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

【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 transformedinto the 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.

【期刊名称】《广东海洋大学学报》

【年(卷),期】2015(000)001

【总页数】5页(P90-94)

【关键词】电容式液位传感器;555定时器;多谐振荡电路;频率转换

【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

在石油化工、水利水电、农田灌溉、环境监测以及食品加工等众多行业，液位是一个重要的技术参数。液位准确检测一直以来是传感检测技术方面的研究热点，同时也是控制领域的一项关键技术。

通常进行液位测量的方法有 20多种，分为直接法和间接法。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。目前国内外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。但这些方法都有各自的缺点问题，如设备复杂、测量不准等，所以解决以上问题就是对液位测量提出的新要求。

电容式液位传感器其原理就是利用电容量的大小与电容外特征有直接关系，即是电容值与极板的面积成正比，与极板间的距离成反比，特别是与极板间的介质的介电常数ε成正比，而水和油的介电常数差别较大，正好可以利用。

将被测液位转换为电容量的传感器，它的敏感部分就是两根大小参数一样的金属棒（其中一根外包绝缘层防止短路）构成的具有可变参数的电容器。两根金属棒插入的液位高度不同，会改变电容器的电容量。传感部分将液位高度转换成相应的电容量，用555 振荡电路将容量变化转换成频率，再将频率数据输入到单片机，计算

出液位高度。最后用LCD1602显示屏显示液位。

电容式液位传感器通过测量电容来获取液位值，其容器的结构主要有圆筒状柱型结构和探针式（平行极板）结构。

2.1 电容测量电路

设计的小电容的测量是利用被测电容的储能以及充放原理与555定时器组成多谐

振荡电路。将测量的电容量换算成振荡频率输出。该方案硬件电路实现简单，能测出较宽的电容范围。555定时器输出波形为方波信号，可直接输入单片机的计数

器进行处理。

2.2 单片机选择

STC89C51RC单片机，8 K字节 Flash，40位I/O口线，内置MAX810复位电路。内部具有ISP在线程序下载接口，无需专用下载烧录器。机器周期为6个状态周期，也就是12个时钟周期，最高工作时钟频率为80 MHz，速度非常快。考虑到简化电路结构，选用自带 MAX810复位电路的单片机。考虑到降低成品成本，选择内部具有ISP在线程序下载接口，无需专用下载器烧录器的单片机。考虑测量液位时会有波动，为了确保其测量，计算与显示的实时性，选用工作时钟频率较高的这款单片机。

2.3 系统的结构框图

系统以STC89C51RC单片机为控制元件，以探针作为测量元件，用555定时器测频，用LCD1602显示液位，外围还有晶振，电源电路。系统结构框图如图1所示：3.1 电容式液位传感器系统

如图2所示为系统总图，包括STC89C51RC单片机，晶振（使用11.059 2 M），ISP下载器电路，555定时器的多谐振荡电路，LCD1602显示电路，电源（地）。

3.2 555多谐振荡器测电容电路设计

如图3所示为由 555定时构成的多谐振荡电路。通过计算频率来计算被测电容的

大小。

接通电源后，电源VCC通过R1和R2对电容C1充电。当Uc<1/3VCC时，振荡器输出Uo=1，放电管截止。当Uc充电到≥2/3VCC后，振荡器输出Uo翻转成

0。此时放电管导通，使放电端(DISC)接地，电容C通过R2对地放电，使Uc下降。当Uc下降到≤1/3VCC后，振荡器输出Uo又翻转成1。此时放电管又截止，使放电端（DISC）不接地，电源VDD通过R1和R2又对电容C1充电，又使Uc 从1/3VCC上升到2/3VCC，触发器又发生翻转。如此周而复始，从而在输出端

Uo得到连续变化的振荡脉冲波形。脉冲宽度TL=ln2 R2C1，由电容C1放电时间决定；TH=ln2(R1+R2) C1，由电容C1充电时间决定，脉冲周期T=TH+TL。工

作波形如图4所示。

555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为

设置R1=1 KΩ，R2=750 KΩ，令R1+R2≈R2得到

即

3.3 LCD1602显示电路设计

LCD1602它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，

LCD1602显示部分的接口电路如图5所示。

3.4 电源部分

系统电源滤波电路如图6所示。

设计中的电源是外接插头。在输入电路通电瞬间，由于电容上的初始电压为零，会形成很大的瞬时冲击电流。为防止冲击电流过大造成电源无法正常投入，其输入采用较大容量的滤波电容。这里采用了体积小的极性电容。大容量的滤波电容的蓄能作用提高通电瞬间电源电路的过载能力，保证电源的正常投入。

4.1 系统主程序设计

主程序在程序运行的过程中必须先经过初始化，包括定时器中断程序，液晶显示程序以及各个控制端口的初始化工作。系统在初始化完成后就进入定时器和计数器的设置，然后将测量的电容量换算成频率，读取频率后计算出液位值，然后在液晶显示屏显示出来。