《某电容式燃油液位传感器的硬件电路设计案例》5700字

某电容式燃油液位传感器的硬件电路设计案例综述目录TOC\o"1-2"\h\u29803某电容式燃油液位传感器的硬件电路设计案例综述 1324631.1硬件电路的总体设计 132011 122990 228174 2242891.2电源电路设计 4153911.3电容测量电路设计 511252①交流型电桥法 516826②谐振作用法 57368②振荡处理法 64589③计算放大设备法 6197741.4单片机控制电路设计 85051.5信号输出电路设计 9191861.6信号处理电路设计 91.1硬件电路的总体设计产品长时间可靠稳定运行工作是硬件设施综合系统设计里十分关键的一点，所以硬件设施工作电路的综合深化设计要思考影响长期有效性即可靠性的影响因素。影响产品长期有效性有内部与外界两个层面。影响可靠性的因素有：（1）设备元器件的自身状况和长期有效性。设备元器件是构成产品体系的基础单元，其自身性质的好坏与稳定可靠性和仪表设备的作用功能与长期有效性密切联系。若要使电路系统能够达到长期稳定可靠有效运行的指标要求，就必须要在硬件综合系统设计时，把设备元器件的选择放在首位。（2）硬件综合电路系统设计。硬件综合电路系统设计时，应科学合理的安排连接线路布局，规避各器件之间的相互干扰，参数计算过程合理适宜，符合设计理论要求，必要时还应该借助专业的抗电磁干扰技术降低干扰风险。（3）结构的组装和电气测试。硬件的组装过程对于保障整个产品系统的可靠运行工起着至关重要的作用。假如设计的生产组装工艺粗糙，电气测试要求不严格，依然有潜在干扰体系的可能性。影响长期有效性的外界影响因素指的是工作范围内的造成系统不能连续可靠工作的多种因素。通常包含如下几点：（1）外界电气基本条件，例如工作电源电压的稳定安全性，强工作电场与强磁场的影响作用。（2）外界分布空间基本条件，例如实际温度、实际湿度等。（3）外界机械设备基本条件。假如震动、冲击等。硬件电路设计总体框图如图1.1，分为五部分进行阐述：（1）电源电路部分；（2）电容测量电路部分；（3）单片机控制电路部分；（4）信号输出电路；（5）信号处理电路。图1.1改进传感器硬件总体框图单片机设备是整个实时液位测量确定体系的中心，可变电容式液位传感器的可变电容测量确定过程，可变电容测量结果的全面处理以及数据信号操作控制输出，所有都以单片机设备作中心，并且通过单片机设备的管控保障整套体系的稳定运行工作。所以单片机设备的选用是否合适，严重影响测量确定体系的作用功能与精度。选用单片机设备的根本原则是参考依据测量确定的多种要求，从整套体系的作用功能、可行性、研制成本费用、运用工作效率等多个层面展开全方位思考，合适选用。经过全方位思考，改善后的燃油液位传感器应用了PIC类型的单片机序列中的PIC16F690单片机设备。PIC是美国Microchip企业生产加工的单片机系列商品类型的前缀。PIC单片机设备（PeripheralInterfaceController）是一类用于研发与操作控制外围机器设备的集中工作电路（IC）。一类具备分布作用（多工作任务）功能的CPU。和人类对比，大脑就是CPU，PIC实时共享的组成部分类似于人的神经体系。PIC单片机设备有运算功能作用与记忆数据存储，由操作软件操控运行。存储有效容量决定于PIC的种类。但是它们的最大操作应用频次大概均在20.0兆赫兹左右，储存设备有效容量用作写应用程序的大概1K—4K储存字节。PIC类型的单片机的硬件综合系统设计简约，语言指令简练，在每一个单片机设备品种类型里是最简单易学、使用的单片机设备品种类型之一。PIC单片机设备对比其它单片机设备有如下优势：（1）哈佛总线结构其设计区别于其它单片机设备的地方是：不单单应用了哈佛系统组成结构，并且还应用了哈佛总线连接组成结构，在控制芯片内部把数据信息总连接线与指示总连接线脱离，而且应用不相同的有效宽度，带来的好处是：在履行一条程序命令的同时间对下一条程序命令展开取指操作应用，方便完成所有程序命令的单储存字节化，单工作周期化，进而有助于提升CPU履行程序命令操作的速率。（2）程序命令单储存字节化由于数据信息总连接线与指示总连接线是脱离的，而且应用了不相同的有效宽度，因此应用程序储存单元ROM与数据信息储存单元RAM的寻址分布空间（也就是储存地址程序编码分布空间）是独立的，并且两大类储存单元有效宽度也不完全一致。这样不仅能够充分保障数据信息的安全稳定性，还可提升运行工作速率与完成所有程序命令的单储存字节化。（3）精简程序命令集（RISC）专业技术PIC类型的单片机的程序命令系统（就是这个单片机设备所能辨别的所有程序命令的分布集合，称之为程序命令体系或程序命令集，Instruc\o"TI社区"TIonset）仅有35条，容易学习，使用方便。而MCS-51单片机设备程序命令体系共同111条。（4）寻址模式简易寻址模式就是寻求操作应用数的模式。PIC类型的单片机寻址模式比较简单，而且种类较少，仅有4类，而MCS-51单片机设备因此7类寻址模式。（5）代码压缩率高1KB的储存设备分布空间，相比较仅能够储存600条指令的MCS-51单片机芯片，PIC类型的单片机达到储存1024条之多。（6）运行速度高之所以能够较高的运行速度，就是因为应用以上所述的总线式组成结构，以及流水作业式的指令获取及执行方式。（7）能耗低PIC类型的单片机的额定功率损耗非常低，是截至当前，全球上最小的单片机设备品种类型之一。在1.0兆赫兹控制时钟下运行工作的时候用电小于等于2mA，在睡眠方式下用电能够低到1μA甚至更小。（8）驱动能力强PIC系列单片机的所有I/O口能够承受最高输入25mA与最高20mA输出工作电流，可以直接带载LED灯、光电耦合控制器设备或微型继电器设备等，具有很强的负载驱动能力。（9）I2C与SPI串行连接总线接口I2C与SPI串行连接总线接口作为能够在控制芯片相互之间完成同步串行连接数据信息自动传输的两大串行连接专业技术，在PIC系列单片机某些型号中也有设置，使用上述串行连接总线接口能够便利灵活多样地拓展必要的外围设备器件。（10）外接工作电路简约PIC类型的单片机内集中了通电自动复位工作电路、I/O管脚上拉工作电路、看门狗定时设备等，能够尽可能充分地减少或者免用外围电路器件，更接近于纯单片应用模式，这样一来不仅便利研发，也能够节约工作电路控制板分布空间与制造加工成本。1.2电源电路设计如图1.2所示，为了整个系统能够良好的工作，必须提供稳定的供电系统，在电源设计时采用自恢复保险和瞬态抑制二极管配合使用，以消除车上电源的尖峰浪涌影响，另外加入二极管保护电源反接，模块前后级均设置电容进行滤波。图1.2电源转换电路考虑兼容24V电源设计，增加一级稳压电路，本课题研究传感器供电采用12V，使用时U1模块及前级电容不装，1、3脚作短接处理。之所以使用5V电源是为了满足单片机需要。图里U2标记符号控制芯片是LM78L05，是美国NationalSemiconductor企业生产加工的工作电压转换器设备，其自动输入工作电压是8.0VDC～20VDC，自动输出工作电压是5.0V，自动输出工作电流最高可以达到100mA，工作实际温度-40～125℃，这个控制芯片的显著优点是内部热电流过载保护及内部短路工作电流严格限制。1.3电容测量电路设计实时测量液位传感器电容有效容量的模式比较多，截至当前，工业中比较常见的的可变电容测量模式根据其测量确定的工作原理大概能够划分为如下几大类交流型电桥法电桥工作电路是应用最多的一类测量确定工作电路，但是其桥路构成并非完全相同，举例：有阻容电桥、变压器式调节电桥与双T电桥等。电桥法的测量原理是将被测可变电容放在交流电桥的一个臂中，另一臂调配一个固定容值的额定电容，其他两臂能够随意设置，比如串入电阻、电容，也可以传感器电感线圈等等，但是要求这两个臂能够使整个电桥稳定工作，并且达到较高的灵敏度，且不受寄生电容影响。而变压器式调节电桥使由于其应用最少的元件，能够达到最小的内阻而被广泛采用。可变电容电桥的重要特征有：1）高频交流正弦振荡波供应电源；2）电桥自动输出调幅波，要求其工作电源电压变化波动小，需应用稳幅、稳频等措施手段；3）除去平衡具体位置，不均衡的分布状态范围较大，因此需要在平衡具体位置周围，传感器才能获得较好的线性分布，并且在需求准确度高的场所应该应用自动智能平衡电桥；4）自动输出额定阻抗非常高（通常达几兆欧至几十兆欧），自动输出工作电压低，需要后接处理工作电路，电路要求具有高输入阻抗、高比例放大倍数的特点。②谐振作用法谐振作用法是在被测可变电容CX两侧并行联接一个固定感抗的额定电感L，然后接一个调频工作电源，修改调配数据信号源频次，使工作电路产生谐振。谐振的时候，CX表现的容抗与L表现的感抗相同，进而可计算得知CX。这类应用模式的优势是：频次作用范围宽，可以从几百千赫兹到几百兆赫兹；可适于微小可变电容测量确定。缺点不足是：不适于自动智能化；不适于在线联网测量确定。振荡处理法振荡处理法的理论是为了使CX能够约束系统的振荡频次，测量确定CX的主要工作转化成了测量确定采集电路的振荡频次。而频次的测量确定能够用计数控制器，也能够用频次与电压转换(FVC)积分控制器设备完成。振荡处理法又分RC与LC两大类。外围电路简答，可以使用555定时器的标准的振荡电路实现电容的测量，使用方便、快捷，成本低。计算放大设备法这类模式构成的工作电路的显著特征是能克服变极距型可变电容式液位传感器自身的非线性关联相互关系，从而使输出的电气数据信号能和自动输入的机械设备运动位移呈线性相互关系。在假设计算放大设备增益十分高与输入额定阻抗非常高的时候，参考依据基尔霍夫基本定律，自动输出的USC和动极片机械设备位移d成线性相互关系，并且和工作电源电压U、固定可变电容C0及可变电容式传感器的ε0与S等相关，所有参数中的任一参数的变化波动都将使自动输出产生误差，所以固定额定电容C0需要稳定，而对U也需要采用稳压措施手段。综合以上分析，基于方便、快捷、成本低等方面考虑，本课题电容测量电路延用改进前传感器电路，应用RC振荡处理法，使振荡频次受CX约束，测量确定CX的主要工作转为间接测量确定振荡频次。图1.3里，U3控制芯片是SE555D，是属于555体系计时控制芯片里的一类类型，是一个主要用途非常广泛并且成本相对较低的定时控制芯片，仅仅需要非常少的额定电阻与额定电容，就可以形成振荡电路，得到需要测量的震荡频率。该电路输出的电流大，多种要求能够自控的负载都可以直接驱动。定时控制准确度高、受温度影响小，并且价格低廉，是一类应用行业非常广泛的RC振荡集中工作电路，其内部包含了比较器、与非门、三极管等单元。图1.3电容测量电路1脚接电源VSS或接地，一般情况下接地，作为探杆外极板的连接引脚；8电源脚接工作电源VCC，需求作用范围1.5～16V，通常用5V；2控制脚是低激发终端TL，6控制脚是高激发终端TH，一般2控制脚、6控制脚相连作为探杆内极板的连接引脚；3脚为输出端，通常接入RC电路进行信号滤波处理；4置位脚是能够直接清零的引脚，当此短接低压电平，则时基工作电路不运行，这个时候无论TL、TH位于任何分布状态，时基工作电路自动输出是零，这个终端不用时一般接高压电平；5控制脚是操作控制工作电压端口，如果此端口外接工作电压，则可转变内部2个比较器设备的基本标准工作电压，当这个端口不用的时候，通常串入一只0.01μF额定电容连接大地，从而预防引进干扰影响。7放电脚是对外放电端口，在芯片的内部和对外放电的三极管集电极相互连接，用作定时设备可变电容对外放电运用。通过加入外围电路器件，使555的振荡频率在3000Hz～8000Hz内连续变化，供单片机采集信号。1.4单片机控制电路设计数据信息收集和处理功能模块是整个单片机控制工作电路的中心，而单片机设备又是是数据信息收集和处理功能模块的核心，操作控制整套体系的运行工作，主要包含：芯片初始化处理、数据信息收集和全面处理、变量设置等。所以单片机设备在整套体系里具备十分关键的作用。选择PIC16FXX单片机设备，是因为其可靠稳定，抗干扰能力强，芯片的损坏率低，PIC单片机所标明的典型参数一般都比同类产品高（如EEPROM的擦写次数，管脚的驱动能力，ADC的稳定性等），而且承受电源波动能力强。使用C高级语言编程，指令简单，便于编写，程序可读性强，包含多种强大的功能函数，可以方便调用。图1.4单片机控制电路为防止单片机干扰，在1脚电源端接入抑制性滤波器，不用引脚通常接上拉电阻进行保护。另外，PIC单片机有四种振荡方式可以选择，分别为HS，XT，LP与RC。HS是运用高于1.0兆赫兹的石英晶体振荡器设备，XT是运用1.0兆赫兹到1.0兆赫兹的石英晶体振荡器设备，LP是运用小于1.0兆赫兹的陶瓷振荡器设备，以上都是运用外界晶振，仅仅是所用晶振的材料性质与频次不相同。RC是不运用外界晶振，直接用内部之间的RC控制时钟工作电路。使用LP和RC的好处是功耗小，但是LP频率低，陶瓷振荡器输出的时钟精度不够高，RC的误差更大。而HS与XT由于是石英晶体振荡器设备，所得控制时钟比较精确，适合应用在多种串行接口、CAN等通讯场所，但是能耗比之LP与RC稍高。若要得到一个可靠性较高的电路系统，晶体的选用十分关键，这是由于在低供电工作电压的时候，晶体能够接收到激励功率较低，晶体起振非常缓慢或者根本起振不了。本课题选用12MHz高速晶振，其时钟周期就是1/1