摘要 为准确丈量轿车油箱油量，运用电容量随极板间介质改变的原理，规划了依据电容转数字芯片Pcap01的电容式液位传感器丈量体系。选用柱形电容传感器等办法，减小了寄生和杂散电容，并经过Pcap01内部寄存器的设置，完成了数据校准。该体系在自行规划的试验渠道进步行了屡次试验，成果表明，体系具有杰出的精度和线性度，并终究提出了电容式液位丈量计划。
跟着轿车工业正向着节能、高速、经济的方向开展，使得现代轿车均选用数字化体系规划。因为轿车油箱大多选用异型结构，所以为了使得油量丈量的精度和稳定性得到进步，各大轿车厂商都在致力于处理这一问题。
液位丈量常用的办法有滑动电位器法，电感线圈法，数字电容法等。滑动电位器法是现在中低档轿车大多选用的检测办法，但当油垢掩盖电位器后，其阻值会发生改变，形成差错过大，使此类油箱传感器成为易损件。电感线圈法为现在高级轿车多选用的办法，但其结构杂乱、本钱高、无法广泛运用。数字电容法是相对易完成、规划灵敏、本钱低、精度高的丈量办法，但需处理线性度和补偿校对等问题。
汽油或柴油是具有电气绝缘特性的液体混合物，黏度低、流动性好、蒸发性强，丈量目标的这些物理特性为运用电容式液位传感器发明了条件;另一方面，高速开展的微电子技术能够以相对低价的价格去完成小电容的准确丈量，这种丈量计划具有宽广的市场前景。
1 硬件规划
1.1 电容式丈量油量原理
电容式传感器是将被测非电量的改变转化成电容量改变的一种传感器。电容式液位传感器是以液位改变时，引起介电常数改变为原理的。当被测液体的液面在电容式圆柱形套筒电极间改变时，引起电极间不同介电常数介质的高度发生改变，然后导致电容改变。本电容传感器选用圆柱形套筒结构，如图1所示。
电容式传感器外壳和内圆柱选用钛合金资料，构成两个电极板，设外壳半径为R1;内圆柱半径为R2;汽油介电常数为ε0;真空中的介电常数为ε1;圆柱套筒的高度为H;液面的高度为L;疏忽边缘效应，当L=0时，传感器处于零点，电容值最小，传感器电容量
可见当传感器中各参数都确守时，传感器电容值CH与液面高度L成线性联系。
1.2 Peap01简介
Pcap01是一款带有单片机处理单元的专用电容丈量的电容数字转化单芯片计划，其内部结构原理如图2所示。其前端转化单元是依据Acam公司的P%&&&&&%OCAP丈量原理。这种转化丈量原理供给了关于转化时刻规模最小可达2μs的高精度时刻转化。芯片内部带有一个48位DSP单元，这个处理单元将处理电容丈量的信息，取得丈量数据，并将成果送到芯片输出端口。所得数据将寄存在内部RAM傍边，而内部有OTP或许SRAM两种办法编写程序。
Pcap01有漂移和接地两种衔接电容传感器的方法，因为本规划管脚资源满意，为进步抗干扰性，选用漂移衔接法，电容传感器经过屏蔽线直接连到Pcap01，测得的电容值转化成数字值，精度最高可达21位有用位，可经过读取读寄存器中待测电容与参阅电容的比率然后计算出待测电容值。试验规划量程为16～45 pF，而Pcap01可丈量规模掩盖到达几F到几百nF，所以满意本规划关于丈量规模的要求。
电容传感器数据可在芯片内部进行校准，然后经过SPI或许I2C数据串行接口进行传送。Pcap01带有规范固件，供给了20个装备和参数寄存器以及12个读寄存器。
1.3 数字电容式液位传感器运用体系
本规划经过Pcap01带有的规范固件03.01.xx装备电容丈量寄存器并进行读取，挑选STM32F103ZET6经过I2C串行总线接纳来自Pcap01的数字电容丈量值，然后将数据发送至LCD屏显现，其体系框图如图3所示。
这儿选用单一传感器漂移形式，依据电容传感器丈量数据挑选20 pF陶瓷电容为参阅电容衔接在PC0和PC1两头，待测电容衔接在PC2和PC3两头。设置装备寄存器为漂移单一电容形式，内部放电电阻为90 kΩ，挑选电容丈量的触发源为继续触发形式。
经过读寄存器Res1读到的是C/C参舞考比率，无符号固定点数带有3位整数和21位小数，数值为0～7.999 9，精度为0.477×10-6。尽管Pcap01有着内部接地补偿和外部漂移寄生电容补偿，但为了确保体系牢靠运转和高精度丈量，还要处理好外围电路的抗干扰和屏蔽问题，其中去耦电容的挑选以及电源的稳定性都是体系硬件规划的重要环节。
2 软件结构规划
体系的软件规划包含Pcap01部分和STM32F103ZET6部分。Pcap01部分首要包含寄存器的装备，以及电容数据收集模块;STM32F103ZET6部分首要包含与Pcap01的串行通讯和与LCD屏通讯显现数据两部分。Pcap01部分软件选用汇编言语编写，STM32F103ZET6部分软件则运用C言语编写。
2.1 Pcap01部分软件规划
在软件开发评价过程中，是将固件写到SRAM中的。Pcap01的SRAM地址空间为4 k x 8 bit。开端上电后发送0x88，这个指令将复位一切状况。发送8位数据至000到FFF的恣意SRAM地址并从此地址再读回数据，进行通讯测验后再次发送操作码0x88状况全复位。固件Pcap01_standard.hex由ACAM公司官方供给，数据发送至SRAM后，就可依照规划要求进行装备寄存器的设置了。规划挑选的是单一漂移电容形式，一个传感器，一个参阅电容，彻底补偿，内部放电电阻为90 kΩ，继续触发，电容丈量的循环时刻为20μs。电容丈量的循环时刻是一个重要的CDC参数，需求留意电容放电时刻的巨细，设置的循环时刻一定要满意长，默许情况下设置的循环时刻>2倍的放电时刻，所以挑选20μs能够满意规划要求。装备寄存器设置完后发送部分复位操作码0x8a和开端电容丈量指令0x8c，等候100 ms后就可从Res1寄存器中读取C/C参阅的比率。
2.2 STM32F103ZET6部分软件规划
STM32F103ZET6是一款依据ARM Cortex—M3内核的32位处理器，内部带有I2C硬件接口。现在I2C总线协议已成为芯片间低速串行通讯的事实规范，运用规模将越来越广。I2C总线在传输数据过程中共有3种类型信号，分别是开端信号、完毕信号和应对信号。在读时序中，STM32F103ZET6在发送开端信号后的第1个Byte就要发送一个独自的7位设备地址，Pcap01作为从机的设备地址为1010000。STM32F103ZET6接纳到数据，进行数据转化后滤波，再经过8位数据总线的并行接口发送至LCD液晶屏显现。软件流程图如4所示。
3 试验验证与成果剖析
为验证体系的丈量精度和功能，对样机进行了试验测验，选用30 cm高度的电容式传感器和93号汽油在自行规划的试验渠道进步行屡次试验。
3.1 精度剖析
传感器测得的电容值与参阅电容的比率C/C参阅寄存于Pcap01的Res1寄存器中，对10 cm和20 cm高度的汽油进行屡次丈量，成果如表1所示。
Pcap01的丈量比率规模为0～7.999 9，从丈量成果能够看到，24位的丈量成果能够稳定在高12位，去除整数位，小数位能够稳定在9位，则丈量精度为20/(29-1)=0.04 pF。
3.2 线性度剖析
由式(1)可知，电容C与液面高度x成正比联系，图6为丈量规模0～35cm，进给量为0.5 cm时的传感器电容值与高度值的改变曲线，从图中能够看出，体系具有较好的线性度。
4 完毕语
本文运用电容转数字芯片Pcap01，结合STM32关于%&&&&&%数据的处理，充分考虑了信号的屏蔽与抗干扰等问题，经过在自行规划的试验渠道进步行的丈量精度与线性度剖析试验显现体系具有较高的牢靠性。运用Pcap01规划的液位传感器体系具有结构简略、精度高、丈量规模广的特色，合适用于油箱、油库等的液位丈量中。
