智能电容式液位计系统设计

　　1　测量原理

　　电容式液位传感器利用液位的变化使电容值改变的原理进行测量。

　　本项目设计的电容式传感器的取样部件是分别涂上绝缘漆的两金属同心圆柱。它们作为电容的内、外两电极,如图1所示,其中:D、d分别为外电极内径和内电极外径;ε0、ε分别为空气和被测液体的介电常数;L为两极板相互重叠部分的长度,H为液位高度。

　　两极板间液体部分电容量C₁为:

空气部分电容量C₂为:

总电容量C为:

在液位为零时,初始电容量C₀为:

因此,在液位为H时,电容变化量C_X为:

　　由式(5)可知,对某一个介电常数固定为ε的液体,传感器的电容变化量与液位高度H成正比,而与圆柱体长度L无关。

　　2　硬件系统设计

　　智能电容液位传感器的硬件系统框图如图2所示。电容传感器作为555电路的槽路电容,实现电容的变化值和相应频率信号值的转换;频率信号通过光电耦合电路传给单片机,单片机及其外围电路完成频率量的精确测量和液位的计算;为了补偿环境温度对电容值的影响,用DS1820进行温度测量并通过单片机在软件上做修正;最后的实验结果显示在LED上。

　　2.1　电容-频率转换电路

　　图3为一个由555定时器构成的多谐振荡器。在这个电路中,定时元件由传感器电容C、串连电阻R_a和R_b组成。充电时间为τ₁=(R_a+R_b)Cln2;放电时间为τ₂=R_bCln2。当R_b R_a时,τ₁近似等于τ₂,输出为方波,其周期T为:

　　从式(6)可以看出,555电路的输出频率的周期与电容量成正比。无液体时电容量为C₀,则输出频率的周期T₀为:

那么所求电容值C_X为:

　　从式(8)可以看出,由于T₀、R_b都是不变的,输出信号F_out的周期与被测电容C_X为线性关系。

　　2.2　频率测量电路

　　精确测量频率的时序如图4所示。

　　选用单片机89C51的P1.0口作为Ready信号,P1.1和P1.2分别为预置阀门信号G和精确阀门信号P。将Ready信号和待测信号X相与后接入单片机的外部中断INT0。Ready为低时,INT0被屏蔽;Ready为高电平时,待测信号的上升沿触发INT0中断,在中断中置信号G和P高电平,同时启动定时器T2,通过计数器T0、T1对标准频率信号S和待测频率信号X进行计数。T0记录阀门时间Tp内通过的标准频率信号S的脉冲数N′s,T1记录时间Tp内通过的待测信号X的脉冲数N′X。T2的定时中断程序置阀门信号G为低电平,在信号G变低后的下一个待测信号X的上升沿,阀门信号P变低。当X上升沿再次触发INT0中断时停止计数器并使Ready信号变低,然后读出T0,T1,这样就可以求出待测信号频率fX: