電容式非接觸液位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，液位測(cè)量技術(shù)從傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量到非接觸式測(cè)量，正朝著自動(dòng)化、集成化、智能化的方向發(fā)展，以滿足人們對(duì)容器液位測(cè)量的需求。在測(cè)量容器液位時(shí)，非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)因具有不與被測(cè)液體接觸、非浸入式測(cè)量、不破壞容器的物理結(jié)構(gòu)和完整性等特點(diǎn)，而成為近年來(lái)的熱點(diǎn)。
電容法作為一種經(jīng)典的非接觸式方法，通過(guò)感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)檢測(cè)電容的變化來(lái)獲取液位高度的變化信息。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且不會(huì)造成液體污染，在液位測(cè)量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于電容式傳感器的非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32F103C8T6微控制器作為核心控制單元，驅(qū)動(dòng)安裝在容器外壁的電容式傳感器MDC04進(jìn)行液位數(shù)據(jù)采集，并對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)容器內(nèi)部液位的精準(zhǔn)測(cè)量。
1. 系統(tǒng)的組成與原理
電容式非接觸液位測(cè)量系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)架構(gòu)，由STM32微控制器構(gòu)成的主控單元、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、電容-高度轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊、上位機(jī)及電容檢測(cè)模塊協(xié)同組成，其系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。
圖1 液位檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
電容式傳感器的基本原理是將位置變化或介電材料屬性的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通過(guò)改變電容器的三個(gè)參數(shù)之一，即極板之間的距離（d）、電容極板的面積（A）以及介電常數(shù)（εr），就可以實(shí)現(xiàn)電容傳感器的功能。因此其關(guān)系可表示為：
C=F(d,A,εr) (1)
基于這一關(guān)系，測(cè)量系統(tǒng)采用平行板電容傳感原理，將兩片寬度相等的平行銅箔電極非接觸式貼附于容器外壁。當(dāng)液位高度變化時(shí)，電極間介電常數(shù)發(fā)生梯度變化，形成與液位高度相關(guān)的電容變量。將容器液位的變化信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電容值，實(shí)現(xiàn)容器液位信息到電容量的轉(zhuǎn)換。
主控單元是電容式非接觸液位測(cè)量系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)液位測(cè)量系統(tǒng)的管理、處理和控制等任務(wù)。它主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高度采集顯示和多點(diǎn)校準(zhǔn)這兩項(xiàng)功能。一方面微控制器通過(guò)I2C總線獲取電容檢測(cè)模塊的多通道原始數(shù)據(jù)，經(jīng)滑動(dòng)窗口濾波預(yù)處理后，通過(guò)電容-高度轉(zhuǎn)換算法將C-F特性曲線映射為液位高度值，最終通過(guò)USART接口傳輸至上位機(jī)實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)測(cè)。另一方面系統(tǒng)使用USART通信接收上位機(jī)發(fā)送的多點(diǎn)校準(zhǔn)參數(shù)，實(shí)時(shí)更新電容-高度轉(zhuǎn)換模塊參數(shù)，提升系統(tǒng)的對(duì)容器結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。
2. 硬件電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的硬件電路主要包括主控單元模塊和電容檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì)。
2.1 硬件電路設(shè)計(jì)
主控單元模塊主要由STM32微控制器、電源管理以及人機(jī)交互模塊三部分組成，各部分協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制與管理功能。
STM32微控制器選用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的32位STM32F103C8T6微控制器，其內(nèi)部集成有16位定時(shí)器、SPI接口、I2C接口、USART接口、ADC和DAC等豐富的片上資源，能夠滿足整個(gè)液位測(cè)量系統(tǒng)的需求。
為了滿足STM32微控制器對(duì)穩(wěn)定電壓的需求，本系統(tǒng)采用TI的線性穩(wěn)壓芯片LM1117IDTX-3.3/NOPB，通過(guò)該LDO器件產(chǎn)生3.3V±1%的穩(wěn)定電壓，為主控模塊及其他低電壓工作單元提供可靠電源。
人機(jī)交互模塊選用7.0英寸的電阻式觸控串口屏TJC8048X270。該觸控屏由液晶顯示器與電阻式觸控面板集成而成，具備良好的顯示效果和操作靈敏度。通過(guò)USART通信協(xié)議，該屏幕與STM32微控制器建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信鏈路，實(shí)現(xiàn)操作命令的接收與系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)反饋。
2.2 電容檢測(cè)模塊
電容檢測(cè)模塊基于MDC04數(shù)字電容傳感芯片構(gòu)建多通道檢測(cè)系統(tǒng)。MDC04內(nèi)部集成高精度16bit模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC電路，其電容分辨率為0.1fF，線性度誤差小于0.3%。同時(shí)具有四個(gè)檢測(cè)通道，測(cè)量工作方式靈活，可配置多通道測(cè)量組合，單次測(cè)量、周期性循環(huán)測(cè)量等工作模式，適合多容器的液位測(cè)量場(chǎng)景。MDC04結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 MDC04結(jié)構(gòu)框圖
芯片內(nèi)置了四路片外電容測(cè)量的驅(qū)動(dòng)及接收調(diào)理電路，通過(guò)多路選擇器（MUX）實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用的采集處理。接收信號(hào)可通過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）配置測(cè)量的中心值及量程，經(jīng)過(guò)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）后轉(zhuǎn)換成16bit的電容數(shù)值。電容及溫度數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字補(bǔ)償計(jì)算單元進(jìn)行濾波、偏置、斜率等數(shù)字補(bǔ)償計(jì)算后存入寄存器堆，具體轉(zhuǎn)換公式為：
(2)
式中，Cd為ADC輸出的無(wú)符號(hào)整型值，Cr和Co由寄存器動(dòng)態(tài)配置，確保被測(cè)電容在寬范圍內(nèi)保持0.1fF分辨率。
3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 主控單元的微控制器程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由主控單元模塊的微控制器程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)的客戶端設(shè)計(jì)組成。
STM32微控制器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。在Keil uVision5集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，使用C語(yǔ)言來(lái)編寫各個(gè)模塊的程序，主要包括電容數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器MDC04的驅(qū)動(dòng)程序、I2C通信驅(qū)動(dòng)程序、USART驅(qū)動(dòng)程序和液晶顯示模塊驅(qū)動(dòng)程序以及數(shù)據(jù)處理程序等。其主程序流程圖如圖3所示。
圖3 微控制器程序設(shè)計(jì)流程圖
3.2 上位機(jī)的客戶端軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)為電阻式觸控串口屏TJC8048X270，在使用開(kāi)發(fā)軟件USARTHMI完成開(kāi)發(fā)后將程序下載到顯示屏。使用顯示屏實(shí)現(xiàn)與主控單元的數(shù)據(jù)交互，軟件界面圖如圖4和圖5所示。
圖4 多點(diǎn)校準(zhǔn)功能頁(yè)面
圖5 實(shí)時(shí)液位顯示頁(yè)面
在多點(diǎn)校準(zhǔn)功能中，系統(tǒng)分別針對(duì)三個(gè)容器提供低位、中位及高位三個(gè)液位校準(zhǔn)點(diǎn)的輸入接口。每個(gè)容器對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)點(diǎn)均以厘米（cm）為單位輸入液位高度，同時(shí)顯示對(duì)應(yīng)容值參數(shù)，便于對(duì)各容器的容量特性進(jìn)行精確標(biāo)定，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的線性度與準(zhǔn)確性。用戶可根據(jù)實(shí)際液位逐點(diǎn)輸入并保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以適配不同形狀與尺寸的容器；實(shí)時(shí)液位顯示則用于動(dòng)態(tài)展示當(dāng)前選定容器的液位高度信息。系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新液位讀數(shù)，直觀反映液體在容器中的當(dāng)前狀態(tài)，為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與數(shù)據(jù)記錄提供有效支持。
4. 系統(tǒng)功能實(shí)驗(yàn)測(cè)試
為了驗(yàn)證非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)，選用亞克力板和三種形狀塑料容器制作待測(cè)容器，其中容器1為三角錐形容器、容器2為圓筒形容器、容器3為直筒形容器。將兩條平行銅箔在容器外壁上作為電極，選用自來(lái)水作為被測(cè)溶液。電容檢測(cè)模塊通過(guò)屏蔽線與非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)相連接，分別接入電容檢測(cè)模塊的3個(gè)通道。非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)如圖6所示。
圖6 電容式非接觸液位檢測(cè)的測(cè)試平臺(tái)
非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)啟動(dòng)后，先通過(guò)按鍵設(shè)置進(jìn)入校準(zhǔn)模式，對(duì)容器液位進(jìn)行0.50cm、5.50cm和12.00cm處的三點(diǎn)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后進(jìn)入測(cè)量模式，對(duì)容器的液位和液體體積進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。
從測(cè)量結(jié)果可知，直筒規(guī)則容器在0.50-12.00 cm量程范圍內(nèi)表現(xiàn)出最優(yōu)線性度，液位測(cè)量最大相對(duì)誤差為±3%；圓筒容器和三角錐容器這類異形容器因幾何特征導(dǎo)致非線性響應(yīng)，液位測(cè)量最大相對(duì)誤差約為±10%。
5. 結(jié)論
本研究基于電容式傳感器，設(shè)計(jì)了一種非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)。解釋了非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)的組成原理、軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在規(guī)則容器中液位測(cè)量的相對(duì)誤差在3%內(nèi)，不規(guī)則容器中液位測(cè)量的相對(duì)誤差在10%內(nèi)，為非接觸式液位測(cè)量提供一種參考。
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