吳家烜

(黎明職業(yè)大學(xué)信息與電子工程學(xué)院,福建 泉州 362000)

2017-09-01

泉州市科技局科技項(xiàng)目(2016G053)

吳家烜(1980- )，男，福建泉州人， 講師，主要從事電源電路、無線電通信等方面的研究。

1674- 4578(2017)05- 0037- 03

基于555振蕩器和STC單片機(jī)的液位測量電路設(shè)計(jì)*

吳家烜

(黎明職業(yè)大學(xué)信息與電子工程學(xué)院,福建 泉州 362000)

液位測量技術(shù)在工業(yè)中有廣泛的運(yùn)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于555振蕩器和STC8A8K60S4單片機(jī)的電容式液位傳感器，測量系統(tǒng)由555 定時(shí)器、STC8A8K60S4單片機(jī)和12864液晶顯示屏組成。電容傳感器和555 定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，用于輸出一個(gè)隨著液位變化的頻率，STC8A8K60S4單片機(jī)作為控制系統(tǒng)用定時(shí)器讀取頻率，并將頻率轉(zhuǎn)換成液位高度，1602液晶顯示液位高度，數(shù)據(jù)處理采用中值濾波法，減小誤差，最終實(shí)現(xiàn)算法。

單片機(jī)；555定時(shí)器；液位傳感器

液位測量方法是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的非常重要的技術(shù)之一，分為直接法和間接法，約有二十多種，如浮子式、液壓式、電容法、超聲波法、磁致伸縮式、光纖等。而且隨著技術(shù)的進(jìn)步，方法還在增加。但每種方法都是有其優(yōu)缺點(diǎn)的，如超聲波法簡單準(zhǔn)確且非接觸但有幾公分到十幾公分測量禁區(qū)，液壓法結(jié)構(gòu)復(fù)雜等等。本文主要討論的是采用電容式液位測量的方法。這種測量方法價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛用于位移、厚度、壓力、液位等方面，是間接測量方法中最常用的方法之一。但由于電容式傳感器也有其不可克服的弱點(diǎn)，如電容量小、阻抗高，輸出信號(hào)微弱，易于受環(huán)境影響等，所以對(duì)它的轉(zhuǎn)換測量電路的研究一直在發(fā)展中[1-5]。

1 電路原理

電容式傳感器是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器，它將被測非電量轉(zhuǎn)換為電容的變化，測量電路再將電容變化轉(zhuǎn)化成易于觀測的電參量，如V、F等。傳統(tǒng)的電容傳感器是以空氣為介質(zhì)的平行板組成，但也可以是同心圓筒形。為了降低設(shè)計(jì)難度，參考以往文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)方案[1,3〗，本設(shè)計(jì)將電容傳感器設(shè)計(jì)為同心圓筒形，見圖1。

下面分析我們設(shè)計(jì)的圓筒電容結(jié)構(gòu)，長度L為30 cm，外導(dǎo)體為外徑R為2 cm的銅管，內(nèi)導(dǎo)體為實(shí)心包裹防水塑料的銅線內(nèi)徑r大約0.2 cm。如果介質(zhì)為空氣ε1，可知電容的計(jì)算公式(1)為：

(1)

圖1 電容傳感器結(jié)構(gòu)圖

如果電容泡在水中，水的高度為H，水的介電常數(shù)為ε2，則可得到水中電容的計(jì)算公式(2)為：

(2)

由上述公式可知，按上述公式的頻率f與被測量電容也成線性關(guān)系，與是否泡在液體中無關(guān)。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)由電容液位傳感器、555振蕩器、基于STC8A8K60S4的單片機(jī)小系統(tǒng)構(gòu)成，用LCD1602液晶來顯示數(shù)據(jù)。具體框圖見圖2。由于STC8A8K60S4的特性，省略了復(fù)位電路和晶振。

圖2 基于STC8A8K60S4單片機(jī)和555振蕩器的液位測試系統(tǒng)

2.2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)STC網(wǎng)站資料，STC8系列單片機(jī)是STC公司最新研制的最新單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，具有寬電壓、高速、高可靠、低功耗、強(qiáng)抗靜電、較強(qiáng)抗干擾等特性。特別是相比傳統(tǒng)單片機(jī)，ISP編程時(shí)5 MHz～30 MHz寬范圍可設(shè)置，可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復(fù)位電路(內(nèi)部己集成)，比傳統(tǒng)51約快12倍左右。

本測試電路采用STC8系列中的STC8A8K60S4單片機(jī)，具有60k的flash和4k的EEPROM，5個(gè)16位定時(shí)器，15路12位ADC，8組PWM等，資源非常豐富。

將液位傳感器電容接入555，代替電路中的C1，構(gòu)成多諧振蕩器(見圖3)。電路的振蕩頻率為：

(3)

圖3 555多諧振蕩器和單片機(jī)電路連接圖

按上述公式的頻率f與被測量電容成線性關(guān)系。經(jīng)過測量，此電路的頻率在20～40 kHz之間。因此單片機(jī)需要能夠準(zhǔn)確測量出此區(qū)間的頻率。測量頻率的程序流程圖見圖4。

測量液位實(shí)際上是采用查表法進(jìn)行估算，我們首先從0 mm開始間隔5 mm測量一組頻率數(shù)據(jù)，從0 mm～200 mm一共41組數(shù)據(jù)。假設(shè)H1為xmm高度的頻率f1，H2位x+5 mm高度的頻率f2，頻率f2

圖4 測量頻率流程圖

(4)

液位的變化是比較緩慢的，但由于外界比如電壓、震動(dòng)等影響，電容傳感器必然受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致檢測到頻率是抖動(dòng)的，雖然抖動(dòng)幅度不大，會(huì)超出設(shè)計(jì)的誤差范圍(1 mm)。在這里采用了軟件濾波方法-中值濾波法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這種方法對(duì)溫度、液位等緩慢變化的數(shù)據(jù)濾波效果很好，是一種典型的非線性濾波法。其處理過程是對(duì)頻率連續(xù)采樣30次，然后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行冒泡法進(jìn)行排序，去除最大和最小各五個(gè)值，選取中間的20次值進(jìn)行平均，采用這種數(shù)據(jù)處理方法后，頻率檢測數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定。

2.3 電路測試

本次測試直接采用的是實(shí)驗(yàn)室的自來水，并有加入白醋進(jìn)行干擾，電容傳感器的測試范圍0～200 mm，設(shè)計(jì)精度為1 mm。將傳感器放入水中后，記錄數(shù)據(jù)并與實(shí)際高度比較(見表1)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測量誤差在1 mm以下，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用電容式液位傳感器，傳感器和555 定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，用于輸出一個(gè)隨著液位變化的頻率，STC8A8K60S4單片機(jī)作為控制系統(tǒng)用定時(shí)器讀取頻率，并將頻率轉(zhuǎn)換成液位高度，數(shù)據(jù)處理采用中值濾波法，減小誤差，最終實(shí)現(xiàn)算法，達(dá)到了1 mm的測量精度。

[1] 李一峰,吳振陸,樊海紅.電容式液位傳感器的設(shè)計(jì).廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(1):90-94.

趙明,湯曉君,張徐梁,等.基于CAV444的電容式液位傳感器設(shè)計(jì)與優(yōu)化.儀表技術(shù)與傳感器,2015(1):7-9.

王書瑤.有關(guān)電容式液位傳感器的分析與研究.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2012(4):56-57.

王穎,禹靜,李東升,等.單管計(jì)算電容式液位傳感器的仿真與特性研究.傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2017,30(6):893-898.

王蕓,張國雄,樊玉銘.基于運(yùn)算法的電容式液位傳感器的設(shè)計(jì).電子測量技術(shù),2008(3):122-124.

DesignofLiquidLevelMeasuringCircuitBasedon555OscillatorandSTCMcu

Wu Jiaxuan

(DepartmentofInformationandElectronicEngineering,LimingVocationalUniversity,QuanzhouFujian362000,China)

Liquid level measurement technology is widely used in industry. In this paper, a capacitive liquid level sensor based on 555 oscillator and STC8A8K60S4 microcontroller is designed. The measurement system consists of 555 timer, STC8A8K60S4 and 12864 LCD screen. The capacitance sensor and a 555 timer form a multivibrator for outputting a frequency changed with liquid level. STC8A8K60S4 as a control system with a timer reads frequency and the frequency is converted to the liquid level displayed with 1602 liquid crystal, liquid level, and the data processing adopts median filtering method to reduce the error recovery and finally realizes the algorithm.

MCU; 555 timer; liquid level sensor

TP212

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