發布日期：2022-10-09 點擊率：61
描述
基于海上溢油回收的特殊環境，該文設計了一種基于AT89S51單片機的海上液位測量系統。該系統采用分段電容檢測的原理，以實現油水雙液位的檢測。合理搭建了微小電容測量的硬件電路。系統可以準確無誤地應用于海上油位的測量。
方波產生電路
圖4 方波產生電路
由NE555構成的多諧振蕩器是二極管交流電橋測量的方波信號源，其具體電路如圖4所示。頻率計算如式（4）、式（5）和式（6）所示。
（4）
（5）
（6）
令，，，則：。因此，NE555可以為電容檢測電路提供電壓幅值為5V、頻率為500kHz的方波信號源。
雙T二極管交流電橋電容測量電路
電容傳感器將液位高度轉化為電容量，再通過電容測量電路將其轉化成與其成線性函數關系的電壓、電流或頻率信號。由于電容只有幾個PF，所以采用雙T二極管交流電橋微電容檢測電路將電容的變化量轉化成電壓輸出。測量原理如圖5所示。
圖5 二極管T型網絡
在圖5中：e為高頻電源，D1、D2為特性完全相同的兩個二極管。
精密放大電路
將0～0.5mV電壓轉換成0～5V，以進行A/D轉換。采用OP07構成兩級集成運算放大電路，第一級放大倍數為20，第二級放大倍數為50，其電路構成如圖6所示。
圖6 精密放大電路
單片機與A/D接口電路
傳感器和單片機之間需要A/D轉換器將輸入的模擬電壓信號轉換成二進制數字信號。本文采用逐次比較A/D轉換器ADC0809。與單片機具體的接口電路如圖7所示。
圖7 ADC0809與單片機接口電路
在圖7中，單片機通過P1.0，P1.1，P1.2口控制ADC0809的地址選擇端口A、B、C。單片機ALE端口輸出2MHz時鐘頻率信號，經過74LS74四分頻電路產生ADC0809所需要的500kHz時鐘信號。P3.4作為片選信號，當它為低電平時，打開或非門，允許寫信號通過，選中ADC0809的某一通道進行A/D轉換。轉換結束標志位通過非門觸發外部中斷0，讀取轉換數據。
數碼管顯示電路
采用三位LED數碼管作為液位數據的顯示。74HC245為顯示驅動芯片，其輸入接P0口，輸出接數碼管八個管腳。三段數碼管分別由P2.0、P2.1、P2.2控制。AT89S51單片機與數碼管的顯示電路如圖8所示。
圖8 數碼管顯示電路
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電容式傳感器的感應面由兩個同軸金屬電極構成，很象“打開的”電容器電極，該兩個電極構成一個電容，串接在RC振蕩回路內。
電源接通時，RC振蕩器不振蕩，當一目標朝著電容器的電靠近時，電容器的容量增加，振蕩器開始振蕩。通過后級電路的處理，將振和振蕩兩種信號轉換成開關信號，從而起到了檢測有無物體存在的目的。該傳感器能檢測金屬物體，也能檢測非金屬物體，對金屬物體可以獲得最大的動作距離，對非金屬物體動作距離決定于材料的介電常數，材料的介電常數越大，可獲得的動作距離越大。
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描述
電容式傳感器的應用
電容式傳感器具有結構簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態響應特性好等優點，廣泛用于壓力、位移、加速度、厚度、振動、液位等測量中。但在使用中要注意以下幾個方面對測量結果的影響：①減小環境溫度、濕度變化（可能引起某些介質的介電常數或極板的幾何尺寸、相對位置發生變化）；②減小邊緣效應；③減少寄生電容；④使用屏蔽電極并接地（對敏感電極的電場起保護作用，與外電場隔離）；⑤注意漏電阻、激勵頻率和極板支架材料的絕緣性。
電容式傳感器應用中的注意事項
（1）克服寄生電容的影響
電容式傳感器由于受結構與尺寸的限制，其電容量都很小（pF到幾十pF），屬于小功率、高阻抗器件，因此極易外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯，嚴重影響感器的輸出特性，甚至會淹沒有用信號而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實用的關鍵。
（2）克服邊緣效應的影響
實際上當極板厚度h與極距δ之比相對較大時，邊緣效
應的影響就不能忽略；邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產生非線性。
（3）克服靜電引力的影響
電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數、極間距離有關。通常這種靜電引力很小，但在采用推動力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。
（4）溫度影響
環境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數關系，從而引入溫度干擾誤差。溫度影響主要包括溫度對結構尺寸和對介質的影響兩方面。
電容式傳感器的測量轉換電路
目前較常采用的有電橋電路、調頻電路、脈沖調寬電路和運算放大器式電路等，這里只介紹電橋電路和運算放大器電路。
一、 電橋電路
將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個或兩個相鄰臂，另外兩臂可以是電阻、電容或電感，也可以是變壓器的兩個次級線圈，如圖1所示。
在圖1a單臂接法電橋電路中，電容c1、c2、c3、cx構成電橋的四臂，cx為電容傳感器，當cx改變時，u0≠0，有輸出電壓。
在圖1 b差動接法電橋電路中，其輸出電壓可用下式表示：
由于電橋輸出電壓與電壓成比例，因此要求電源電壓波動極小，需要采用穩幅、穩頻等措施。因此，在實際應用中，接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高（一般達幾兆歐至幾十兆歐），輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號放大后才能測量。
由電橋電路組成的系統原理框圖如圖2所示。
二、調頻電路
將電容傳感器接入高頻振蕩器的lc諧振回路中，作為回路的一部分。當被測量變化使傳感器電容改變時，振蕩器的振蕩頻率隨之改變，即振蕩器頻率受傳感器電容所調制。其電路組成原理框圖如圖3所示。
特點：
轉換電路生成頻率信號，可遠距離傳輸不受干擾。
具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm級位移變化量。
但非線性較差，可通過鑒頻器（頻壓轉換）轉化為電壓信號后，進行補償。
三、運算放大器式電路
將電容傳感器接入開環放大倍數為a的運算放大電路中，作為電路的反饋組件，如圖4所示。圖中u是交流電源電壓，c是固定電容，cx是傳感器電容，uo是輸出信號電壓。
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