CN104697604A - 一种可现场校准的电容式液位传感器 - Google Patents

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Abstract

一种可现场校准的电容式液位传感器,包括5V电源模块、3.3V电源模块、MCU微处理模块、模拟信号输出模块、校准触发模块、电容采集与调理模块;3.3V电源模块、模拟信号输出模块、校准触发模块、电容采集与调理模块分别与MCU微处理模块相连,5V电源模块分别与3.3V电源模块、模拟信号输出模块、校准触发模块和电容采集与调理模块相连。本发明可在现场校准,避免返回厂家校准,给用户提供方便,提高安装调试效率,降低校准成本。

Description

一种可现场校准的电容式液位传感器
技术领域
本发明涉及一种可现场校准的电容式液位传感器。
背景技术
电容式液位传感器,通过采集电容两极间的感应变化,输出对应的模拟数值。电容式液位传感器的初始电容值(无液体时)只与传感器长度本身有关,长度越长,其初始电容值越大。传感器感应到液体时,随着液体上升,其电容值也随着上升,并成线性变化,液体上升到最高点时,其电容值也最大。满程时的实际电容值,与传感器的长度有关,长度越长,其满程电容值越大,同时也与被检测的液体的介电常数有关,被检测的液体介电常数不一样,传感器的满程电容值也不一样。
目前,市面上流行的液位传感器都是在厂内已校准好,无法在现场重新校准;当厂内校准的介质和客户实际使用的介质稍有不同时,或者因为长度有误差,客户需根据实际安装情况更改传感器长度时,都将影响起始电容值以及满程电容值,使得零点输出和满量程输出都将发生变化,影响输出精度,必须返回厂家,重新校准,给用户带来不便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,克服上述背景技术的不足,提供一种安装调试效率高、校准成本低的可现场校准的电容式液位传感器。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是,一种可现场校准的电容式液位传感器,包括5V电源模块、3.3V电源模块、MCU微处理模块、模拟信号输出模块、校准触发模块、电容采集与调理模块;所述3.3V电源模块、模拟信号输出模块、校准触发模块、电容采集与调理模块分别与MCU微处理模块相连,所述5V电源模块分别与3.3V电源模块、模拟信号输出模块、校准触发模块和电容采集与调理模块相连;所述5V电源模块用于给模拟信号输出模块、校准触发模块和电容采集与调理模块供电;所述3.3V电源模块用于给MCU微处理模块供电;所述MCU微处理模块用于数据的运算与处理;所述模拟信号输出模块用于输出模拟的电流或电压信号;所述校准触发模块用于触发MCU微处理模块对传感器进行零点校准和满程校准;所述电容采集与调理模块用于采集电容变化,并将采集到的电容变化换算成对应的液位信号,并将液位信号转换为电信号输出。
进一步,所述校准触发模块包括零点校准触发电路和满程校准触发电路,所述零点校准触发电路包括第一上拉电阻R1、第一限流电阻R2、第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2,第一上拉电阻R1为MCU微处理模块内部的上拉电阻,第一上拉电阻R1的一端与3.3V电源模块的正极相连,另一端与MCU微处理模块的第一IO端口GPIO1相连;第一电容C1的一端与MCU微处理模块的第一IO端口GPIO1相连,另一端接地;第一二极管D1的阴极与MCU微处理模块的第一IO端口GPIO1相连,阳极接地;第二二极管D2的阳极与MCU微处理模块的第一IO端口GPIO1相连,阴极与5V电源模块的正极相连;第一限流电阻R2的一端与MCU微处理模块的第一IO端口GPIO1相连;传感器零点校准时,第一限流电阻R2的另一端接地,传感器正常使用时,第一限流电阻R2的另一端悬空;
所述满程校准触发电路包括第二上拉电阻R3、第二限流电阻R4、第二电容C2、第三二极管D3、第四二极管D4,第二上拉电阻R3为MCU微处理模块内部的上拉电阻,第二上拉电阻R3的一端与3.3V电源模块的正极相连,另一端与MCU微处理模块的第二IO端口GPIO2相连;第二电容C2的一端与MCU微处理模块的第二IO端口GPIO2相连,另一端接地;第三二极管D3的阴极与MCU微处理模块的第二IO端口GPIO2相连,阳极接地;第四二极管D4的阳极与MCU微处理模块的第二IO端口GPIO2相连,阴极与5V电源模块的正极相连;第二限流电阻R4的一端与MCU微处理模块的第二IO端口GPIO2相连;传感器满程校准时,第二限流电阻R4的另一端接地,传感器正常使用时,第二限流电阻R4的另一端悬空。
进一步,所述第一上拉电阻R1和第二上拉电阻R3的电阻值均为20~40KΩ。
进一步,所述第一限流电阻R2和第二限流电阻R4的电阻值均为6.2KΩ。
进一步,所述第一电容C1和第二电容C2的电容值均为1uF。
与现有技术相比,本发明的优点如下:
设有校准触发模块,触发MCU微处理模块进行零点校准和满程校准,本发明可在现场校准,避免返回厂家校准,给用户提供方便,可以提高安装调试效率,降低校准成本。
附图说明
图1是本发明实施例的电路框图。
图2是图1所示实施例的零点校准触发电路的电路原理图。
图3是图1所示实施例的满程校准触发电路的电路原理图。
图4是图1所示实施例的零点校准流程图。
图5是图1所示实施例的满程校准流程图。
图中:1—5V电源模块,2—3.3V电源模块,3—MCU微处理模块,4—模拟信号输出模块,5—校准触发模块,6—电容采集与调理模块,R1—第一上拉电阻,R2—第一限流电阻,C1—第一电容,D1—第一二极管,D2—第二二极管,GPIO1—第一IO端口,R3—第二上拉电阻,R4—第二限流电阻,C2—第二电容,D3—第三二极管,D4—第四二极管,GPIO2—第二IO端口。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
参照图1,本实施例包括5V电源模块1、3.3V电源模块2、MCU微处理模块3、模拟信号输出模块4、校准触发模块5、电容采集与调理模块6;3.3V电源模块2、模拟信号输出模块4、校准触发模块5、电容采集与调理模块6分别与MCU微处理模块3相连,5V电源模块1分别与3.3V电源模块2、模拟信号输出模块4、校准触发模块5和电容采集与调理模块6相连。
5V电源模块1用于给模拟信号输出模块4、校准触发模块5和电容采集与调理模块6供电。
3.3V电源模块2用于给MCU微处理模块3供电。
MCU微处理模块3用于数据的运算与处理。
模拟信号输出模块4用于输出模拟的电流或电压信号。
校准触发模块5用于触发MCU微处理模块3对传感器进行零点校准和满程校准。
电容采集与调理模块6用于采集电容变化,并将采集到的电容变化换算成对应的液位信号,并将液位信号转换为电信号输出。
产品处于正常工作模式时,由5V电源模块1和3.3V电源模块2提供电源,电容采集与调理模块6采集电容变化,并将采集到的电容变化换算成对应的液位信号,并将液位信号转换为电信号,输入到MCU微处理模块3,MCU微处理模块3将采集到的信号进行处理,输出到模拟信号输出模块4,转换成标准的电流或电压信号输出;产品处于校准模式时,校准触发模块5用于触发MCU微处理模块3对传感器进行零点校准和满程校准。
校准触发模块5包括零点校准触发电路和满程校准触发电路,参照图2,零点校准触发电路包括第一上拉电阻R1、第一限流电阻R2、第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2,第一上拉电阻R1为MCU微处理模块3内部的上拉电阻,第一上拉电阻R1的一端与3.3V电源模块3的正极相连,另一端与MCU微处理模块3的第一IO端口GPIO1相连;第一电容C1的一端与MCU微处理模块3的第一IO端口GPIO1相连,另一端接地;第一二极管D1的阴极与MCU微处理模块3的第一IO端口GPIO1相连,阳极接地;第二二极管D2的阳极与MCU微处理模块3的第一IO端口GPIO1相连,阴极与5V电源模块1的正极相连;第一限流电阻R2的一端与MCU微处理模块3的第一IO端口GPIO1相连;传感器零点校准时,第一限流电阻R2的另一端(K1端)接地,传感器正常使用时,第一限流电阻R2的另一端(K1端)悬空。
第一IO端口GPIO1设置为输入状态。当进行零点校准时,将第一限流电阻R2的K1端接地,此时第一IO端口GPIO1的输入电压为R1×3.3/(R1+R2),其数值范围为0.44V~0.78V,而MCU微处理模块3只要小于0.8V均认为是低电平,所以一定时间的低电平能作为触发信号,MCU微处理模块3检测到该信号后进行零点校准。传感器正常使用时,第一限流电阻R2的K1端悬空,第一IO端口GPIO1的输入电压为3.3V的高电平。
第一上拉电阻R1的电阻值为20~40KΩ,第一限流电阻R2的电阻值为6.2KΩ,第一电容C1为滤波电容,其电容值为1uF,起到抗干扰作用,防止误触发;第一二极管D1和第二二极管D2组成双二极管,起到稳压作用,主要用于保护MCU微处理模块3的第一IO端口GPIO1,防止过压和负压烧损第一IO端口GPIO1。
参照图3,满程校准触发电路包括第二上拉电阻R3、第二限流电阻R4、第二电容C2、第三二极管D3、第四二极管D4,第二上拉电阻R3为MCU微处理模块3内部的上拉电阻,第二上拉电阻R3的一端与3.3V电源模块3的正极相连,另一端与MCU微处理模块3的第二IO端口GPIO2相连;第二电容C2的一端与MCU微处理模块3的第二IO端口GPIO2相连,另一端接地;第三二极管D3的阴极与MCU微处理模块3的第二IO端口GPIO2相连,阳极接地;第四二极管D4的阳极与MCU微处理模块3的第二IO端口GPIO2相连,阴极与5V电源模块1的正极相连;第二限流电阻R4的一端与MCU微处理模块3的第二IO端口GPIO2相连;传感器满程校准时,第二限流电阻R4的另一端(K2端)接地,传感器正常使用时,第二限流电阻R4的另一端(K2端)悬空。
第二IO端口GPIO2设置为输入状态。当进行满程校准时,第二限流电阻R4的K2端接地,此时第二IO端口GPIO2的输入电压为R3×3.3/(R3+R4),其数值范围为0.44V~0.78V,而MCU微处理模块3只要小于0.8V均认为是低电平,所以一定时间的低电平能作为触发信号,MCU微处理模块3检测到该信号后进行满程校准。传感器正常使用时,第二限流电阻R4的K2端悬空,第二IO端口GPIO2的输入电压为3.3V的高电平。
第二上拉电阻R3的电阻值为20~40KΩ,第二限流电阻R4的电阻值为6.2KΩ,第二电容C2为滤波电容,其电容值为1uF,起到抗干扰作用,防止误触发;第三二极管D3和第四二极管D4组成双二极管,起到稳压作用,主要用于保护MCU微处理模块3的第二IO端口GPIO2,防止过压和负压烧损第二IO端口GPIO2。
参照图4,传感器零点校准的具体流程如下:
步骤S1:进入零点校准模式;
步骤S2:MCU微处理模块3输出DAC_Bottom:MCU微处理模块3的DAC(数模转换器)输出一个固定值DAC_Bottom;
步骤S3:MCU微处理模块3输入ADC_Bottom:模拟信号输出模块4输出一个信号值ADC_Bottom,用万用表读取ADC_Bottom的数值,并且把这个数值输入到MCU微处理模块3中;
步骤S4:MCU微处理模块3输出DAC_Top:MCU微处理模块3的DAC输出一个固定值DAC_Top;
步骤S5:MCU微处理模块3输入ADC_Top:模拟信号输出模块4输出一个信号值ADC_Top,用万用表读取ADC_Top的数值,并且把这个数值输入到MCU微处理模块3中;
步骤S6:计算得到零点校准值Izero_DAC,并且保存:根据上述步骤得到DAC_Bottom、ADC_Bottom、DAC_Top、ADC_Top,根据公式算出零点校准值Izero_DAC,并且保存;
Izero_DAC=(unsigned short)((Izero_ADC-ADC_Bottom)*(DAC_Top-DAC_Bottom)/(ADC_Top-ADC_Bottom)+DAC_Bottom);其中,Izero_ADC表示传感器的零点输出值,若传感器输出信号为4-20mA电流信号,则Izero_ADC的数值为4mA;
步骤S7:退出零点校准模式。
参照图5,传感器满程校准的具体流程如下:
步骤S1:进入满程校准模式;
步骤S2:MCU微处理模块3输出DAC_Bottom:MCU微处理模块3的DAC输出一个固定值DAC_Bottom;
步骤S3:MCU微处理模块3输入ADC_Bottom:模拟信号输出模块4输出一个信号值ADC_Bottom,用万用表读取ADC_Bottom的数值,并且把这个数值输入到MCU微处理模块3中;
步骤S4:MCU微处理模块3输出DAC_Top:MCU微处理模块3的DAC输出一个固定值DAC_Top;
步骤S5:MCU微处理模块3输入ADC_Top:模拟信号输出模块4输出一个信号值ADC_Top,用万用表读取ADC_Top的数值,并且把这个数值输入到MCU微处理模块3中;
步骤S6:计算得到满程校准值Ispan_DAC,并且保存:根据上述步骤得到DAC_Bottom、ADC_Bottom、DAC_Top、ADC_Top,根据公式算出满程校准值Ispan_DAC,并且保存;
Ispan_DAC=(unsigned short)((Ispan_ADC-ADC_Bottom)*(DAC_Top-DAC_Bottom)/(ADC_Top-ADC_Bottom)+DAC_Bottom);其中,Ispan_ADC表示传感器的满程输出值,若传感器输出信号为4-20mA电流信号,则Ispan_ADC的数值为20mA。
步骤S7:退出满程校准模式。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型,倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种可现场校准的电容式液位传感器,其特征在于:包括5V电源模块(1)、3.3V电源模块(2)、MCU微处理模块(3)、模拟信号输出模块(4)、校准触发模块(5)、电容采集与调理模块(6);所述3.3V电源模块(2)、模拟信号输出模块(4)、校准触发模块(5)、电容采集与调理模块(6)分别与MCU微处理模块(3)相连,所述5V电源模块(1)分别与3.3V电源模块(2)、模拟信号输出模块(4)、校准触发模块(5)和电容采集与调理模块(6)相连;所述5V电源模块(1)用于给模拟信号输出模块(4)、校准触发模块(5)和电容采集与调理模块(6)供电;所述3.3V电源模块(2)用于给MCU微处理模块(3)供电;所述MCU微处理模块(3)用于数据的运算与处理;所述模拟信号输出模块(4)用于输出模拟的电流或电压信号;所述校准触发模块(5)用于触发MCU微处理模块(3)对传感器进行零点校准和满程校准;所述电容采集与调理模块(6)用于采集电容变化,并将采集到的电容变化换算成对应的液位信号,并将液位信号转换为电信号输出。
2.如权利要求1所述的可现场校准的电容式液位传感器,其特征在于:所述校准触发模块(5)包括零点校准触发电路和满程校准触发电路,所述零点校准触发电路包括第一上拉电阻R1、第一限流电阻R2、第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2,第一上拉电阻R1为MCU微处理模块(3)内部的上拉电阻,第一上拉电阻R1的一端与3.3V电源模块(3)的正极相连,另一端与MCU微处理模块(3)的第一IO端口GPIO1相连;第一电容C1的一端与MCU微处理模块(3)的第一IO端口GPIO1相连,另一端接地;第一二极管D1的阴极与MCU微处理模块(3)的第一IO端口GPIO1相连,阳极接地;第二二极管D2的阳极与MCU微处理模块(3)的第一IO端口GPIO1相连,阴极与5V电源模块(1)的正极相连;第一限流电阻R2的一端与MCU微处理模块(3)的第一IO端口GPIO1相连;传感器零点校准时,第一限流电阻R2的另一端接地,传感器正常使用时,第一限流电阻R2的另一端悬空;
所述满程校准触发电路包括第二上拉电阻R3、第二限流电阻R4、第二电容C2、第三二极管D3、第四二极管D4,第二上拉电阻R3为MCU微处理模块(3)内部的上拉电阻,第二上拉电阻R3的一端与3.3V电源模块(3)的正极相连,另一端与MCU微处理模块(3)的第二IO端口GPIO2相连;第二电容C2的一端与MCU微处理模块(3)的第二IO端口GPIO2相连,另一端接地;第三二极管D3的阴极与MCU微处理模块(3)的第二IO端口GPIO2相连,阳极接地;第四二极管D4的阳极与MCU微处理模块(3)的第二IO端口GPIO2相连,阴极与5V电源模块(1)的正极相连;第二限流电阻R4的一端与MCU微处理模块(3)的第二IO端口GPIO2相连;传感器满程校准时,第二限流电阻R4的另一端接地,传感器正常使用时,第二限流电阻R4的另一端悬空。
3.如权利要求2所述的可现场校准的电容式液位传感器,其特征在于:所述第一上拉电阻R1和第二上拉电阻R3的电阻值均为20~40KΩ。
4.如权利要求2或3所述的可现场校准的电容式液位传感器,其特征在于:所述第一限流电阻R2和第二限流电阻R4的电阻值均为6.2KΩ。
5.如权利要求2或3所述的可现场校准的电容式液位传感器,其特征在于:所述第一电容C1和第二电容C2的电容值均为1uF。
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