源,选择AD速度P1ASF=0*08;//选择P1.4作为A/D转换通道ADC_CONTR|=0*8b;//启动A/D转换while((ADC_CONTR&0*10)==0);//等待A/D转换完毕ADC_CONTR&=0*E7;//将ADC_FLAG清0AA=ADC_RES;AA=AA<<2;AA=AA+ADC_RESL;return(AA);//保存A/D转换结果}拟合曲线与滤波算法：经过1500个周期比拟，选择最高值为观测值，经过比拟，此算法比平均滤波法，最低值，中值法均更稳定。unsignedintma*(unsignedinta,unsignedb)//选择最高{ if(a>b) { returna; } elsereturnb;}voidhigh_data()//滤波算法，选择最高值为观测值{ aa_ma*=ma*(aa_ma*,ad());}floatma*_c(float*)//拟合曲线{ floata; a=(6E-07*(pow(*,5)))-(0.0016*(pow(*,4)))+(1.6329*(pow(*,3)))-(736.96*(pow(*,2)))+(264714**)-(2E+07); if(a<0)a=0; returna;}主程序：组合各个局部功能，循环检测voidmain(){ intshu; P1=0; Delay400Ms(); LCM_Init(); delay_*100us(10); DisplayListChar(0,0,"data:"); while(1) { for(i=0;i<15000;i++) { high_data(); } cc_sum=(aa_ma*+bb_min)/2; LCM_Writemand(0*01,1);//显示清屏LCM_Writemand(0*06,1);//显示光标移动设置LCM_Writemand(0*0C,1);//显示开及光标设置 shu=ma*_c(aa_ma*)/100000; delay_*100us(10); DisplayListChar(0,0,"waterdepth");delay_*100us(10); DisplayNUM(0,1,shu/100);delay_*100us(10); DisplayNUM(1,1,shu);delay_*100us(10); DisplayListChar(1,1,".");delay_*100us(10); // DisplayNUM(0,1,mid_c(cc_sum)/1000000);delay_*100us(10); aa_ma*=0;bb_min=9999; }}LCD显示程序略。6误差测试试验6.1测试仪器和设备水桶，尺子，电容式液位测量仪6.2测试方法和步骤将仪器置于水中，用勺子将水浇至指定刻度值，观察LCD显示值6.3测试结果与分析表2.误差校准试验数据记录水面高度0123456789显示刻度01.32.53.34.15.16.37.58.59.5满度误差03%5%3%1%1%3%5%5%5%经过测量，发现精度不如人意，误差原因主要分两