基于單片機的電容式液位傳感器參數測量

呂淑平，于 巖

基于單片機的電容式液位傳感器參數測量

呂淑平，于 巖

（哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

設計制作了符合實驗教學要求的電容式液位傳感器參數測量實驗。通過555定時器構成的多諧振蕩器，將電容信號轉變為脈沖信號頻率的變化，輸給單片機進行實時檢測并計算出液位高度，觸發相應功能電路進行液位顯示和報警。設計了傳感器測量電路模塊﹑多諧振蕩器電路模塊﹑鍵盤與顯示電路模塊﹑電源電路模塊以及軟件程序，學生可根據具體需要設計不同量程的液位測量電路，應用場合和適用范圍廣。

電容式傳感器；液位測量；單片機

傳感器與檢測技術是一門實踐性、應用性很強的專業課[1]，在工業自動化控制領域得到廣泛的應 用[2-3]。液位檢測技術是一種利用液位敏感元件，當被測液體液位發生變化時，能夠把物理量變化通過相應的易于檢測的電信號變化檢測出來，實現液位到檢測信號的轉換[4]。目前液位測量方法有20多種[5]，其中電容式液位測量方法以其成本低、結構簡單、測量精度高的特點，成為最常用的方法之一[6]。

1 電容式液位傳感器工作原理

2 液位測量硬件電路設計

基于單片機的電容式傳感器進行液位測量整體設計方案如圖2所示。

圖2 液位測量整體設計方案

系統的主控部分采用STC12C5A60S2單片機，電容式傳感器將液位信號轉換成相應的電容量，經555定時器組成的多諧振蕩器將電容變化轉變為信號頻率變化，利用單片機定時器/計數器計量脈沖信號頻率，計算出液位高度。系統的硬件接口電路包括單片機最小系統電路、液位測量電路、555振蕩器電路、液位設定鍵盤電路、液位顯示電路、報警電路以及電源轉換電路等。

2.1 555多諧振蕩器電路

實驗中采用555定時器構成的多諧振蕩器作為信號發生電路，將制作的電容傳感器接入555振蕩電路中，把檢測到的電容信號轉換為單片機可以檢測的矩形脈沖信號，從而實現電容和頻率的轉換。555多諧振蕩器電路如圖3所示[11]。

圖3 555多諧振蕩器電路

555多諧振蕩器輸出的脈沖信號頻率為

2.2 數碼管顯示電路

由單片機計算出液位高度，經顯示電路實時顯示當前液位值。為使硬件電路簡單、低成本，實驗中采用4位一體的共陽極數碼管，利用循環掃描方式實現液位顯示[12]。數碼管顯示電路如圖4所示。

圖4 數碼管顯示電路

2.3 按鍵設定電路

實驗中采用獨立按鍵實現對液位報警上下限的設定，當有按鍵按下時，經過軟件程序延時去抖，判斷單片機對應引腳輸出為低電平，從而執行相應操作。此部分電路共設有S1—S55個按鍵。S1用于選擇液位的上、下限以及“確定”，當前3次按下S1時，分別表示“液位設定開始”“設置上限液位”“設置下限液位”，第4次按下S1時表示“確定”，此時返回主程序繼續執行其他程序。

僅當S1處于“設置”狀態時，S2/S3/S4/S5鍵按下才有效。這4個按鍵用于在液位報警上、下限設定時，對所設定個﹑十﹑百﹑千位進行增加操作。當相應的按鍵按下時，對應的位進行“加1”操作。

2.4 液位報警電路

實驗中要求液位超限報警，使用簡單的蜂鳴器就可以實現這一功能。電路如圖5所示。

圖5 報警電路接線圖

蜂鳴器的正極接到+5 V電源上，另一端接到三極管9012的發射極。由于單片機輸出電流不足以直接驅動蜂鳴器，所以此處接一個三極管9012實現電流放大作用。三極管的基極通過連接一個1 kΩ電阻接到單片機某一引腳上，引腳的高低電平實現對蜂鳴器的控制。

3 液位測量軟件設計

軟件程序主要由主程序、定時中斷服務程序、數據處理程序﹑按鍵程序﹑顯示程序和報警程序等組成。主程序主要完成參數的初始化、相關寄存器和I/O管腳配置、給定時器設置工作方式和賦始值、開中斷等工作。之后，程序進入按鍵掃描程序，對當前的按鍵狀態進行判定，從而決定是否執行按鍵處理程序，設定報警液位上、下限。按鍵程序處理完畢后，啟動單片機定時器/計數器工作，定時進入液位測量程序，進行數據處理，以顯示當前液位值，并判斷是否超限進行報警等功能。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

實驗時規定水位值刷新時間為0.1 s，設定TIMER0定時器每50 ms產生一次中斷，在中斷服務程序中，判斷進入中斷的次數，若為2次，定時0.1 s時間到，執行數據處理程序，即對計數器T1采集的脈沖信號次數進行處理，以及根據水位與頻率關系計算出液位 高度。

4 實驗參數測量

學生制作的電容式傳感器見圖7，液位測量電路實物圖見圖8。實際測量液位時，把電容式傳感器垂直置于待測液體中，下端接觸容器底部。測得電容-水位標定關系如圖9所示，電容值與水位高度近似呈線性關系。

圖7 電容式傳感器實物圖

圖8 液位測量電路實物圖

圖9 電容-水位關系曲線

5 結論

本文結合單片機設計制作的自動測量液位的電容式傳感器實現了以下功能：

（1）傳感器電路可以實時測量和顯示液位，能夠分辨1 mm水位，最大測量誤差在5%以下，可手動設置液位值的上、下限，實現超限報警；

（2）電容式傳感器原理簡單，電容與水位呈線性關系，可以很好地減小測量誤差，測量精度高；

（3）硬件電路結構簡單、制作成本低，可廣泛應用于水箱﹑水塔水位、汽車油位等測量，適用于多種場合的液位測量。

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[4] 楊小玲.液位測量技術研究[D].上海：上海交通大學，2003.

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Measurement of parameters of capacitive liquid level sensor based on SCM

Lü Shuping, YU Yan

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Based on the principle of capacitive signal conversion, the parameter measurement experiment of a capacitive liquid level sensor is designed and established, which meets the requirements of experimental teaching. Through the multivibrator composed of 555 timer, the capacitance signal is transformed into the frequency change of the pulse signal, which is input to the single chip computer for real-time detection and calculation of the liquid level height, triggering the corresponding functional circuit for liquid level display and alarm. The sensor measurement circuit module, multi-resonator circuit module, keyboard and display circuit module, power supply circuit module and software program are designed. Students can design liquid level measurement circuits of different ranges according to specific needs, which have a wide range of applications and applications.

capacitive sensor; liquid level measurement; SCM

TP212

A

1002-4956(2019)10-0046-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.011

2019-03-03

黑龍江省高等教育教學改革研究項目（SJGZ20180011）；黑龍江省教育科學“十三五”規劃課題（GBE1317040）

呂淑平（1963—），女，黑龍江哈爾濱，博士，教授，控制工程（電氣工程）實驗教學中心主任，主要研究方向為模式識別與智能系統、實驗室建設與管理。