电容式液位仪设计.docx
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电容式液位仪设计.docx
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电容式液位仪设计
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Ve,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。
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)。
图5交流锁相放大电容测量电路
若jωRfCf>>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*10-15F。
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4。
3.整体电路设计
采用LM324设计的电容式检测电路如图6所示。
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1MHz,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。
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
,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
。
为满足电路的起振条件放大器的电压放大倍数
>3,其中
。
由此可得出当
时,可满足电路的自激振荡的振幅起振条件。
在实际应用中
应略大于
,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1/100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:
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100hz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
Q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,则计算公式如下:
其中
经过计算,R1选1.6k,R2选30欧,R3选择3.2k,电路增益为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。
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)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
平均电压(V)
89
151
233
336
397
498
591
670
670
849
(4)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+07
5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
intad()
{intAA;
ADC_CONTR=0xC0;//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&0x10)==0);//等待A/D转换结束
ADC_CONTR&=0xE7;//将ADC_FLAG清0
AA=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。
unsignedintmax(unsignedinta,unsignedb)//选择最高
{
if(a>b)
{
returna;
}
elsereturnb;
}
voidhigh_data()//滤波算法,选择最高值为观测值
{
aa_max=max(aa_max,ad());
}
floatmax_c(floatx)//拟合曲线
{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(a<0)a=0;
returna;
}
主程序:
组合各个部分功能,循环检测
voidmain()
{
intshu;
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(0x01,1);//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)/100000;
delay_x100us(10);
DisplayListChar(0,0,"waterdepth");delay_x100us(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显示程序略。
6误差测试试验
6.1测试仪器和设备
水桶,尺子,电容式液位测量仪
6.2测试方法和步骤
将仪器置于水中,用勺子将水浇至指定刻度值,观察LCD显示值
6.3测试结果与分析
表2.误差校准试验数据记录
水面高度
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
显示刻度
0
1.3
2.5
3.3
4.1
5.1
6.3
7.5
8.5
9.5
满度误差
0
3%
5%
3%
1%
1%
3%
5%
5%
5%
经过测量,发现精度不如人意,误差原因主要分两部分
一,整流部分未能将波形整形至完全平滑曲线,输出电压不断跳动,经过测试发现,加入大电阻做负载可减少波动。
二,输出受水质影响较大,在不同水中有不同的拟合曲线。
因为电容未做绝缘处理,疑该为漏电流影响缘故,因时间不足,未能修正。
7.结论
本项目采用平行探针设计了一个液位传感器,采用LM324设计了一种电容传感器的信号处理电路。
标定试验表明,信号处理电路输出的电压与传感器的液位高度成线性关系。
采用单片机ADC采集了传感器的输出信号,并转换成数字显示在数码管上。
测试结果表明,测量围为0~9,测量误差小于5%。
附:
原理图
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- 电容 式液位仪 设计