电容式液位仪设计.docx

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部分， 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部分组 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相同 /幅值相同的信号源上，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，适合作精密电容测量，可以做到高信噪比方案2：充放电检测电路充/放电电容测量电路基本原理如图3 所示。

由CMOS开关S1,将未知电容Cx充电至V e,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Cx传输到检波器的电荷量Q=Ve・Cx，在时钟脉冲控制下，充/放电过 程以频率f=1/T重复进行，因而平均电流Im=Ve • Cx • 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 • Cx • f(Rf为检波器的反馈电阻) 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基本原理如下图所示 當權开关图 4 电容检测电路电流源 Io 为 4DH 型精密恒流管，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较器 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始工作当电流源对电容放电至 Uc=0 时，比较器翻转，计数器结束计数，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转换电路基本原理如图5所示正弦信号Ui(t)对被测电容进行 激励，激励电流流经由反馈电阻Rf、反馈电容Cf，和运放组成的检测器D转换 成交流电压 Uo(t)。

匕⑴弋■命令4⑴图5交流锁相放大电容测量电路若 j®RfCf>>1,则为：上式表明，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馈回路的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*10-15由于采用交流放大器，所以低漂移、高信噪比，但电 路较复杂，成本高，频率受限综上所述，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 43.整体电路设计采用 LM324 设计的电容式检测电路如图 6 所示[f]EUEGND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1 MHz ，频率围宽，波形较好的低频振荡信号从结构上看，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 大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈风络是振荡电路的最主要部分。

但 是，这样两部分构成的振荡电路通常是得不到正弦波的，这是由于正反馈时不量 是很难控制，帮还需要加入一些其他电路下图即为运算器组成的文氏电桥 RC 正弦波振荡电路文氏电析陀「||:_弦波振胡电跆图中R3、R4构成负反馈支路，R1、R2、C1、C2的吕并联选频网络构成正反馈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 反馈的深度，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 极管的非线性影响若R1=R2, C1=C2,则振荡频率为导1112 RC,正反馈的电压与输出电压同相位（此 为电路振荡的相位平衡条件），且正反馈系数为13为满足电路的起振条件放大器的电压 放大倍数Av >3,其中Av二1 +尺5竹R5二Rp + R4由此可得出当R5 > 2 R3时，可满足电 路的自激振荡的振幅起振条件在实际应用中R5应略大于R3，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 /1 00达到衰减目的。

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：R8微分电路由检测电容板与运放组成，通过调整 R8 达到输出目的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10Ohz的二阶有源滤波器图 1 所示是一个多路负反馈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0U：RQ:1Cfcex3waOPAMP1OKQ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,则汁算公式如下：「其中班z L舲经过汁算，R1选1.6k,R2选30欧,R3选择3.2k,电路増益为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 定数据整流部分：如图所示，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GND GNC单片机检测与显示模块:本模块采用 STC12c5A60S2 作为主控芯片，利用其自带的 10 位 AD 转换检测输 出电压通过 LCD1602 做显示输出4安装调试4.1电容检测电路的测试1) 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2) 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3) 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4） 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5） 整流输出测试改变 Cx 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开始，每次加 1cm，直至10g,再依次降低到 0分别记录液位和单片机 AD 转换数据表 1 标尺标定试验记录表液位（cm）0123456789平均电压（V）891512333363974985916706708494）数据处理，用 EXCEL 线性回归，得出经验公式；采用5 阶方程拟合得y = 6E-07x5 - 0.0016x4 + 1.6329x3 - 736.96x2 + 264714x - 2E+075 程序设计程序分为四个部分，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部分程序展示AD转换程序int ad(){ int AA;ADC_CONTR=OxC0； 〃开A/D转换电源，选择AD速度P1ASF=0x08; //选择 P1.4 作为 A/D 转换通道ADC_CONTR|=0x8b； //启动 A/D 转换while((ADC_CONTR&Ox1O)==0);//等待 A/D 转换结束ADC_CONTR&=0xE7； //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个周期比较，选择最高值为观测值，经过比较此算法比平均滤波法，最低值，中值法均更稳定。

unsigned int max(unsigned int a,unsigned b)〃 选择最高{if(a>b){return a;}else return b;}void high_data()〃滤波算法，选择最高值为观测值{aa_max=max(aa_max,ad());}float max_c(float x)// 拟合曲线{ float a;a=(6E-07*(pow(x,5)))-(0.0016*(pow(x,4)))+(1.6329*(pow(x,3)))-(736.96*(pow(x,2)))+(264714*x)-(2E+07)if(a<0) a=0;return a;主程序：组合各个部分功能，循环检测void main(){int shu;P1=0;Delay400Ms();LCM_Init();delay_x100us(10);DisplayListChar(0,0,"data:");while(1){for(i=0;i<15000;i++){high_data();}cc_sum=(aa_max+bb_min)/2;LCM_Writemand(Ox01,1);〃 显示清屏LCM_Writemand(0x06,1);// 显示光标移动设置LCM_Writemand(0x0C,1);// 显示开及光标设置 shu=max_c(aa_max)/。