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

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。