新型数字电容式液位传感器

摘要 介绍了一种用于测量汽车油箱液位的技术，利用电容量随极板间介质变化的原理，以液晶显示的方式显示油箱剩余燃油量和箱内温度。用于信号采集的电容探头具有自动补偿功能，确保测量结果不受温度和杂质的影响。电容信号检测使用高集成的电容数字转换器，提高了测量精度。信号传输网络易于和车身网络系统集成，显示结果准确、实时。
关键词 油箱液位；电容探头；自动补偿；电容数字转换器

    随着汽车工业和电子技术的发展，汽车电子化程度日益提高，各种机械式部件逐渐被电子产品替代，为人们提供了更加便捷、舒适的行车环境。为了适应机电一体化发展，本文阐述了一种数字电容式液位传感器，替代传统投入浮子式油箱液位传感器。利用电容量随电容极板间介质的介电常数变化这一原理，通过测量变化的电容量得到剩余燃油量，同时监控油箱内部的温度。测量结果不但可以通过LCD显示，而且能够和行车速率等信息一起传给车载ECU，计算汽车的续航里程数。传感器主体由电容探头、信号采集和处理电路、信号传输电路和信号显示电路4部分组成。数字电容式液位传感器带自补偿功能，消除了温度和燃油杂质对测量结果产生影响，无可动部件的设计增加了它的使用寿命，测量结果准确，实时。

1 传感器探头设计
    河流、水库或者容器中液体的液位，可以通过监测浸在液体的两极板之间的电容值得到。以轿车油箱为例，为了有更大的储油空间，通常使用吹塑加工得到一个异形的油箱。不规则的形状虽然给测量增加了难度，但油箱内部各个液位高度和容积是一一对应的关系，获取实时的燃油高度，即可以得到此高度下的剩余燃油量。对于导电液体，为了避免短路，两极板至少有一个需要绝缘，对于非导电液体，极板不需要绝缘。汽车行驶所用的燃油是不导电的液体混合物，可以用两个金属极板作为电容的电极。
    电容量和极板的正对面积，间距和极板间介质的介电常数有关，当其中两个量保持不变，第3个量发生变化时，电容值随之变化。基于这一原理，研制出了数字电容式液位传感器。电容探头结构如图1所示，金属极板A和极板B平行正对组成一对电容器，金属极板A和极板C平行正对组成第二对电容器，极板B和极板C之间的空隙很小，可忽略不计。如图2所示，测量汽车油箱的剩余油量时，电容探头竖直地安装在油箱中。极板B和极板C共用极板A，因此，设极板A和极板B之间产生的电容为测量电容c1，极板A和极板C之间产生的电容为参考电容c2。

    εr表示燃油的相对介电常数；ε0表示常温下空气的介电常数；d表示两极板之间的间距；L和L2分别表示极板B和极板C的长度；极板A、B和C的宽度都为W。
    当电容探头安装到油箱中以后，燃油的相对介电常数εr和液位高度h可以分别用下列表达式来表示
   

    因为不能保证每次加油时燃油的各项指标完全相同，所以燃油的相对介电常数εr，随它的温度、杂质含量变化。
    根据式(4)和式(5)，进一步推导出燃油高度h
   

    从式(6)可以看出，实时的燃油高度值h可以通过测量电容c1和c2的值得到。
    为了保证车辆正常行驶，油箱中的燃油不能完全耗尽，燃油的高度要大于极板C的高度L2，否则会发出报警信号表示燃油量达到最低值，提醒驾驶员加油，当液位高度>L时，传感器会发出一个溢出信号，表示此时油箱已加满。
    电容探头本身带有自动补偿的功能，可以使测量结果不受燃油温度和杂质含量的影响。安装后的探头不带可动部件，增加了传感器的使用寿命。以电容作为敏感元件，得到的剩余燃油量结果实时准确。

2 传感器电路设计
2．1 信号采集和处理电路
    如图3所示，信号采集和处理电路的主要组成部分是一片AD7746和一片MC68HC908GZl6。电容数字转换芯片AD7746是一款专业的电容测量器件，适用于微小电容量的测量，可以代替大量分立元件组成的测量电路，把变化的电容值转换成从0x000000到0xFFFFFF数字数据。它有两个输入通道和一个I2C兼容串行接口，因此可以通过通道1和通道2分别测量电容c1和c2的值，再把测量结果通过I2C协议传送给下一个电路单元。除了电容测量功能外，芯片本身带有一个温度传感器，可以通过软件配置后测量温度信息。与传统的使用大量分立元件电容测量电路相
比，使用AD7746不但提高了测量精度，而且大大降低了设计与制造的成本。

    MC68HC908GZ16是一种用于汽车领域，带有16kB片上Flash内存的8位微控制器。基于Flash内存可在线编程的特点，可在主动模式下对该款微控制器编程。此外，因其本身集成了MSCAN08控制器和ESCI模块，它也可以作为CAN网络和LIN网络上的一个节点。利用软件编程可以将普通的I／O接口配制成I2C接口。当编程系统把程序下载到微控制器后，微控器便可以通过配置好的I2C接口与AD7746实现通信，接收信号。信号通过处理程序后可选择CAN网络或者LIN网络传输到下一个单元。
2．2 信号传输电路
    信号传输电路如图4所示，主要由两片MC33388芯片和两片MC33399芯片组成。MC33388是一种汽车车身多种应用的CAN物理交换。MC33399是用于车身子网的LIN物理交换器。CAN总线是一种串行多主站控制器局域网总线。该总线协议是汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。LIN是一种面向低端通信的通用串行低成本汽车网络，可简化现有CAN总线网络的低端复合解决方案。LIN网络使用单线通信，在对交换速率要求不高的环境中，LIN网络可以作为CAN网络的补充。与双线通信的CAN网络相比，使用LIN网络更加节约成本。在本次电路设计中，同时使用两种网络，目的是在其中一个网络繁忙时，使用另一个网络替代，保证信号的顺利传输。在实际通讯过程中，系统设定CAN网络为首选，LIN网络为备选。

2．3 信号显示电路
   信号显示电路如图5所示，由一片MC68HC908GZ16和一块由HD44780驱动的字符型LCD组成。这一片微控制器接收到前一级的信号后控制LCD显示剩余燃油量和温度信息。当燃油量小于最小量程时，LCD显示“waring"字样，提醒驾驶员该车需要加油；当燃油量大于最大量程时，LCD显示“full”提醒驾驶员油箱已加满。随着汽车电子的发展，可以将汽车行驶过程中的各项参数显示在同一个显示屏上，上一级信号通过车身网络直接传输给车载ECU，在同一块显示屏上显示剩余燃油量和行车速率，计算出在当前行驶速度下可续航的里程数。

3 单片机编程流程图
    传感器电路设计共使用了两片MC68HC908GZ16微控制器，把用于信号采集和处理电路的单片机称作单片机1，用于信号显示的单片机称作单片机2。为了实现测量液位的功能，单片机1和单片机2流程，如图6所示：系统开始运行之后，首先初始化两片单片机，开启各个功能模块。待开启中断程序后，单片机1等待I2C网络传输信号1。在接收信号1处理后准备传输信号2，选择CAN网络或者LIN网络中的一种，把信号2传输给单片机2，若单片机2接收到信号2，则在LCD上显示结果，否则继续等待信号2，程序完成。

4 结束语
    数字电容式液位传感器利用电容量随极板间介质变化的原理测量液位，将测量结果实时显示在LCD屏上。当传感器用于测量汽车油箱液位时，可测量油箱剩余燃油量和箱内温度，并易于和汽车车身网络集成，结合当前车速得到车辆续航里程数，提醒驾驶员适时加油，保证车辆不因缺少燃油而停止行驶。运用电容量变化可以准确、连续地实时显示剩余燃油量，探头部分无可动部件增加了传感器的使用寿命，信号传输网络可以和车身网络系统集成的特点符合汽车电子技术的发展趋势。