高亮 周越涵 羅超

摘 要：為解決使用傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)溶液濃度時(shí)得到結(jié)果較慢、過程繁瑣等問題，考慮利用電容傳感器間接測(cè)量溶液作為電介質(zhì)時(shí)得到的電容值，再通過濃度與電容值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出溶液相應(yīng)的濃度值，達(dá)到對(duì)乙醇濃度的快速、非接觸、無污染的精確測(cè)量。方法具有測(cè)量時(shí)不接觸溶液、操作簡(jiǎn)便、可精確快速地得出溶液濃度值等特點(diǎn)，檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)具備硬件電路簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)。相關(guān)設(shè)計(jì)方案有望為測(cè)試計(jì)量工程提供技術(shù)支持和參考。

關(guān)鍵詞：溶液濃度;電容傳感器;非接觸;單片機(jī);I2C;顯示模塊

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

電容傳感器[1]是一種可以把被測(cè)物理量及其變化規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘考半娙萘孔兓?guī)律的電子元件，且其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強(qiáng)、抗過載能力大及價(jià)格低廉等特點(diǎn)。因此，電容傳感器常被應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)、食品加工、汽車行業(yè)、觸摸屏、液體參數(shù)測(cè)量等領(lǐng)域。在液體測(cè)量方面，其突出優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行非接觸測(cè)量[2]，避免測(cè)量過程中由于對(duì)溶液的接觸而產(chǎn)生誤差，提升測(cè)量精確度。

液體濃度是實(shí)際生產(chǎn)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要參量。在農(nóng)業(yè)中，農(nóng)藥濃度的測(cè)量必不可少，農(nóng)藥濃度對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)起著至關(guān)重要的作用;在化工業(yè)中，造紙過程中的紙漿濃度、石油等物質(zhì)的含水量測(cè)量都需要測(cè)量精確的溶液濃度數(shù)值;在醫(yī)療領(lǐng)域，藥品生產(chǎn)、臨床藥品等需要配制一定濃度的藥物以起到最佳治療效果。目前，液體濃度的測(cè)量方法主要有旋光度法、固定體積和壓差試密度測(cè)量等。傳統(tǒng)的旋光度法需用到旋光儀，操作簡(jiǎn)單，但成本高，且旋光度測(cè)定值α引入的不確定度主要與測(cè)量的重復(fù)性和旋光儀的校準(zhǔn)相關(guān)，易產(chǎn)生不穩(wěn)定的誤差[3]。固定體積法通過測(cè)量對(duì)應(yīng)的質(zhì)量來計(jì)算液體濃度，壓差式采用力敏器件來測(cè)定待測(cè)液體在兩個(gè)不同高度下所產(chǎn)生的壓力差，進(jìn)一步給出液體濃度。但這兩種方法在測(cè)量濃度過程中需要接觸液體，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生污染，引起誤差，同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)儀器易受腐蝕，導(dǎo)致測(cè)量的溶液類型受到限制[4]。

本文結(jié)合上述方法的利弊，提出了一種液體濃度非接觸式測(cè)量方法，采用電極板裝置和運(yùn)算模塊組成檢測(cè)部分，加以單片機(jī)控制技術(shù)和相應(yīng)的軟件編程，利用溶液濃度不同可影響電解質(zhì)改變介電常數(shù)這一物理特性，通過電容傳感器測(cè)得瞬時(shí)電容值，從而得到被測(cè)溶液的介電常數(shù)，進(jìn)而得到被測(cè)溶液的濃度。實(shí)現(xiàn)了在不接觸溶液、不對(duì)溶液產(chǎn)生其他污染的情況下快速、精確地測(cè)量溶液濃度。這種方法可以用于多種溶液濃度的測(cè)量與檢驗(yàn)，并且不易受被測(cè)溶液類型的限制，具有廣闊的市場(chǎng)開發(fā)和應(yīng)用前景。產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域如圖1所示。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)綜述

該濃度測(cè)量系統(tǒng)是由高精度的電容傳感器、電容檢測(cè)電路、單片機(jī)處理電路以及顯示電路組成，主要功能是通過對(duì)液體濃度值的采集，最終把濃度值轉(zhuǎn)化成電容值，通過采集電容值來間接測(cè)量液體濃度值。

測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖2所示，當(dāng)把裝有定量液體的容器放置在平面電容極板上時(shí)，傳感器上的電容值會(huì)發(fā)生變化，由電容轉(zhuǎn)換芯片F(xiàn)DC2214準(zhǔn)確測(cè)量此時(shí)的電容值，并將其保存在內(nèi)部寄存器中，然后通過I2C接口方式將數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)STM32F103中，最后經(jīng)單片機(jī)適當(dāng)處理后，將結(jié)果通過OLED模塊顯示。

從功能上劃分，本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、MCU主控單元以及顯示模塊構(gòu)成，在調(diào)試部分，還會(huì)用到串口。其中數(shù)據(jù)采集部分主要由傳感器完成，單片機(jī)用來驅(qū)動(dòng)電容傳感器并接收來自電容傳感器的數(shù)據(jù)，通過串口調(diào)試將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端。通過數(shù)據(jù)收集，總結(jié)變化規(guī)律，將結(jié)論應(yīng)用于單片機(jī)以計(jì)算濃度值，最后由OLED顯示模塊顯示。系統(tǒng)運(yùn)行如圖3所示。

1.2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目研制的溶液濃度電容檢測(cè)系統(tǒng)由軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)組件構(gòu)成，硬件部分包括FDC2214電容檢測(cè)電路、OLED顯示模塊電路、STM32F103最小系統(tǒng)電路。軟件部分通過程序控制進(jìn)行傳感器測(cè)量、CPU計(jì)算及顯示。

1.2.1 FDC2214電容檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

FDC2214是TI公司新近推出的產(chǎn)品，采用電容式傳感，擁有低功耗、高分辨率、非接觸式感測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。采用抗電磁干擾架構(gòu)可對(duì)噪聲和干擾進(jìn)行高度抑制。擁有4條傳輸通道，每條通道的最高傳輸速率達(dá)13.3 Kb/s，在10 kHz頻率，

1 mHz電感的理想條件下最大輸入電容為250 nF， 采用I2C通信協(xié)議進(jìn)行信號(hào)傳輸，分辨率最大為28位。

FDC2214前端由諧振電路驅(qū)動(dòng)器組成，在芯片每個(gè)檢測(cè)通道的輸入端連接一個(gè)電感器和電容器組成LC電路，被測(cè)電容傳感端與LC電路相連接，所產(chǎn)生的振蕩頻率為fS，后面跟著一個(gè)多路復(fù)用器，其依次通過主動(dòng)通道，將各通道連接到測(cè)量數(shù)字化傳感器頻率的核心Core。該內(nèi)核使用參考頻率fREF來測(cè)量傳感器頻率。fREF來源于內(nèi)部參考時(shí)鐘（振蕩器） 或外部提供的時(shí)鐘。每個(gè)通道的數(shù)字化輸出是成比例的，將其值設(shè)為DAXA。I2C接口用于支持設(shè)備配置和傳輸數(shù)字化DAXA給STM32主處理器。

根據(jù)式（1）可得出所測(cè)頻率值：

根據(jù)fS計(jì)算出被測(cè)電容值：

式中L，C為輸入端連接的電感值和電容值，在本次設(shè)計(jì)中，L=18 μH，C=33 pF[6]。

測(cè)量電路如圖4所示，原理如圖5所示，PCB圖如圖6所示。

1.2.2 OLED顯示模塊電路的設(shè)計(jì)

OLED即有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode），OLED由于同時(shí)具備自發(fā)光、無需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡(jiǎn)單等優(yōu)異特性，被認(rèn)為是下一代平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。而正是在這樣的條件下，基于單片機(jī)的OLED顯示終端也逐漸被大眾所接受并運(yùn)用[5]。