基于单片机的电容式液位传感器参数测量

吕淑平，于 岩

基于单片机的电容式液位传感器参数测量

吕淑平，于 岩

（哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

设计制作了符合实验教学要求的电容式液位传感器参数测量实验。通过555定时器构成的多谐振荡器，将电容信号转变为脉冲信号频率的变化，输给单片机进行实时检测并计算出液位高度，触发相应功能电路进行液位显示和报警。设计了传感器测量电路模块﹑多谐振荡器电路模块﹑键盘与显示电路模块﹑电源电路模块以及软件程序，学生可根据具体需要设计不同量程的液位测量电路，应用场合和适用范围广。

电容式传感器；液位测量；单片机

传感器与检测技术是一门实践性、应用性很强的专业课[1]，在工业自动化控制领域得到广泛的应 用[2-3]。液位检测技术是一种利用液位敏感元件，当被测液体液位发生变化时，能够把物理量变化通过相应的易于检测的电信号变化检测出来，实现液位到检测信号的转换[4]。目前液位测量方法有20多种[5]，其中电容式液位测量方法以其成本低、结构简单、测量精度高的特点，成为最常用的方法之一[6]。

1 电容式液位传感器工作原理

2 液位测量硬件电路设计

基于单片机的电容式传感器进行液位测量整体设计方案如图2所示。

图2 液位测量整体设计方案

系统的主控部分采用STC12C5A60S2单片机，电容式传感器将液位信号转换成相应的电容量，经555定时器组成的多谐振荡器将电容变化转变为信号频率变化，利用单片机定时器/计数器计量脉冲信号频率，计算出液位高度。系统的硬件接口电路包括单片机最小系统电路、液位测量电路、555振荡器电路、液位设定键盘电路、液位显示电路、报警电路以及电源转换电路等。

2.1 555多谐振荡器电路

实验中采用555定时器构成的多谐振荡器作为信号发生电路，将制作的电容传感器接入555振荡电路中，把检测到的电容信号转换为单片机可以检测的矩形脉冲信号，从而实现电容和频率的转换。555多谐振荡器电路如图3所示[11]。

图3 555多谐振荡器电路

555多谐振荡器输出的脉冲信号频率为

2.2 数码管显示电路

由单片机计算出液位高度，经显示电路实时显示当前液位值。为使硬件电路简单、低成本，实验中采用4位一体的共阳极数码管，利用循环扫描方式实现液位显示[12]。数码管显示电路如图4所示。

图4 数码管显示电路

2.3 按键设定电路

实验中采用独立按键实现对液位报警上下限的设定，当有按键按下时，经过软件程序延时去抖，判断单片机对应引脚输出为低电平，从而执行相应操作。此部分电路共设有S1—S55个按键。S1用于选择液位的上、下限以及“确定”，当前3次按下S1时，分别表示“液位设定开始”“设置上限液位”“设置下限液位”，第4次按下S1时表示“确定”，此时返回主程序继续执行其他程序。

仅当S1处于“设置”状态时，S2/S3/S4/S5键按下才有效。这4个按键用于在液位报警上、下限设定时，对所设定个﹑十﹑百﹑千位进行增加操作。当相应的按键按下时，对应的位进行“加1”操作。

2.4 液位报警电路

实验中要求液位超限报警，使用简单的蜂鸣器就可以实现这一功能。电路如图5所示。

图5 报警电路接线图

蜂鸣器的正极接到+5 V电源上，另一端接到三极管9012的发射极。由于单片机输出电流不足以直接驱动蜂鸣器，所以此处接一个三极管9012实现电流放大作用。三极管的基极通过连接一个1 kΩ电阻接到单片机某一引脚上，引脚的高低电平实现对蜂鸣器的控制。

3 液位测量软件设计

软件程序主要由主程序、定时中断服务程序、数据处理程序﹑按键程序﹑显示程序和报警程序等组成。主程序主要完成参数的初始化、相关寄存器和I/O管脚配置、给定时器设置工作方式和赋始值、开中断等工作。之后，程序进入按键扫描程序，对当前的按键状态进行判定，从而决定是否执行按键处理程序，设定报警液位上、下限。按键程序处理完毕后，启动单片机定时器/计数器工作，定时进入液位测量程序，进行数据处理，以显示当前液位值，并判断是否超限进行报警等功能。主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程图

实验时规定水位值刷新时间为0.1 s，设定TIMER0定时器每50 ms产生一次中断，在中断服务程序中，判断进入中断的次数，若为2次，定时0.1 s时间到，执行数据处理程序，即对计数器T1采集的脉冲信号次数进行处理，以及根据水位与频率关系计算出液位 高度。

4 实验参数测量

学生制作的电容式传感器见图7，液位测量电路实物图见图8。实际测量液位时，把电容式传感器垂直置于待测液体中，下端接触容器底部。测得电容-水位标定关系如图9所示，电容值与水位高度近似呈线性关系。

图7 电容式传感器实物图

图8 液位测量电路实物图

图9 电容-水位关系曲线

5 结论

本文结合单片机设计制作的自动测量液位的电容式传感器实现了以下功能：

（1）传感器电路可以实时测量和显示液位，能够分辨1 mm水位，最大测量误差在5%以下，可手动设置液位值的上、下限，实现超限报警；

（2）电容式传感器原理简单，电容与水位呈线性关系，可以很好地减小测量误差，测量精度高；

（3）硬件电路结构简单、制作成本低，可广泛应用于水箱﹑水塔水位、汽车油位等测量，适用于多种场合的液位测量。

[1] 戴增辉.互联网时代高职《传感器技术与应用》课程教学改革探索[J].教育教学论坛，2019(1): 140–142.

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[4] 杨小玲.液位测量技术研究[D].上海：上海交通大学，2003.

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Measurement of parameters of capacitive liquid level sensor based on SCM

LÜ Shuping, YU Yan

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Based on the principle of capacitive signal conversion, the parameter measurement experiment of a capacitive liquid level sensor is designed and established, which meets the requirements of experimental teaching. Through the multivibrator composed of 555 timer, the capacitance signal is transformed into the frequency change of the pulse signal, which is input to the single chip computer for real-time detection and calculation of the liquid level height, triggering the corresponding functional circuit for liquid level display and alarm. The sensor measurement circuit module, multi-resonator circuit module, keyboard and display circuit module, power supply circuit module and software program are designed. Students can design liquid level measurement circuits of different ranges according to specific needs, which have a wide range of applications and applications.

capacitive sensor; liquid level measurement; SCM

TP212

A

1002-4956(2019)10-0046-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.011

2019-03-03

黑龙江省高等教育教学改革研究项目（SJGZ20180011）；黑龙江省教育科学“十三五”规划课题（GBE1317040）

吕淑平（1963—），女，黑龙江哈尔滨，博士，教授，控制工程（电气工程）实验教学中心主任，主要研究方向为模式识别与智能系统、实验室建设与管理。