基于Pcap01的电容式液位传感器系统设计

ACAM_PCap01 电容测试芯片.

外部PT1000系列
-1.1 ppm/K 2830 ppm/K
3830 ppm/K
20℃，应用内部铝/聚乙烯硅参考下的精度值
测量条件无平均 2次假测量 R2/Rref 0.825 RMS噪声 50 ppm 典型RMS噪声温度 25 mK
16次平均 8次假测量
0.823
10 ppm
5 mK
管脚及封装
内置标准固件03.01xx
支持单端及差分接地传感器，支持单端及差分悬空传感器可以通过接地电容补偿芯片内部寄生电容，可以通过悬浮电容补偿内部及外部寄生电容可以通过内部或外部温敏电阻测量温度提供未经处理的电容及电阻比率输出
市场概述
定位中、高端，电容式传感器应用
或称电容式变送器包括电容式湿度、位移、压力、力、加速度、倾角、液位传感器等应用
管脚定义
QFN32 QFN24
封装
裸片 2.04 mm x 1.54 mm，线宽120 µm QFN32 5 mm x 5 mm QFN24 4 mm x 4 mm
CDC测量
Cycle Time
充电 + 放电时间
外部电路
补偿测量
寄生电容
通过接地电容，补偿内部的寄生电容以及内部比较器延迟通过悬空电容，补偿外部的对地寄生电容
PCap01方案
极少BOM 接地模式下，可测量8路电容悬空能够模式下，可测量4路电容 (零电势、零偏压) 精度最高可达 6 aF @ 5 Hz, 10 pF基础电容 17-b @ 5 Hz, 100 pF基础电容, 10 pF激励电容测量频率最高可达500 kHz 测量功耗低至4 µA @ 3 Hz, 13.4-b 超高温度稳定性低失调漂移：30 aF/K 低增益漂移

基于Pcap01的电容式液位传感器系统设计

基于的电容式液位传感器系统设计P cap 01 夏吉，杨业汕，陈兴(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009)摘要为精确测量汽车油箱油量，利用电容量随极板间介质变化的原理，设计了基于电容转数字芯片 P ca p01 的电容式液位传感器测量系统。

采用柱形电容传感器等措施，减小了寄生和杂散电容，并通过 Pcap01 内部寄存器的设置，实现了数据校准。

该系统在自行设计的实验平台上进行了多次实验，结果表明，系统具有良好的精度和线性度，并最终提出了电容式液位测量方案。

关键词 P ca p01; 电容传感器; 液位测量中图分类号文献标识码文章编号1007 － 7820(2014)10 － 055 － 04 TP274. 5AD es i gn of a Capacitance Method Liquid Level Sensor S ys t e m Based on Pcap01XIA J i ，YA NG Yashan ，CHEN X i ng(Schoo l of Electronic Sc i ence and A ppl i ed Phy s i cs ，H efe i Univ e r s i ty of T echno l og y ，H efe i 230009，Chi na ) Ab s t r ac t In order to measure pe t r o l in the fue l t a nk ，ut ili z i ng the pr i nc i pl e of capac i t ance which changes wit h the change of the t r ansm i ss i o n medium between plates ，a capac i t i v e liquid l e v e l s enso r system has been des i gned based on Pcap01 chip which transfers capac i t ance to the di g i t a l mode by co nt a i ni ng a m i c r oco nt r o ll e r ( MCU )． F o r the purpose of data ca li br a t i o n ，t he c y li nd r i ca l capac i t i v e s enso r has been a ppl i ed to reduce pa r as i t i c capac i t ance as we ll as the se tt i ng of the i nt e r na l r eg i s t e r of Pcap01 c hi p ． This system has been tested repeatedly in an e x pe r i me nt a l pl a t fo r m ． Ex pe r i me nt s show that this system has good accuracy li nea r i ty ． T hus ，thi s capac i t i v e liquid l e v e l s ens o r system has been pr ese nt ed ．K e yword s Pcap01; capac i t i v e sensor ; liquid l e v e l meas ur eme nt随着汽车工业正向着节能、高速、经济的方向发展，使得现代汽车均采用数字化系统设计。

基于PCap01的智能多段式电容汽包水位计设计

测汽包水位的方法。当前汽包水位的检测多采用多种仪表，多点检测的方法。
目前用于汽包水位调节的传感器主要是差压式水位
了传感器的智能化。
１多段式电容液位传感器设计及其测量原理
多段式电容传感器】，由两个半径为ｒ和ｒ：的两个简状极板构成，外极筒作为一个整体。多段筒型电容结构原理图如图ｌ所示。
Ｄｏｉ：１０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－０１３４．２０１５．０３（上）．４１
０引言
汽包水位是自然循环锅炉运行中重要的监视参数，关系到电厂的安全经济运行。汽包水位过高，会使蒸汽的品质恶化，严重时造成汽轮机水击，汽包水位过低，会破坏锅炉的水循环，严重时造成水冷壁大面积爆管；机组运行中，工况变化大，汽包水位在锅炉负荷突然增加时，表现为 “ 逆响应特性 ”，即 “ 虚假水位 …”现象，随着锅炉蒸发量的增加，汽包的容积相对变小，从正常水位到事故水位只需要十几秒的时间，汽包内结构复杂，汽包内各处不在同一水平面上，因此，准确测量
步应用电容液位计］，其中的电容检测主要有振荡法，
充放电法，交流电桥法等。本文设计的基于电容数字转
换技术的电容液位传感器，能够实现温度压力的自动补

传感器课程设计基于电容压力传感器的液位测量系统设计

目录一、项目叙述 (1)二、电容式液位传感器的结构与测量原理 (1)2.1电容式液位传感器的结构 (1)2.2电容式液位传感器的工作原理 (2)三、测量电路设计 (3)3.1测量电路 (3)3.2整流电路 (6)3.3放大电路 (7)四、误差分析 (8)4.1机械结构参数的影响 (8)4.2测量电路的影响 (8)五、结论 (8)六、明细表 (9)d AC ε=基于电容压力传感器的液位测量系统设计一、项目叙述在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需要对液位进行精确测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。

二、电容式液位传感器的结构与测量原理2.1电容式液位传感器的结构电容式传感器是把被测的非电量转换为自身电容量变化的一种传感器。

这些被测量是用于改变组成电容器的可变参数而实现其转换的。

电容式传感器的基本工作原理可以用最普通的平行极板电容器来说明。

两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为：（1）公式中 ε—— 电容极板间介质的介电常数；A ——两平行板所覆盖的面积；d ——两平行板之间的距离。

因此只要改变其中的一个参数，就会引起电容量的变化，根据这一电容结构关系可构成变极距电容传感器，变面积型电容传感器和变介质型传感器、用于测量液位的电容式传感器。

是利用容器中的物料为恒定的介电常数时，极间电容正比于液位的原理而构成的，并应用电子学方法测量电容值，从而探测液面位置信息。

特点是液位测量只与电容结构有关，与物料的密度无关根据这一特点，可采用圆筒形结构构成变面积型的液位传感器，这种传感器结构的探头是由这两个电极极板构成，通过气、液或料相介质的高度不同引起极间电容改变来探测物面位置的。

其结构十分简单轻巧，便于安装、维护与使用。

电容式液位传感器的电极结构如图1所示。

图1适用于导电容器中的绝缘液体的液位测量，且容器为立式圆筒形，容器壁为一极，沿轴线插入裸金属棒作为另一极电极，其间构成的电容 C X 与液位成比例，也可悬挂带重锤的软导线作⎪⎭⎫ ⎝⎛H =d D Cln 2122πε()⎪⎭⎫ ⎝⎛-=d D H H C ln 21011πε()101120ln 2H C d D C K +=H -⎪⎭⎫ ⎝⎛+εεπ()()[]1120112101ln 2ln 2ln 2H -+H ⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛H -H εεεππεπεd D d D H d D 21C C C X +=为电极。

电容式水位传感器工作原理

电容式水位传感器工作原理嗨，朋友！今天咱们来唠唠电容式水位传感器这个超有趣的小玩意儿的工作原理。

你看啊，电容式水位传感器呢，就像是一个超级敏锐的小侦探，专门用来侦查水位的高低。

那它是怎么做到的呢？这得从电容的基本原理说起啦。

电容呢，简单来说就像是两个小伙伴在玩一种特殊的“电荷游戏”。

它有两个极板，这两个极板就像两个小房子，电荷可以住在里面。

当这两个极板之间有了某种物质的时候，这个电容的特性就会发生变化。

这就好比两个小房子中间的空地被填满了一部分东西，那住在里面的电荷的活动空间就改变了。

对于电容式水位传感器，它的这两个极板的位置可是很有讲究的。

一般情况下，一个极板在容器的内壁，另一个极板可能就在水面附近或者是通过某种巧妙的设计与水产生关联。

当容器里没有水的时候，这两个极板之间是空气或者是其他固定的介质。

这个时候，电容就有一个初始的数值。

可是，一旦水开始进入容器，情况就变得超级有趣了。

水可是一种电介质哦，它比空气更容易让电场通过。

就好像是一群热情的小助手，一下子涌进了两个极板之间的空间。

水的进入改变了极板之间的电介质环境。

原本平静的“电荷小世界”就被打乱啦。

随着水位的上升，水这个电介质在极板之间占据的空间越来越大。

这就使得电容的值不断地发生变化。

你可以想象成，水在一点点地“挤走”原本的空间，然后把自己的“电介质魔法”不断地施加在电容上。

而且这个变化可不是毫无规律的哦。

水位越高，水占据的空间越大，电容的变化就越明显。

就像是一个信号不断地在增强，这个增强的信号就可以被传感器检测到啦。

传感器检测到电容的变化之后呢，它就会把这个变化转化成我们能够理解的信号，比如说电信号。

这个电信号就像是一个小信使，它会跑去告诉那些需要知道水位信息的设备，像水位控制器之类的。

“水位变啦，现在是这么高啦！”然后那些设备就可以根据这个信息来做出相应的动作。

比如说在一个水箱里，如果水位太低了，根据电容式水位传感器传来的信号，可能就会启动水泵开始往水箱里加水；如果水位太高了呢，就会停止加水，防止水溢出来。

ACAM_PCap01 电容测试芯片

温敏系数Tk -1.1 ppm/K 2830 ppm/K 3830 ppm/K
▪ 20℃，应用内部铝/聚乙烯硅参考下的精度值
测量条件
无平均 2次假测量 16次平均 8次假测量
R2/Rref 0.825 0.823
RMS噪声 50 ppm 10 ppm
典型RMS噪声温度
25 mK
5 mK
管脚及封装
➢ 悬空电容，外部补偿测量
补偿测量
➢ 悬空/接地电容，内部补偿测量
演示套件
➢ PCap01-EVA-KIT
▪ PCap01-MB主板 ▪ PC01-AD插入模块 ▪ PICOPROG V2.0编程器 ▪ 高密度DSUB15连接线 ▪ USB连接线 ▪ 电源壁盒 ▪ CD-ROM
数据手册基于Windows操作系统的评估软件
单芯片电容测量方案 - PCap01
Zorro, Huang Sunfeng ACAM China Sales Representative
PCap01 – 内置DSP的电容测量专用SoC
➢ 基于专利的PICOCAP测量原理的前端转换单元
▪ 高精度，最小转换时间2 µs ▪ 高灵活度 ▪ 高速，低功耗
单芯片电容测量方案单芯片电容测量方案pcap01pcap01zorrohuangsunfengacamchinasalesrepresentativepcap01内置dsp的电容测量专用soc?基于专利的picocap测量原理的前端转换单元?高精度最小转换时间2?s?高灵活度?高速低功耗?内置标准固件0301xx内置标准固件030?支持单端及差分接地传感器支持单端及差分悬空传感器?可以通过接地电容补偿芯片内部寄生电容可以通过悬浮电容补偿内部及外部寄生电容?可以通过内部或外部温敏电阻测量温度?提供未经处理的电容及电阻比率输出市场概述?定位中高端电容式传感器应用?或称电容式变送器?包括电容式湿度位移压力力加速度倾角液位传感器等应用?中国市场每年1千万只以上需求法国humire电容式湿度传感器德国microepsilon电容式位移传感器德国inficon电容式压力传感器英国gill电容式液位传感器核心优势竞争方案ad7746?较多bom需外接mcu或dsp仅可测量2路电容测量频率1090hz精度最高可达4ff4ff21b有效精度典型测量功耗07ma温度稳定性1af芯片成本5001ku???pcap01方案?极少bom接地模式下可测量8路电容悬空能够模式下可测量4路电容零电势零偏压精度最高可达6af5hz10pf基础电容6af5hz10pf基础电容17b5hz100pf基础电容10pf激励电容测量频率最高可达500khz测量功耗低至4?a3hz134b超高温度稳定性低失调漂移

基于电容压力传感器的液位测量系统设计

矩量法matlab 程序设计实例：Hallen 方程求对称振子天线一、条件和计算目标已知：对称振子天线长为L ，半径为a ，且天线长度与波长的关系为λ5.0=L ,λ<<<<a L a ,,设1=λ，半径a=0.0000001,因此波数为πλπ2/2==k 。

目标:用Hallen 方程算出半波振子、全波振子以及不同λ/L 值的对应参数值。

求：（1）电流分布（2）E 面方向图（二维），H 面方向图（二维），半波振子空间方向性图（三维）二、对称振子放置图图1 半波振子的电流分布半波振子天线平行于z 轴放置，在x 轴和y 轴上的分量都为零，坐标选取方式有两种形式，一般选取图1的空间放置方式。

图1给出了天线的电流分布情况，由图可知，当天线很细时，电流分布近似正弦分布。

三、Hallen 方程的解题思路()()()()21''''12,cos sin sin 'z zi z z z z i z kz G z z dz c kz c kz E k z z dz j ωμ'++=-⎰⎰对于中心馈电的偶极子，Hallen 方程为()22'1222('),'cos sin sin ,2LL iL L V i z G z z dz c kz c kz k z z j η+--++=<<+⎰脉冲函数展开和点选配，得到()1121,''cos sin sin ,1,2,,2nnNz in m m m m z n V I G z z dz c kz c kz k z m N j η+''=++==⋅⋅⋅∑⎰上式可以写成 1122,1,2,,N nmn m m m n Ip c q c s t m N -=++==⋅⋅⋅∑矩阵形式为⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----N N N N N N N N N N N t t t t c c I I I s q p p p s q p p p s q p p p 121211321,322,21,223221,11,11312,,,,,,,,,,,,, 四、结果与分析（1）电流分布图2 不同λ/L 电流分布图分析：由图2可知半波振子天线λ/L =0.5的电流分布最大，馈点电流最大，时辐射电阻近似等于输入电阻，因为半波振子的输入电流正好是波腹电流。

电容压力传感器液位测量系统设计

基于电容压力传感器的液位测量系统设计姓名:张宜静班级：电气自动化二摘要：电容式压力传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测压力的变化转换为电容量变化的一种传感器，具有结构简单、高分辨率、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作的独特优点。

随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。

一种测量水位用的电容式传感装置。

电容式传感体将电信号输入线性电容检测电路，促使其方波发生电路与单稳态电路输出脉冲送入与门电路进行复合，从而使与门输出的脉宽变化线性地反映传感体浸入水中后增加的所测量可变电容的变化。

而线性修正电路则弥补检测电路输出所造成的非线性误差。

本实用新型线性好，性能指标优良，线路简便。

关键词：传感器、压力、电容、测量引言：传感器的研究始于二十世纪三十年代，它是研究非电量信息与电量间转换的一门跨学科边缘技术科学。

早期传感器是模拟式传感器，现在常称为传统传感器。

随着高性能计算机测控系统的发展，当系统对传感器提出数字化、智能化要求后，传统传感器不再与系统向适应。

控制系统要求传感器输出数字信号，并具备较强的信息处理和自我管理能力，以实现信息的采集与信息的预处理，减轻控制计算机的数据处理负担和提高整个测控系统的可靠性。

电容传感器的基本理想公式为：改变A 、d 、ε 三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。

1 液位电容式传感器测量原理：导电液体电容式传感器主要利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化的关系进行液位测量。

图1为传感器部分结构原理图：2 液位测量系统设计：该系统是由数据测量电路和单片机检测监控系统两个部分组成。

首先，被测电路由电容式传感器与二极管环形桥路组成，如图2所示0 r A A C d dεεε==图1当液体处在圆柱形电极与圆柱形容器之间，由于液面高度不同，引起介电常数变化，导致电容量的变化。

电容式液位传感器设计

一设计原理本设计采用筒式电容传感器采集液位的高度。

主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。

由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大。

从放大电路出来的是模拟量，因此送入ADC0809转换成数字量，ADC0809连接于单片机，把信号送入单片机。

通过单片机控制水泵的运转。

显示电路连接于单片机用于显示水位的高度。

该显示接口用一片MC14499和单片机连接以驱动数码管。

二传感器设计.(1)传感器原理电容式液位传感器系统; 它利用被测体的导电率, 通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化, 再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示,该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能, 并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。

(2)传感器的组成图3-1-2 为传感器部分的结构原理图。

它主要是由细长的不锈钢管(半径为R1 ) 、同轴绝缘导线(半径为R0 ) 以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。

该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化, 从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。

图3-1-2传感器原理图(3) 测量原理由图1 可知, 当可测量液位H = 0 时, 不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容C0 , 根据文献得到电容量为:（1）式中, C0 为电容量, 单位为F ; ε0 为容器内气体的等效介电常数,单位为F/ m; L 为液位最大高度; R1 为不锈钢管半径;R0 为绝缘导线半径, 单位为m。

当可测量液位）为H 时, 不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容CH :（2）式中, ε为容器内气体的等效介电常数, 单位为F/ m。

因此, 当传感器内液位由零增加到H 时, 其电容的变化量ΔC 可由式(1) 和式(2) 得（3）由式可知, 参数ε0 , ε, R1 , R0 都是定值。

电容式液位计课程设计

电容式液位计课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解电容式液位计的工作原理与构造，掌握其测量液位的物理基础。

2. 学会分析电容式液位计的电路图，并能解释各部分的功能和相互关系。

3. 掌握影响电容式液位计测量精度的因素，能够列举并解释至少三种主要影响因素。

技能目标：1. 能够运用所学的知识，正确操作电容式液位计进行液位的测量。

2. 通过实践，学会对电容式液位计进行简单的故障诊断和校准。

3. 能够设计简单的液位控制电路，并运用电容式液位计作为传感部件。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对物理传感器在工业控制中应用的兴趣，激发学生探索工程技术的热情。

2. 增强学生的团队合作意识，通过小组合作完成实验和项目设计。

3. 培养学生严谨的科学态度，认识到精确测量在工业生产中的重要性。

分析：本课程针对高中年级学生，他们已具备基础的物理知识和一定的电路原理理解能力。

课程性质为实践性与理论性相结合，要求学生在理解电容式液位计理论知识的基础上，通过实践活动加深理解，并将知识应用于解决实际问题。

课程目标旨在通过理论与实践的结合，提升学生的知识应用能力和实践操作技能，同时培养对物理学科的兴趣和正面价值观。

通过具体的学习成果分解，教师可依据目标进行教学设计和评估学生的学习效果。

二、教学内容1. 理论知识：- 电容式液位计的工作原理与物理基础。

- 电容式液位计的电路分析与各部分功能。

- 影响测量精度的因素，包括介质特性、传感器间距、温度等。

- 传感器在工业控制中的应用案例分析。

2. 实践操作：- 电容式液位计的组装与操作流程。

- 液位测量实验，包括不同介质下的测量对比。

- 简单故障的诊断与校准方法。

- 设计并实现一个简单的液位控制电路。

3. 教学大纲安排：- 章节一：电容式液位计的基础知识（1课时）- 章节二：电容式液位计的电路分析与功能（1课时）- 章节三：影响测量精度的因素及解决方案（1课时）- 章节四：实践操作与实验（2课时）- 章节五：液位控制电路设计与实现（2课时）4. 教材关联：- 教科书第三章：传感器及其应用。

电容式液位传感器

• 插入式安装：将电极插入液体中
• 安装绝缘介质
• 非插入式安装：将电极安装在容器壁外
• 连接引出线和测量电路
• 潜水式安装：将传感器安装在潜水设备上
• 安装壳体和保护装置
电容式液位传感器的调试方法与技巧
调试方法
• 检查电极和绝缘介质是否完好
• 调整检测电路参数，提高测量精度
• 进行液位标定，确定液位与电容值的关系
• 检查引出线和测量电路，保证电路畅通
• 定期进行性能检查，保证使用寿命
06
电容式液位传感器的发展趋势与市场前景
电容式液位传感器的技术发展趋势
提高测量精度和稳定性
• 采用先进的检测方法和电路设计
• 提高电极和绝缘介质的性能
扩展应用领域
• 开发适用于不同液体和环境的传感器
• 集成化和智能化发展，提高系统集成度
• 系统集成和自动化设备控制
03
电容式液位传感器的优点与缺点
电容式液位传感器的优点分析
安装维护简便
• 安装方式灵活，易于维护
• 成本低，使用寿命长
高精度
• 可以实现高精度液位检测和控制
• 适用于各种液体的液位测量
抗干扰能力强
• 对环境干扰和液体杂质不敏感
• 适应各种复杂环境
电容式液位传感器的缺点分析
02
绝缘介质设计
• 选择合适的绝缘材料
• 考虑绝缘介质的耐压性能
03
检测电路设计
• 选择合适的检测方法
• 考虑电路的抗干扰能力
电容式液位传感器的选型原则

根据液位测量精度要求选择
• 高精度测量场合选择频率调制法或桥式电路法
• 低精度测量场合选择恒定电流法

电容式液位传感器的设计

电容式液位传感器的设计李一峰;吴振陆;樊海红【期刊名称】《广东海洋大学学报》【年(卷),期】2015(35)1【摘要】设计了一种基于单片机的电容式液位传感器，主要由单片机系统、555定时器、液晶显示屏组成。

单片机作为主要控制的部分，控制系统所有的部分，接收555定时器方波信号并读取出其频率，将频率转换成液位高度，显示到LCD1602液晶显示屏幕上，软件计算液位高度，减小了电容与频率转换的线性误差，最终实现算法的设计。

%Capacitance type liquid level sensor based on single chipwas designed. The system consists of single-chip microcomputer system, 555 timer, LCD screen. Single chip microcomputer, as the main control part, control all part of the system, receive a 555 timer square wave signal and read out the frequencywhich is transformedintothe height of liquid level and is displayed on the LCD1602 liquid crystal screen.The liquid level height is calculated by software, by reducing the linearity error of capacitance and frequency conversion,and finally the algorithm is designed.【总页数】5页(P90-94)【作者】李一峰;吴振陆;樊海红【作者单位】广东海洋大学信息学院，广东湛江524088;广东海洋大学信息学院，广东湛江 524088;广东海洋大学信息学院，广东湛江 524088【正文语种】中文【中图分类】TP212【相关文献】1.基于CAV444的电容式液位传感器设计与优化 [J], 赵明;汤晓君;张徐梁;张涛;寇福林2.基于Pcap01的电容式液位传感器系统设计 [J], 夏吉;杨业汕;陈兴3.基于充放电原理的电容式液位传感器测量电路的设计 [J], 程卫丹;巴鹏;任希文;欧周华4.基于充放电原理的电容式液位传感器测量电路的设计 [J], 程卫丹;巴鹏·任希文;欧周华5.基于CAV444的电容式液位传感器设计 [J], 周燕因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于Pcap01的电容式液位传感器系统设计

ａ叶技２０１４年第２７卷第１０期
ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．／Ｏｃｔ．１５．２０１４
基于Ｐｃａｐ０１的电容式液位传感器系统设计
夏吉，杨业汕，陈兴
（合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥
ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅａｓｕｒｅｐｅｔｒｏｌｉｎｔｈｅｆｕｅｌｔａｎｋ，ｕｔｉｌｉｚｉｎｇｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｗｈｉｃｈｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｅｄｉｕｍｂｅｔｗｅｅｎｐｌａｔｅｓ，ａｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ
ＸＩＡＪｉ，ＹＡＮＧＹａｓｈａｎ．ＣＨＥＮＸｉｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃ００９）
为精确测量汽车油箱油量，利用电容量随极板间介质变化的原理，设计了基于电容转数字芯片ＰｃａｐＯ１

基于Pcap01的微电容测量系统设计

对应的功能。系统软件需要执行的功能为：实现各模块的初始化，各模块的基本配置，三个模块之间互相的通信，Pcap01 电容的检测和显示模块数据的显示等。系统工作流程图如图 7 所示。
第 17 卷第 18 期 (2021 年 6 月) 表 2 24-bit 操作码命令
表 3 32-bit 操作码命令
图 7 系统工作流程图 STM32 单片机作为本设计输出处理和传输的中介，需要分别与 Pcap01 电容检测模块和显示模块 ssd1306 建立通信和数据传输。Pcap01 兼容 IIC 和 SPI 两种通信协议，其作为从机当其被 STM32 控制时，可以在电路中通过给芯片的 IIC_EN 管脚接地或者高电平来选择两种通信方式的其中一种，本设计选用 IIC 让电容检测电路与单片机通信，那么我们需要给 IIC_EN 管脚提供高电平。在 IIC 上，每一个从机都有单独的 7 位地址 bit，这个地址码必须在起始信号开始之后，作为以一个 Byte 发送出去，最后一位则代表了数据传输的方向。在完成这一个操作后，要给 Pcap01 发送操作码。 Pcap01 有三种操作码单字节命令（8bit 命令），3 字节命令（24bit 命令），4 字节命令（32bit 命令）如表所示。
收稿日期：2021-01-13 基金项目：永州市科技计划项目(永科发〔2019〕15 号 2019-yzkj-05)；湖南科技学院校级科研项目（No.20XKY051）；湖南科技学院应
用特色学科建设项目；湖南科技学院“通信工程专业综合改革试点”项目作者简介：朱凯凯（1998—），男，湖南科技学院电子与信息工程学院通信工程专业本科生；通信作者：潘学文（1983—），男，湖南永州
图 2 电路硬件电路模块（1）系统电源本设计涉及三个模块，3 个模块的供电要求均可以是 3.3V，可以使用同一个电源并共地。供电口包括：VDD（2.0~3.6V），提供给 Pcap01，STM32 内部解压器电源。VSSA，VDDA（2.4~ 3.5V），为 Pcap01，STM32 复位，时钟，PLL 倍频提供电源。 VBAT（2.0~3.5V），当断电时，为 STM32 后备寄存器以及外部振荡器供电。（2）复位电路复位电路的作用是为了系统恢复初始状态的，STM32 和大多数的单片机一样有复位（Reset）引脚。我们需要设计复位电路，达到单片机上电复位和手动复位的效果。硬件复位产生的条件：当系统上电，掉电时，产生一个上升沿或者下降沿，满足复位条件系统接收到信号，发生复位，即除了备份区域寄存器之外，其余所有的寄存器都恢复成初始复位状态。电源电路模块采用电脑的 USB 接口作为电源接口，通过 USB 转 DC 电源线连接到系统的 DC 电源接口 P1 上，然后经过自管开关 S1 为整个系统提供稳定的 5V 工作电压。这样设计的好处是元器件简单便宜，节约成本，又能够为整个系统供电。

基于PCAP01的高精度电容测量

２０１４年　／　第２期物联网技术２７0 引言对于电容传感器的测量来说，传统的电路方式有其无法克服的局限性。

复杂的模拟电路设计，难以扩展的电容测量范围，都会给开发带来非常大的阻力。

针对这一问题，我们设计了以带有内部DSP 单片机的PCAP01为电容测量芯片的检测系统，该芯片会使电容测量提高到一个前所未有的水平。

1 总体设计电容式传感器的检测方法主要有：设计专用ASIC 芯片；使用分立元件通过电容桥、频率测量等原理实现测量；使用通用电容检测芯片将电容转换为电压或其他量[1]；新型的微弱电容测量电路等[2]。

从技术难度、测量精度等多方面考虑[3]，本系统采用电容数字转换单芯片来完成对电容式传感器的检测，系统结构框图如图1所示。

电容测量芯片选用德国ACAM 公司的单芯片PCAP01[4]。

这颗芯片测量范围覆盖了从几fF 到几百nF ，而且可以非常简单地通过配置来满足各种不同应用的需求。

单片机MSP430F149通过I/O 端口对PCAP01内部寄存器进行配置，其通信方式为SPI 串行通信。

测量数据最终通过RS232串口传送到上位机进行处理、实时显示、存储等。

上位机由普通微机构成。

图1 系统结构框图2 系统硬件设计2.1 MSP430F149简介最小系统是由保证处理器可靠工作所必须的基本电路组成的，主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、通信接口电路、数据存储电路。

单片机MSP430F149的特点有：低功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式、多种存储器形式、适应工业级运行环境等。

基于MSP430F149的通信接口电路原理图如图2所示。

2.2 PCAP01简介及硬件原理图PCAP01为带有单片机处理单元的一款专门进行电容测量的电容数字转换单芯片方案。

PCAP01既适合超低功耗（最低至几个uA ）的测量，也适合高精度（达到21位有效位）的高性能测量，还可以进行最高达50万次/秒的快速测量。