電容式液位儀設(shè)計(jì)

1、電容式液位儀設(shè)計(jì)摘要：該液位計(jì)利用不同介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)的特性，使液面高度變化改變電容大小，建立線性方程，使得能通過(guò)檢測(cè)電容大小檢驗(yàn)出液面高度。本液位計(jì)一共分六個(gè)局部，由RC文氏震蕩電路，衰減電路，微分電路，濾波電路，整流電路和單片機(jī)檢測(cè)顯示局部組成。其中電容板與運(yùn)放組成微分電路，電容的大小與電路的輸出大小呈線性。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)整流后的輸出，得出頁(yè)面高度。此題的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)合理的濾波電路，難點(diǎn)是如何提高精度。2方案論證本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是測(cè)量平行探針的電容。并探索電容的容量與液體高度的關(guān)系。電容式傳感器檢測(cè)電路主要有交流半橋式檢測(cè)電路、充放電檢測(cè)電路、基于V/T變換的電容測(cè)量電路，交流鎖相放大電

2、容測(cè)量電路，分別論證如下。方案1:交流半橋式檢測(cè)電路AC電橋電容測(cè)量電路如圖2所示，其原理是將被測(cè)電容在一個(gè)橋臂，可調(diào)的參考阻抗放在相鄰的一個(gè)橋臂，二橋臂分別接到頻率一樣/幅值一樣的信號(hào)源上，調(diào)節(jié)參考阻抗使橋路平衡，那么被測(cè)橋臂中的阻抗與參與阻抗共腕相等。圖2交流半橋式檢測(cè)電路這種電路的主要優(yōu)點(diǎn)是：精度高，適合作精細(xì)電容測(cè)量，可以做到高信噪比。方案2:充放電檢測(cè)電路充/放電電容測(cè)量電路根本原理如圖3所示。由CMOS開(kāi)關(guān)S1,將未知電容Cx充電至Ve,再由第二個(gè)CMOS開(kāi)關(guān)S2放電至電荷檢測(cè)器。在一個(gè)信號(hào)充/放電周期從Cx傳輸?shù)綑z波器的電荷量Q=Ve-Cx,在時(shí)鐘脈沖控制下，充/放電過(guò)程以頻率f

3、=1/T重復(fù)進(jìn)展，因而平均電流Im=VeCxf,該電流被轉(zhuǎn)換成電壓并被平滑，最后給出一個(gè)直流輸出電壓Vo=RfIm=RfVeCxf（就檢波器的反應(yīng)電阻）。5 LJ . I?hrLTLTL圖3充放電檢測(cè)電路方案3基于V/T變換的電容測(cè)量電路V/T變換的電容測(cè)量電路根本原理如下列圖所示圖4電容檢測(cè)電路電流源Io為4DH型精細(xì)恒流管，它與電容C通過(guò)電子開(kāi)關(guān)K串聯(lián)構(gòu)成閉合回路，電容C的兩端連接到電壓比擬器P的輸入端，測(cè)量過(guò)程如下：當(dāng)K1閉合時(shí)，基準(zhǔn)電壓給電容充電至Uc=Us,然后K1斷開(kāi)，K2閉合，電容在電流源的作用下放電，單片機(jī)的部計(jì)數(shù)器同時(shí)開(kāi)場(chǎng)工作。當(dāng)電流源對(duì)電容放電至Uc=0時(shí)，比擬器翻轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)

4、器完畢計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值與電容放電時(shí)間成正比。方案4:交流鎖相放大電容測(cè)量電路交流型的C/V轉(zhuǎn)換電路根本原理如圖5所示。正弦信號(hào)Ui(t)對(duì)被測(cè)電容進(jìn)展鼓勵(lì)，鼓勵(lì)電流流經(jīng)由反應(yīng)電阻Rf、反應(yīng)電容Cf,和運(yùn)放組成的檢測(cè)器D轉(zhuǎn)換成交流電壓Uo(t)圖5交流鎖相放大電容測(cè)量電路假設(shè)jRfC1,那么為:上式說(shuō)明，輸出電壓值正比于被測(cè)電容值。為了能直接反映被測(cè)電容的變化量，目前常用的是帶負(fù)反應(yīng)回路的C/V轉(zhuǎn)換電路。這種電路的特點(diǎn)是抗雜散性、分辨率可高達(dá)0.4*1O15F。由于采用交流放大器，所以低漂移、高信噪比，但電路較復(fù)雜，本錢高，頻率受限。綜上所述，因交流放大的電路廣泛應(yīng)用在數(shù)字電壓表的電容檢測(cè)電路中，是

5、一種成熟的電路。為此準(zhǔn)備采用方案43.整體電路設(shè)計(jì)采用LM324設(shè)計(jì)的電容式檢測(cè)電路如圖6所示圖6電容檢測(cè)電路LM342部共有4個(gè)運(yùn)算放大器，其中A1構(gòu)成RC橋式振蕩電路，產(chǎn)生475Hz的交流信號(hào)；A2構(gòu)成衰減器，將信號(hào)按比例縮小至50mV;A3構(gòu)成電容檢測(cè)電路，輸出的交流電壓與液位成線性關(guān)系。A4構(gòu)成475Hz的帶通濾波器，最后通過(guò)檢波二極管將測(cè)量電流轉(zhuǎn)換成直流電壓，供單片機(jī)ADC測(cè)量。震蕩電路：本電路采用RC文氏橋式震蕩電路文氏電橋振蕩電路又稱RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩電路，它是一種較好的正弦波產(chǎn)生電路，適用于頻率小于1MHz,頻率圍寬，波形較好的低頻振蕩信號(hào)。從構(gòu)造上看，正弦波振蕩器是沒(méi)有

6、輸入信號(hào)的，為了產(chǎn)生正弦波，必須在放大電路里參加正反應(yīng)，因此放大電路和正反應(yīng)風(fēng)絡(luò)是振蕩電路的最主要局部。但是，這樣兩局部構(gòu)成的振蕩電路通常是得不到正弦波的，這是由于正反應(yīng)時(shí)不量是很難控制，幫還需要參加一些其他電路。下列圖即為運(yùn)算器組成的文氏電橋RC正弦波振蕩電路。用工KI文氏電橋RCI：弦波振蕩世麗圖中R3、R4構(gòu)成負(fù)反應(yīng)支路，R1、R2、C1、C2的呂并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成正反應(yīng)支路并兼作選頻網(wǎng)絡(luò)，二極管構(gòu)成穩(wěn)幅電路。調(diào)節(jié)電位器Rp可以改變負(fù)反應(yīng)的深度，以滿足振蕩的振幅條件和改善波形。二極管D1、D2要求溫度穩(wěn)定性好且特性匹配，這樣才能保證輸出小型正負(fù)半周對(duì)稱，同時(shí)接入R4以消除二極管的非線性影響

7、。假設(shè)R1=R2,C1=C2,那么振蕩頻率為fo1/2RC,正反應(yīng)的電壓與輸出電壓同相位此為電路振蕩的相位平衡條件，且正反應(yīng)系數(shù)為113。為滿足電路的起振條件放大器的電壓放大倍數(shù)AV3,其中AV1R/RRRPR4。由此可得出當(dāng)R52R3時(shí)，可滿足電路的自激振蕩的振幅起振條件。在實(shí)際應(yīng)用中R5應(yīng)略大于R3,這樣既可以滿足起振條件，又不會(huì)引起過(guò)大而引起波形嚴(yán)重失真本電路實(shí)際選用元件參數(shù)為：C1=C2=0.1uf.R1=R2=4.3K.R3=1.2K.R4=3.6K,其中RP為10K可調(diào)電阻，經(jīng)過(guò)調(diào)試，實(shí)際輸出為+-3.6V,頻率為475Hz,由于本液位計(jì)與頻率精度關(guān)系不大，只要輸出波形較好即可，后

8、續(xù)通過(guò)設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)將頻率濾除即可衰減電路：本設(shè)計(jì)采用反向加法電路通過(guò)調(diào)整系數(shù)為1/100到達(dá)衰減目的RK其中Uo=Ui*(Rf/R),本電路實(shí)際參數(shù)為使用R=36K,Rf=360歐，由于頻率較低，Rp阻抗匹配電阻不接微分電路：微分電路由檢測(cè)電容板與運(yùn)放組成，通過(guò)調(diào)整R8到達(dá)輸出目的Uo=-RCdt(Ui),由于實(shí)際應(yīng)用上，檢測(cè)電容板一般電容非常小，所以R8選擇參數(shù)較大的110K,實(shí)現(xiàn)放大的作用。濾波電路：經(jīng)過(guò)前面衰減電路的衰減與微分電路的放大，由運(yùn)放誤差，電容噪聲，液體復(fù)雜的環(huán)境等等給電路加上了非常多的噪聲，通過(guò)示波器可見(jiàn)，從50HZ到10M皆有，其中50Hz和1M最為嚴(yán)重，由于本設(shè)計(jì)震蕩電

9、路采用475hz并且伴有50hz的頻率漂移，故設(shè)計(jì)中心頻率為475hz,帶寬為100hz的二階有源濾波器。圖1所示是一個(gè)多路負(fù)反應(yīng)二階有源帶通濾波器，它使用單個(gè)通用運(yùn)算放大器通用運(yùn)放接成單電源供電模式，易于實(shí)現(xiàn)。它的上限截止頻率和下限截止頻率可以非常近，具有非常很強(qiáng)的頻率選擇性。令C1=C2=C,Req是R1和R2并聯(lián)的值。品質(zhì)因數(shù)Q等于中心頻率除以帶寬，Q=fC/BW。由式可以看出可以通過(guò)讓R3的值遠(yuǎn)大于Req來(lái)獲得大的Q值Q值越大，頻率選擇性越好，帶寬越小。反之那么反。令中心頻率為fc,那么計(jì)算公式如下:Req二鳥(niǎo) / R2-經(jīng)過(guò)計(jì)算，R1選1.6k,R2選30歐，R3選才?3.2k,電路

10、增益為1經(jīng)過(guò)示波器觀測(cè)，濾除頻率較穩(wěn)定，而且輸出與電容變化成比例，本設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵就是設(shè)計(jì)合理的濾波器，濾除波紋穩(wěn)定才能為下一步整流給單片機(jī)觀測(cè)提供穩(wěn)定數(shù)據(jù)。整流局部：如下圖，采用二極管與電容構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的整流電路，由于頻率不高,采用0.1uf的電容和肖基特二極管即可。GNDGNC單片機(jī)檢測(cè)與顯示模塊：本模塊采用STC12c5A60S2乍為主控芯片，利用其自帶的10位AD轉(zhuǎn)換檢測(cè)輸出電壓。通過(guò)LCD1602做顯示輸出。4安裝調(diào)試4.1電容檢測(cè)電路的測(cè)試1）信號(hào)源測(cè)試：用示波器測(cè)量A1的信號(hào)輸出，應(yīng)為正弦波，電壓幅度接近電源電壓。2）衰減器測(cè)試：用示波器測(cè)量A2的信號(hào)輸出，應(yīng)為正弦波，電壓幅度縮小

11、100倍。3）CV轉(zhuǎn)換電路測(cè)試：采用104的電容作為輸入電容，測(cè)量A3輸出的波形,波形較差。4）帶通濾波測(cè)試：測(cè)量A4輸出的波形，幅度與A3相近，但是波形更加完美。5）整流輸出測(cè)試。改變Cx的大小，測(cè)量C6兩端的輸出電壓，應(yīng)與電容大小顯著相關(guān)。4.2電容檢測(cè)電路的標(biāo)定：標(biāo)定容和方法如下：1零點(diǎn)調(diào)節(jié)：傳感器沒(méi)有插入水中，輸出電壓最低，應(yīng)接近0V;2滿度調(diào)節(jié)：全插入水中，調(diào)節(jié)電路的增益，輸出電壓最高為5V;3正反向分度測(cè)量：將液位從0開(kāi)場(chǎng)，每次加1cm,直至10g,再依次降低到00分別記錄液位和單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。表1標(biāo)尺標(biāo)定試驗(yàn)記錄表液位cm0123456789平均電壓V891512333363

12、974985916706708494數(shù)據(jù)處理,用EXCEL線性回歸，得出經(jīng)歷公式；采用5階方程擬合得。y=6E-07x5-0.0016x4+1.6329x3-736.96x2+264714x-2E+075程序設(shè)計(jì)程序分為四個(gè)局部，主程序，AD轉(zhuǎn)換程序，LCD顯示程序，擬合曲線與濾波算法。以下粘貼局部程序展示。AD轉(zhuǎn)換程序intad()intAA;ADC_CONTR=0 xC0;/開(kāi)A/D轉(zhuǎn)換電源,選擇AD速度P1ASF=0 x08;/選擇P1.4作為A/D轉(zhuǎn)換通道ADC_CONTR|=0 x8b;/啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換while(ADC_CONTR&0 x10)=0);/等待A/D轉(zhuǎn)換完畢ADC_C

13、ONTR&=0 xE7;/將ADC_FLAG清0AA=ADC_RES;AA=AAb)returna;elsereturnb;voidhigh_data()/濾波算法，選擇最高值為觀測(cè)值aa_max=max(aa_max,ad();floatmax_c(floatx)/擬合曲線floata;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(a0)a=0;returna;主程序：組合各個(gè)局部功能，循環(huán)檢測(cè)voidmain()intshu;P1=0;Delay4

14、00Ms();LCM_Init();delay_x100us(10);DisplayListChar(0,0,data:);while(1)for(i=0;i15000;i+)high_data();cc_sum=(aa_max+bb_min)/2;LCM_Writemand(0 x01,1);/顯示清屏LCM_Writemand(0 x06,1);/顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置LCM_Writemand(0 x0C,1);/顯示開(kāi)及光標(biāo)設(shè)置shu=max_c(aa_max)/100000;delay_x100us(10);DisplayListChar(0,0,waterdepth);delay_x10

15、0us(10);DisplayNUM(0,1,shu/100);delay_x100us(10);DisplayNUM(1,1,shu);delay_x100us(10);DisplayListChar(1,1,.);delay_x100us(10);/DisplayNUM(0,1,mid_c(cc_sum)/1000000);delay_x100us(10);aa_max=0;bb_min=9999;LCD顯示程序略。6誤差測(cè)試試驗(yàn)測(cè)試儀器和設(shè)備水桶，尺子，電容式液位測(cè)量?jī)x測(cè)試方法和步驟將儀器置于水中，用勺子將水澆至指定刻度值，觀察LCD顯示值測(cè)試結(jié)果與分析表2.誤差校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄水向圖度0123456789顯示刻度01.32.53.34.15.16.37.58.59.5滿度誤差03%5%3%1%1%3%5%5%5%經(jīng)過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)精度不如人意，誤差原因主要分兩局部一，整流局部未能將波形