基于嵌入式油品含水率检测系统的设计

饶美丽,徐增勇

(1.郑州科技学院电气工程学院，河南郑州 450064;2.河南交通职业技术学院汽车学院,河南郑州 450000)

0 引言

油品中的含水率与各种动力系统的液压系统、滑油系统、燃油系统的可靠性和安全性有着重要的关系，一般情况下，这类高性能系统需要动力油的含水率不超过0.01%，但是目前国内0.01级油品含水率检测装置还不完善，无法实现油品含水率的高精度测量，这类检测装置仍需进口[1]。

目前检测油品含水率只要有蒸馏法、电脱法、射线法以及电容法。蒸馏法是通过人工把动力油带回实验室，然后运用高温蒸馏剔除动力油中的水分，然后对动力油重新称重得出动力油的含水率。此种方法需要人工干预，且实施过程繁琐，效率低。电容法是根据不同介质的介电常数不同，当动力油通过电容传感器时，其中的含水率的很小的变化会引起电容的变化，基于此种理论，设计了一种基于嵌入式的油品含水率检测系统，该系统检测精度高，成本低，具有一定的应用价值[2-3]。

1 系统方案设计

基于嵌入式的油品含水率检测系统由数据采集装置、单片机控制电路以及通讯电路组成[4]。在检测油品含水率过程中，通过让待检测的动力油流过电容传感器时，此时油中的含水率会引起传感器电容值的变换，利用高精度电容检测电路测量出电容的变化量，然后在单片机内部把采集到的数据进行计算分析，得出含水率的多少。最后把计算结果通过RS232通讯方式发送到上位机显示，系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 基于嵌入式的油品含水率检测系统的设计

基于嵌入式的油品含水率检测系统硬件电路由圆柱形电容传感器、电容采集电路、数据计算处理电路以及通信电路四部分组成，其硬件框图如图2所示。

由图2可以看出，数据采集电路主要采集温度值以及电容值。为了提高电容采集时的精度，本文采用温度传感器DS18B20进行实时温度补偿。采用低功耗的微处理器作为电路的主控芯片，单片机内部把采集到的数据进行处理、分析，最后通过RS232通讯方式把数据发送到上位机显示，上位机可以实现的对数据的存储、历史查询等功能[5]。

图2 基于嵌入式的油品含水量检测系统硬件框图

2.1 高精度电容检测电路的设计

利用研制的圆柱形电容传感器把动力油中的含水率的变化转换为电容值的变化，其难点在电容值的精确测量。由于电容传感器测量得到的电信号很微小，一般情况下只是pF级，无法对这些微小直接计算处理，而普通放大电路带来的噪声信号会淹没有效的电信号，给后续分析处理带来很大困难。本文采用将电容信号转变为电压信号的芯片CAV424来减少噪声信号的干扰，它具有同时信号采集以及差分电容输出的功能[6]。CAV424通过一个固定的参考电容CR来检测另一个被测电容CM的相对电容变化量ΔCM=CM，max-CM，min，根据CAV424的参考手册可知，固定参考电容一般的取值范围为10 pF～1 nF。具体电路图如图3所示。

图3 高精度电容检测电路

如图3所示为CAV424的外围连接电路图。其中，R23和R24是用来调整CAV424的零点。电容CM代表固定标准电容，实际测量时，CM接电容传感器，用于测量传感器传感器中电容的变化量。电容C20和C21决定CAV424内部两个低通滤波器的截止角频率。R21和R26是用来设置ACV242内部运算放大器的增益[7]。

2.2 温度补偿电路的设计

在不同的环境温度下，水的介电常差异也不同，由于油和水的介电常数存在比较大的差别，因此在对动力油含水率检测时必须对温度进行实时测量，实现温度补偿，以此提高检测的精确度。本文采用集成式数字温度传感器DS18B20来实现对温度的测量[8-9]。

DS18B20及其外围电路设计简单易行，成本低，体积小且温度测量范围大，-55 ～+125 ℃。其采用一根线与单片机I/0之间完成通信，DS18B20可以将测量得到的温度值直接转变为可供单片机识别的数字信号，并且将数据以数字码的方式输出，不需要外接额外的调理电路，具体电路图如图4所示。

图4 温度补偿电路

2.3 串口通信电路的设计

本文专门设计了RS232异步通信接口。RS232的特点主要有：可直接与计算机的RS232接口连接，连接方便；实际通信时只需2根信号线，简化了接口；通信距离远，约为50 m；成本低等。RS232通讯也存在着一些缺点：传输速率低，在异步通信时，波特率为20 Kbps；传输中使用2根信号线构成的供地传输方式，容易产生共模干扰；电平不与TTL电平兼容，故不方便与TTL电路的连接，所以在设计时需要增加电平转换芯片[10-11]。

本文采用MAX232实现RS232通讯中电平的转换，该芯片供电电压3.3V，与单片机之间连接简单，电路图如图5所示。

图5 串口通信电路

2.4 电源电路

系统的正常工作分别需要3.3 V、5 V、12 V电压，3.3 V给单片机MSP430、温度传感器DS18B20以及电平转换芯片MAX232供电，运算放大器等元器件需要12 V的供电电压，5 V给电容检测芯片CAV242供电。本系统通过12 V直流稳压电源给系统供电，12 V经过LM2596-5V转换为5 V，5 V在经过LM1117-3.3V转换为3.3 V电压，在12 V端增加2 A的限流电阻F1，起到对电路的保护作用。具体电路图如图6所示。

图6 系统电源电路图

3 软件设计

软件设计是通过C语言编写完成，主要工作是完成数字温度信号的采集、电容模拟信号的采集及转换、含水率的计算、数据的传输和存储等功能。主程序主要是完成系统初始化工作，使得系统各个部分可以正常工作。首先系统上电执行复位操作，然后按下按键开始采集温度数据以及电容值，随后把采集的数据送入单片机的A/D采集引脚，单片机对采集到的数据进行分析计算，算出油品的含水率，最后把结果通过RS232形式发送到上位机显示。软件流程图如图7所示。

图7 基于嵌入式的油品含水率检测系统的软件流程图

4 实验数据分析

为了检测系统的稳定性和准确性，采用标准润滑油进行检测实验。实验时，将设计的圆柱形电容传感器水平放置，然后让待检测的油品混合均匀后放置在传感器的电极之间，并且进行多次试验，记录试验结果。

把标准润滑油含水率的配置设为：0、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%。配置时不考虑配置过程的误差，以上述数值为准。启动系统，对传感器内的动力油含水率进行检测时，测得CAV424的输出电压与含水率的对应关系，如图8所示。测得的与不同含水率相对应的电容值变化和介电常数的变换关系，如图9所示。

图8 CAV424输出电压与含水率的对应图

图9 电容值与含水率对应图

由图8可知CAV424芯片输出的电压与动力油中的含水率呈现线性关系，可根据含水率与电压之间的对应关系计算出含水率。由图9可知，当油品中的含水率不断增加时，当油品的含水率超过20%时，油品的介电常数和所测得的电容值成规律性的变化，在0.01精度要求范围内，电容值与含水率之间呈线性关系。

5 结束语

本文设计了一种基于嵌入式系统的油品含水率检测系统，经过对润滑油进行检测实验，验证了含水率与油品介电常数的线性关系，测量仪器精度达到了0.01级，可以满足各类动力系统中对检测油品含水率精度的要求，保障系统的可靠性和安全性。经实验研究表明，该系统测量精度高、重复性号、可靠性高，设备安装简单、维护方便。