基于Pcap01的电容式液位传感器系统设计

随着汽车工业正向着节能、高速、经济的方向发展，使得现代汽车均采用数字化系统设计。由于汽车油箱大多采用异型结构，所以为了使得油量测量的精度和稳定性得到提高，各大汽车厂商都在致力于解决这一问题。

液位测量常用的方法有滑动电位器法，电感线圈法，数字电容法等。滑动电位器法是目前中低档汽车大多采用的检测方法，但当油垢覆盖电位器后，其阻值会发生变化，造成误差过大，使此类油箱传感器成为易损件。电感线圈法为现在高档汽车多采用的方法，但其结构复杂、成本高、无法广泛使用。数字电容法是相对易实现、设计灵活、成本低、精度高的测量方法，但需解决线性度和补偿校正等问题。

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，测量对象的这些物理特性为使用电容式液位传感器创造了条件；另一方面，高速发展的微电子技术能够以相对低廉的价格去实现小电容的精确测量，这种测量方案具有广阔的市场前景。

1硬件设计

1.1电容式测量油量原理

电容式传感器是将被测非电量的变化转换成电容量变化的一种传感器。电容式液位传感器是以液位变化时，引起介电常数变化为原理的。当被测液体的液面在电容式圆柱形套筒电极间变化时，引起电极间不同介电常数介质的高度发生变化，从而导致电容变化。本电容传感器采用圆柱形套筒结构，如图1所示。
 

图1 电容式液位传感器

电容式传感器外壳和内圆柱采用钛合金材料，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；忽略边缘效应，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定时，传感器电容值CH与液面高度L成线性关系。

1.2 Peap01简介

Pcap01是一款带有单片机处理单元的专用电容测量的电容数字转换单芯片方案，其内部结构原理如图2所示。其前端转换单元是基于Acam公司的PICOCAP测量原理。这种转换测量原理提供了对于转换时间范围最小可达2μs的高精度时间转换。芯片内部带有一个48位DSP单元，这个处理单元将处理电容测量的信息，获得测量数据，并将结果送到芯片输出端口。所得数据将存放在内部RAM当中，而内部有OTP或者SRAM两种方法编写程序。

图2 Pcap01内部结构原理图

Pcap01有漂移和接地两种连接电容传感器的方式，由于本设计管脚资源充足，为提高抗干扰性，采用漂移连接法，电容传感器通过屏蔽线直接连到Pcap01，测得的电容值转换成数字值，精度最高可达21位有效位，可通过读取读寄存器中待测电容与参考电容的比率从而计算出待测电容值。实验设计量程为16～45 pF，而Pcap01可测量范围覆盖达到几F到几百nF，所以满足本设计对于测量范围的要求。

电容传感器数据可在芯片内部进行校准，然后通过SPI或者I2C数据串行接口进行传送。Pcap01带有标准固件，提供了20个配置和参数寄存器以及12个读寄存器。

1.3数字电容式液位传感器应用系统

本设计通过Pcap01带有的标准固件03.01.xx配置电容测量寄存器并进行读取，选择STM32F103ZET6通过I2C串行总线接收来自Pcap01的数字电容测量值，然后将数据发送至LCD屏显示，其系统框图如图3所示。

图3 电容式液位传感器应用系统