電容式液位傳感器的系統及設計：

    液位測量常用的方法有滑動電位器法，電感線圈法，數字電容法等。滑動電位器法是目前中低檔汽車大多采用的檢測方法，但當油垢覆蓋電位器后，其阻值會發生變化，造成誤差過大，使此類油箱傳感器成為易損件。電感線圈法為現在汽車多采用的方法，但其結構復雜、成本高、無法廣泛使用。數字電容法是相對易實現、設計靈活、成本低、精度高的測量方法，但需解決線性度和補償校正等問題。

    汽油或柴油是具有電氣緣性的液體混合物，黏度低、流動性好、蒸發性強，測量對象的這些物理性為使用電容式液位傳感器創造了條件;另一方面，高速發展的微電子技術能夠以相對低廉的價格去實現小電容的測量，這種測量方案具有廣闊的市場前景。

1 硬件設計

1.1 電容式測量油量原理

    電容式傳感器是將被測非電量的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。電容式液位傳感器是以液位變化時，引起介電常數變化為原理的。當被測液體的液面在電容式圓柱形套筒電間變化時，引起電間不同介電常數介質的高度發生變化，從而導致電容變化。本電容傳感器采用圓柱形套筒結構。

    電容式傳感器外殼和內圓柱采用鈦合金材料，構成兩個電板，設外殼半徑為R1;內圓柱半徑為R2;汽油介電常數為ε0;真空中的介電常數為ε1;圓柱套筒的高度為H;液面的高度為L;忽略邊緣效應，當L=0時，傳感器處于零點，電容值z小，傳感器電容量

1.2 簡介

    是一款帶有單片機處理單元的電容測量的電容數字轉換單芯片方案，其內部結構原理。這種轉換測量原理提供了對于轉換時間范圍z小可達2μs的高精度時間轉換。芯片內部帶有一個48位DSP單元，這個處理單元將處理電容測量的信息，獲得測量數據，并將結果送到芯片輸出端口。所得數據將存放在內部RAM當中，而內部有OTP或者SRAM兩種方法編寫程序。

    有漂移和接地兩種連接電容傳感器的方式，由于本設計管腳資源充足，為提高抗干擾性，采用漂移連接法，電容傳感器通過屏蔽線直接連到，測得的電容值轉換成數字值，精度z高可達21位有效位，可通過讀取讀寄存器中待測電容與參考電容的比率從而計算出待測電容值。實驗設計量程為16～45 pF，而可測量范圍覆蓋達到幾F到幾百nF，所以滿足本設計對于測量范圍的要求。

    電容傳感器數據可在芯片內部進行校準，然后通過SPI或者I2C數據串行接口進行傳送。帶有標準固件，提供了20個配置和參數寄存器以及12個讀寄存器。

1.3 數字電容式液位傳感器應用系統

    本設計通過帶有的標準固件03.01.xx配置電容測量寄存器并進行讀取，選擇STM32F103ZET6通過I2C串行總線接收來自數字電容測量值，然后將數據發送至LCD屏顯示。

    這里采用單一傳感器漂移模式，根據電容傳感器測量數據選擇20 pF陶瓷電容為參考電容連接在PC0和PC1兩端，待測電容連接在PC2和PC3兩端。設置配置寄存器為漂移單一電容模式，內部放電電阻為90 kΩ，選擇電容測量的觸發源為持續觸發模式。

    通過讀寄存器Res1讀到的是C/C參舞考比率，無符號固定點數帶有3位整數和21位小數，數值為0～7.999 9，精度為0.477×10-6。雖然有著內部接地補償和外部漂移寄生電容補償，但為了保證系統可靠運行和高精度測量，還要解決好外圍電路的抗干擾和屏蔽問題，其中去耦電容的選擇以及電源的穩定性都是系統硬件設計的重要環節。

2 軟件結構設計

    部分主要包括寄存器的配置，以及電容數據采集模塊;STM32F103ZET6部分主要包括與的串行通訊和與LCD屏通訊顯示數據兩部分。部分軟件采用匯編語言編寫，STM32F103ZET6部分軟件則使用C語言編寫。

2.1 部分軟件設計

    在軟件開發評估過程中，是將固件寫到SRAM中的。SRAM地址空間為4 k x 8 bit。開始上電后發送0x88，這個命令將復位所有狀態。發送8位數據至000到FFF的任意SRAM地址并從此地址再讀回數據，進行通訊測試后再次發送操作碼0x88狀態全復位。數據發送至SRAM后，就可按照設計要求進行配置寄存器的設置了。設計選擇的是單一漂移電容模式，一個傳感器，一個參考電容，*補償，內部放電電阻為90 kΩ，持續觸發，電容測量的循環時間為20μs。電容測量的循環時間是一個重要的CDC參數，需要注意電容放電時間的大小，設置的循環時間一定要足夠長，默認情況下設置的循環時間>2倍的放電時間，所以選擇20μs可以滿足設計要求。配置寄存器設置完后發送部分復位操作碼0x8a和開始電容測量指令0x8c，等待100 ms后就可從Res1寄存器中讀取C/C參考的比率。

2.2 STM32F103ZET6部分軟件設計

    STM32F103ZET6是一款基于ARM Cortex—M3內核的32位處理器，內部帶有I2C硬件接口。如今I2C總線協議已成為芯片間低速串行通信的事實標準，應用范圍將越來越廣。I2C總線在傳輸數據過程中共有3種類型信號，分別是開始信號、結束信號和應答信號。在讀時序中，STM32F103ZET6在發送開始信號后的第1個Byte就要發送一個單的7位設備地址，Pcap01作為從機的設備地址為1010000。STM32F103ZET6接收到數據，進行數據轉化后濾波，再通過8位數據總線的并行接口發送至LCD液晶屏顯示。軟件流程圖如4所示。

3 實驗驗證與結果分析

    為驗證系統的測量精度和性能，對樣機進行了實驗測試，采用30 cm高度的電容式傳感器和93號汽油在自行設計的實驗平臺上進行多次實驗。

3.1 精度分析

傳感器測得的電容值與參考電容的比率C/C參考存放于Pcap01的Res1寄存器中，對10 cm和20 cm高度的汽油進行多次測量。

Pcap01的測量比率范圍為0～7.999 9，從測量結果可以看到，24位的測量結果可以穩定在高12位，去除整數位，小數位可以穩定在9位，則測量精度為20/(29-1)=0.04 pF。

3.2 線性度分析

由式(1)可知，電容C與液面高度x成正比關系，圖6為測量范圍0～35cm，進給量為0.5 cm時的傳感器電容值與高度值的變化曲線，從圖中可以看出，系統具有較好的線性度。

4 結束語

本文利用電容轉數字芯片Pcap01，結合STM32對于電容數據的處理，充分考慮了信號的屏蔽與抗干擾等問題，通過在自行設計的實驗平臺上進行的測量精度與線性度分析實驗顯示系統具有較高的可靠性。利用Pcap01設計的液位傳感器系統具有結構簡單、精度高、測量范圍廣的點，適合用于油箱、油庫等的液位測量中。

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