新型數(shù)字電容式液位傳感器

摘要 介紹了一種用于測量汽車油箱液位的技術(shù)，利用電容量隨極板間介質(zhì)變化的原理，以液晶顯示的方式顯示油箱剩余燃油量和箱內(nèi)溫度。用于信號采集的電容探頭具有自動補償功能，確保測量結(jié)果不受溫度和雜質(zhì)的影響。電容信號檢測使用高集成的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，提高了測量精度。信號傳輸網(wǎng)絡(luò)易于和車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成，顯示結(jié)果準(zhǔn)確、實時。
關(guān)鍵詞 油箱液位；電容探頭；自動補償；電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

    隨著汽車工業(yè)和電子技術(shù)的發(fā)展，汽車電子化程度日益提高，各種機械式部件逐漸被電子產(chǎn)品替代，為人們提供了更加便捷、舒適的行車環(huán)境。為了適應(yīng)機電一體化發(fā)展，本文闡述了一種數(shù)字電容式液位傳感器，替代傳統(tǒng)投入浮子式油箱液位傳感器。利用電容量隨電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)變化這一原理，通過測量變化的電容量得到剩余燃油量，同時監(jiān)控油箱內(nèi)部的溫度。測量結(jié)果不但可以通過LCD顯示，而且能夠和行車速率等信息一起傳給車載ECU，計算汽車的續(xù)航里程數(shù)。傳感器主體由電容探頭、信號采集和處理電路、信號傳輸電路和信號顯示電路4部分組成。數(shù)字電容式液位傳感器帶自補償功能，消除了溫度和燃油雜質(zhì)對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，無可動部件的設(shè)計增加了它的使用壽命，測量結(jié)果準(zhǔn)確，實時。

1 傳感器探頭設(shè)計
    河流、水庫或者容器中液體的液位，可以通過監(jiān)測浸在液體的兩極板之間的電容值得到。以轎車油箱為例，為了有更大的儲油空間，通常使用吹塑加工得到一個異形的油箱。不規(guī)則的形狀雖然給測量增加了難度，但油箱內(nèi)部各個液位高度和容積是一一對應(yīng)的關(guān)系，獲取實時的燃油高度，即可以得到此高度下的剩余燃油量。對于導(dǎo)電液體，為了避免短路，兩極板至少有一個需要絕緣，對于非導(dǎo)電液體，極板不需要絕緣。汽車行駛所用的燃油是不導(dǎo)電的液體混合物，可以用兩個金屬極板作為電容的電極。
    電容量和極板的正對面積，間距和極板間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，當(dāng)其中兩個量保持不變，第3個量發(fā)生變化時，電容值隨之變化。基于這一原理，研制出了數(shù)字電容式液位傳感器。電容探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，金屬極板A和極板B平行正對組成一對電容器，金屬極板A和極板C平行正對組成第二對電容器，極板B和極板C之間的空隙很小，可忽略不計。如圖2所示，測量汽車油箱的剩余油量時，電容探頭豎直地安裝在油箱中。極板B和極板C共用極板A，因此，設(shè)極板A和極板B之間產(chǎn)生的電容為測量電容c1，極板A和極板C之間產(chǎn)生的電容為參考電容c2。

    εr表示燃油的相對介電常數(shù)；ε0表示常溫下空氣的介電常數(shù)；d表示兩極板之間的間距；L和L2分別表示極板B和極板C的長度；極板A、B和C的寬度都為W。
    當(dāng)電容探頭安裝到油箱中以后，燃油的相對介電常數(shù)εr和液位高度h可以分別用下列表達(dá)式來表示
   
    因為不能保證每次加油時燃油的各項指標(biāo)完全相同，所以燃油的相對介電常數(shù)εr，隨它的溫度、雜質(zhì)含量變化。
    根據(jù)式(4)和式(5)，進(jìn)一步推導(dǎo)出燃油高度h
   
    從式(6)可以看出，實時的燃油高度值h可以通過測量電容c1和c2的值得到。
    為了保證車輛正常行駛，油箱中的燃油不能完全耗盡，燃油的高度要大于極板C的高度L2，否則會發(fā)出報警信號表示燃油量達(dá)到最低值，提醒駕駛員加油，當(dāng)液位高度>L時，傳感器會發(fā)出一個溢出信號，表示此時油箱已加滿。
    電容探頭本身帶有自動補償?shù)墓δ?，可以使測量結(jié)果不受燃油溫度和雜質(zhì)含量的影響。安裝后的探頭不帶可動部件，增加了傳感器的使用壽命。以電容作為敏感元件，得到的剩余燃油量結(jié)果實時準(zhǔn)確。

2 傳感器電路設(shè)計
2．1 信號采集和處理電路
    如圖3所示，信號采集和處理電路的主要組成部分是一片AD7746和一片MC68HC908GZl6。電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7746是一款專業(yè)的電容測量器件，適用于微小電容量的測量，可以代替大量分立元件組成的測量電路，把變化的電容值轉(zhuǎn)換成從0x000000到0xFFFFFF數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。它有兩個輸入通道和一個I2C兼容串行接口，因此可以通過通道1和通道2分別測量電容c1和c2的值，再把測量結(jié)果通過I2C協(xié)議傳送給下一個電路單元。除了電容測量功能外，芯片本身帶有一個溫度傳感器，可以通過軟件配置后測量溫度信息。與傳統(tǒng)的使用大量分立元件電容測量電路相
比，使用AD7746不但提高了測量精度，而且大大降低了設(shè)計與制造的成本。

    MC68HC908GZ16是一種用于汽車領(lǐng)域，帶有16kB片上Flash內(nèi)存的8位微控制器?；贔lash內(nèi)存可在線編程的特點，可在主動模式下對該款微控制器編程。此外，因其本身集成了MSCAN08控制器和ESCI模塊，它也可以作為CAN網(wǎng)絡(luò)和LIN網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點。利用軟件編程可以將普通的I／O接口配制成I2C接口。當(dāng)編程系統(tǒng)把程序下載到微控制器后，微控器便可以通過配置好的I2C接口與AD7746實現(xiàn)通信，接收信號。信號通過處理程序后可選擇CAN網(wǎng)絡(luò)或者LIN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较乱粋€單元。
2．2 信號傳輸電路
    信號傳輸電路如圖4所示，主要由兩片MC33388芯片和兩片MC33399芯片組成。MC33388是一種汽車車身多種應(yīng)用的CAN物理交換。MC33399是用于車身子網(wǎng)的LIN物理交換器。CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線。該總線協(xié)議是汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線。LIN是一種面向低端通信的通用串行低成本汽車網(wǎng)絡(luò)，可簡化現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)絡(luò)的低端復(fù)合解決方案。LIN網(wǎng)絡(luò)使用單線通信，在對交換速率要求不高的環(huán)境中，LIN網(wǎng)絡(luò)可以作為CAN網(wǎng)絡(luò)的補充。與雙線通信的CAN網(wǎng)絡(luò)相比，使用LIN網(wǎng)絡(luò)更加節(jié)約成本。在本次電路設(shè)計中，同時使用兩種網(wǎng)絡(luò)，目的是在其中一個網(wǎng)絡(luò)繁忙時，使用另一個網(wǎng)絡(luò)替代，保證信號的順利傳輸。在實際通訊過程中，系統(tǒng)設(shè)定CAN網(wǎng)絡(luò)為首選，LIN網(wǎng)絡(luò)為備選。

2．3 信號顯示電路
   信號顯示電路如圖5所示，由一片MC68HC908GZ16和一塊由HD44780驅(qū)動的字符型LCD組成。這一片微控制器接收到前一級的信號后控制LCD顯示剩余燃油量和溫度信息。當(dāng)燃油量小于最小量程時，LCD顯示“waring"字樣，提醒駕駛員該車需要加油；當(dāng)燃油量大于最大量程時，LCD顯示“full”提醒駕駛員油箱已加滿。隨著汽車電子的發(fā)展，可以將汽車行駛過程中的各項參數(shù)顯示在同一個顯示屏上，上一級信號通過車身網(wǎng)絡(luò)直接傳輸給車載ECU，在同一塊顯示屏上顯示剩余燃油量和行車速率，計算出在當(dāng)前行駛速度下可續(xù)航的里程數(shù)。

3 單片機編程流程圖
    傳感器電路設(shè)計共使用了兩片MC68HC908GZ16微控制器，把用于信號采集和處理電路的單片機稱作單片機1，用于信號顯示的單片機稱作單片機2。為了實現(xiàn)測量液位的功能，單片機1和單片機2流程，如圖6所示：系統(tǒng)開始運行之后，首先初始化兩片單片機，開啟各個功能模塊。待開啟中斷程序后，單片機1等待I2C網(wǎng)絡(luò)傳輸信號1。在接收信號1處理后準(zhǔn)備傳輸信號2，選擇CAN網(wǎng)絡(luò)或者LIN網(wǎng)絡(luò)中的一種，把信號2傳輸給單片機2，若單片機2接收到信號2，則在LCD上顯示結(jié)果，否則繼續(xù)等待信號2，程序完成。

4 結(jié)束語
    數(shù)字電容式液位傳感器利用電容量隨極板間介質(zhì)變化的原理測量液位，將測量結(jié)果實時顯示在LCD屏上。當(dāng)傳感器用于測量汽車油箱液位時，可測量油箱剩余燃油量和箱內(nèi)溫度，并易于和汽車車身網(wǎng)絡(luò)集成，結(jié)合當(dāng)前車速得到車輛續(xù)航里程數(shù)，提醒駕駛員適時加油，保證車輛不因缺少燃油而停止行駛。運用電容量變化可以準(zhǔn)確、連續(xù)地實時顯示剩余燃油量，探頭部分無可動部件增加了傳感器的使用壽命，信號傳輸網(wǎng)絡(luò)可以和車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成的特點符合汽車電子技術(shù)的發(fā)展趨勢。