CN116147732A - 一种水位检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水位检测装置及方法，涉及水位检测技术领域，解决了现有的电容式水位检测装置受金属和人体靠近影响严重，对电容传感器和容器的距离有极大限制的技术问题。该装置包括PCB板、触摸芯片、第一电容感应盘和第二电容感应盘；第一电容感应盘用于检测外界环境变化引起的电容值变化；第二电容感应盘用于检测水位变化引起的电容值变化；触摸芯片和第一电容感应盘分别固定连接在PCB板的正面；第二电容感应盘固定连接在PCB板的反面；第一电容感应盘、第二电容感应盘分别与触摸芯片电连接。本发明减小了环境变化导致的检测误差，隔离外界金属和人体靠近的影响，加宽了可隔空检测的距离，降低对使用该水位检测装置的容器外壁厚度的要求。

Description

一种水位检测装置及方法

技术领域

本发明涉及水位检测技术领域，尤其涉及一种水位检测装置及方法。

背景技术

水位检测功能广泛的应用于饮水机、净水机、咖啡机、水壶、洗碗机等相关家电和电子产品中，传统水位检测方法有电极式、干簧管式、压力式及电容式，这些检测方法各有优点和缺点。对于电容式水位检测方法，它可以紧贴容器外壁实现隔空检测，不需要在被检测液体里增加检测装置，不会对液体产生污染，也不会受液体的颜色、腐蚀性影响，有较为明显的优势。电容式水位检测一般由自电容触摸芯片和电容传感器组成，传感器可以使用PCB板上的铜箔设计相应的图案，这些图案连线到触摸芯片的电容检测通道上。当系统开始工作时，触摸芯片先读取各个通道的对地电容，这个电容作为水位检测的基准电容，然后触摸芯片开始定时扫描检测各个触摸通道的电容值。如果检测到的电容值与基准电容值差异不大，就认为水位没有变化；当差异超过预先设置的门限值后，就判断到达了相应的水位。

虽然电容式水位检测实现了隔空检测水位，结构简单，使用方便，无污染等优点，但也存在一些缺点，首先，水位变化引起的隔空电容值非常小，因此要求触摸芯片的电容检测灵敏度非常高，灵敏度高意味着更容易引入干扰信号；其次，电容传感器的对地电容受多种因素影响，当有金属，人体靠近，或者温度，湿度，电压发生变化时，电容传感器的对地电容会发生显著变化，有时甚至大于水位变化引起的电容变化量。对于传统电容式水位检测装置，环境的温度，湿度，电压等影响，可以通过一定的辅助算法做一些修正。但对于金属或人体的靠近对触摸检测通道电容的变化与水位改变带来的变化是一样的，触摸芯片无法区分这两种情况产生的电容数据变化，所以只能通过提高水位检测的门限值，让水位变化能检测到的电容值尽量远大于金属或人体能靠近引起的变化电容值。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

现有的电容式水位检测装置受金属和人体靠近影响严重，对电容传感器和容器的距离有极大限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水位检测装置及方法，以解决现有技术中存在的电容式水位检测装置受金属和人体靠近影响严重，对电容传感器和容器的距离有极大限制的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种水位检测装置，包括：PCB板、触摸芯片、第一电容感应盘和第二电容感应盘；所述第一电容感应盘用于检测外界环境变化引起的电容值变化；所述第二电容感应盘用于检测水位变化引起的电容值变化；所述触摸芯片和第一电容感应盘分别固定连接在所述PCB板的正面；所述第二电容感应盘固定连接在所述PCB板的反面；所述第一电容感应盘、第二电容感应盘分别与所述触摸芯片电连接。

优选的，所述触摸芯片的内部电路包括：开关SW1、开关SW2、开关SW3、开关SW4、第一运算放大器、第二运算放大器、第一模数转换器和第二模数转换器；所述第一运算放大器的输入端通过所述开关SW1连接所述第一电容感应盘，输出端连接所述第一模数转换器的输入端；所述第二运算放大器的输入端通过所述开关SW3连接所述第二电容感应盘，输出端连接所述第二模数转换器的输入端。

优选的，所述开关SW2的一端连接在所述开关SW1和所述第一电容感应盘之间，另一端接地；所述开关SW4的一端连接在所述开关SW3和所述第二电容感应盘之间，另一端接地。

优选的，所述触摸芯片的引脚13连接所述第一电容感应盘，引脚12连接所述第二电容感应盘。

优选的，所述第一电容感应盘和所述第二电容感应盘的电容通道走线相同，通道图案完全对称，大小相同。

优选的，所述第一电容感应盘和所述第二电容感应盘和所述电容通道走线在所述PCB板的正反面完全重合。

优选的，所述PCB板设置有元件的面为正面，没有设置元件的面为反面；所述PCB板的反面贴液体容器的外壁，用于检测水位的变化，正面用于检测外界干扰引起的电容变化，和隔离外界干扰。

一种水位检测方法，用于以上所述的一种水位检测装置的水位检测，包括：

S1、在容器无水和外界无干扰的情况下，得到基准值；

S2、在水位检测时，分别得到第一电容变化值、第二电容变化值和第三电容变化值；

S3、根据所述第二电容变化值、第三电容变化值对所述第一电容变化值进行修正；

S4、将修正后的所述第一电容变化值与所述基准值做差值；若所述差值大于预设的门限值，则判断水位达到门限对应的水位值；否则判断水位没有达到门限对应的水位值。

优选的，所述触摸芯片的内部电路包括开关SW1、开关SW2、开关SW3和开关SW4；

闭合所述开关SW1、开关SW3，断开所述开关SW2、开关SW4，测试可得到所述基准值、第一电容变化值；闭合所述开关SW2、开关SW3，断开所述开关SW1、开关SW4，测试可得到所述第二电容变化值；闭合所述开关SW1、开关SW4，断开所述开关SW2、开关SW3，测试可得到所述第三电容变化值。

优选的，所述基准值、第一电容变化值、第二电容变化值及第三电容变化值皆为所述第一电容感应盘和第二电容感应盘检测得到的电容值做差；所述第一电容感应盘和第二电容感应盘在所述触摸芯片内部同时进行检测。

实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：

本发明改变传统电容传感器的设计方式，不仅减小了外界环境(如温度、湿度、电压等)变化引入的检测误差，还能隔离外界金属和人体靠近的影响。进而减少了水位变化引起电容值大小的要求，加宽了可隔空检测的距离，降低对使用该水位检测装置的容器外壁厚度的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：

图1是本发明实施例的水位检测装置第一视角结构示意图；

图2是本发明实施例的水位检测装置第二视角结构示意图；

图3是本发明实施例的水位检测装置触摸芯片内部的电路图；

图4是本发明实施例的水位检测装置触摸芯片的引脚图；

图5是本发明实施例的水位检测方法的流程图；

图中：1、PCB板；2、第一电容感应盘；3、第二电容感应盘。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

实施例一：

如图1-2所示，本发明提供了一种水位检测装置，包括：PCB板1、触摸芯片U、第一电容感应盘2和第二电容感应盘3；第一电容感应盘2用于检测外界环境变化引起的电容值变化；第二电容感应盘3用于检测水位变化引起的电容值变化；触摸芯片U和第一电容感应盘2分别固定连接在PCB板1的正面；第二电容感应盘3固定连接在PCB板1的反面；第一电容感应盘2、第二电容感应盘3分别与触摸芯片U电连接。本实施例采用的触摸芯片能使两个触摸通道同时检测PCB板正反两面电容感应盘的对地电容，不仅减小了外界环境(如温度、湿度、电压等)变化对水位检测造成的误差，还能隔离外界金属和人体靠近造成的影响，加宽了隔空检测的距离。

作为可选择的实施方式，如图3-4所示，触摸芯片U的内部电路包括：开关SW1、开关SW2、开关SW3、开关SW4、第一运算放大器CA1、第二运算放大器CA2、第一模数转换器ADC1和第二模数转换器ADC2；第一运算放大器CA1的输入端通过开关SW1连接第一电容感应盘S1，输出端连接第一模数转换器ADC1的输入端；第二运算放大器CA2的输入端通过开关SW3连接第二电容感应盘S2，输出端连接第二模数转换器ADC2的输入端。开关SW2的一端连接在开关SW1和第一电容感应盘2之间，另一端接地；开关SW4的一端连接在开关SW3和第二电容感应盘3之间，另一端接地。触摸芯片U的引脚13连接第一电容感应盘2，引脚12连接第二电容感应盘3。第一电容感应盘2和第二电容感应盘3的电容通道走线相同，通道图案完全对称，大小相同。第一电容感应盘2和第二电容感应盘3的位置及电容通道走线在PCB板1的正反面完全重合。这种设计使得当外界环境变化时，会在两个触摸通道上产生方向一致，大小相近的对地电容变化，进而能够减小外界环境造成的误差。PCB板1设置有元件的面为正面，没有设置元件的面为反面；PCB板1的反面贴液体容器的外壁，用于检测水位的变化，正面为辅助检测，用于检测金属或人体靠近等外界干扰引起的电容变化，和隔离外界的干扰。

本实施例改变传统电容传感器的设计方式，不仅减小了外界环境变化引入的检测误差，还能隔离外界金属和人体靠近的影响，进而减少了水位变化引起电容值大小的要求，加宽了可隔空检测的距离，降低对使用该水位检测装置的容器外壁厚度的要求，传统电容式水位检测装置必须紧贴液体容器外壁，与液体的隔空位置不得超过2mm，而本实施例的水位检测装置与液体的隔空位置可在7mm及以上，极大的降低了对容器外壁厚度的要求。

实施例仅是一个特例，并不表明本发明就这样一种实现方式。

实施例二：

本实施例二与实施例一的不同点在于如图5所示，一种水位检测方法，用于以上的一种水位检测装置的水位检测，包括：

S1、在容器无水和外界无干扰的情况下，得到基准值；

S2、在水位检测时，分别得到第一电容变化值、第二电容变化值和第三电容变化值；

S3、根据第二电容变化值、第三电容变化值对第一电容变化值进行修正；

S4、将修正后的第一电容变化值与基准值做差值；若差值大于预设的门限值，则判断水位达到门限对应的水位值；否则判断水位没有达到门限对应的水位值。

作为可选择的实施方式，触摸芯片U的内部电路包括开关SW1、开关SW2、开关SW3和开关SW4；闭合开关SW1、开关SW3，断开开关SW2、开关SW4，测试可得到基准值、第一电容变化值；闭合开关SW2、开关SW3，断开开关SW1、开关SW4，测试可得到第二电容变化值；闭合开关SW1、开关SW4，断开开关SW2、开关SW3，测试可得到第三电容变化值。基准值、第一电容变化值、第二电容变化值及第三电容变化值皆为第一电容感应盘2和第二电容感应盘3检测得到的电容值做差；第一电容感应盘2和第二电容感应盘3在触摸芯片U内部同时进行检测。第一电容感应盘2和第二电容感应盘3在同一时刻检测对地电容值，可以保证环境(温度、湿度、电压等)变化或其他干扰(如电源共模干扰)对这两个电容感应盘的影响是一样，从而使得两个电容感应盘检测得到的数据受到相同的因素干扰，再使用差值算法可以消除这个干扰。

以一个水位检测点为例，说明本实施例的检测方法。预先在容器无水和外界无干扰(如无金属和人体靠近等)的情况下，闭合开关SW1、开关SW3，断开开关SW2、开关SW4，同时采样第一电容感应盘2和第二电容感应盘3两端的对地电容值分别为Data_S1、Data_S2，两端的扫描波形、频率和电压幅度等完全一致，环境(温度，湿度，电压等)变化引起的电容变化对两端采样时的影响是一样的，做两者的差值Diff0＝Data_S2-Data_S1即可消除环境影响，差值Diff0即为得到的基准值。得到基准值Diff0后就可进行水位检测，在检测过程中(可能有液体和金属、人体等靠近)，先闭合开关SW1、开关SW3，断开开关SW2、开关SW4，测试得到第一电容变化值Diff1；再闭合开关SW2、开关SW3，断开开关SW1、开关SW4，采样第二电容感应盘3端的对地电容值，第一电容感应盘2端接地，隔绝金属或人体靠近等外界干扰变化对第二电容感应盘3的影响，此时得到的第二电容变化值Diff2只反应水位的电容变化；最后闭合开关SW1、开关SW4，断开开关SW2、开关SW3，采样第一电容感应盘2端的对地电容，第二电容感应盘3接地，隔绝水位变化对第一电容感应盘2的影响，此时得到的第三电容变化值Diff3只反应外界干扰引起的电容变化；然后用第二电容变化值Diff2和第三电容变化值Diff3对第一电容变化值Diff1进行修正，假设预设的门限值为1000，则Diff1-Diff0>1000时，说明有水位到达了门限值所对应的位置，否则没有达到。随着水位的变化，采用该方法不断的检测，不断的更新第一电容变化值Diff1，每更新一次第一电容变化值Diff1就与基准值Diff0做一次比较，从而实现对水位的实时检测。

如表1所示，是在加满水时，电容感应盘与水不同距离的电容变化，可看出，随着距离的增加，检测水位变化的电容变化值迅速变小，到隔空7mm时，有水和没有水的数据只相差600，而传统水位检测，温差变化引起电容测试数据接近500，电压变化引起的数据变化超过1000，而金属或人体靠近带来的数据影响更大，在距离5mm时超过2000，因此传统紧贴容器外壁(容器外壁厚度小于2mm)的使用方法才能满足水位检测在各种情况下的可靠性。

表1电容感应盘与容器距离对电容变化值的影响

如表2-3所示，随着温度的升高，因为对两个电容感应盘测试的电容值做差，减小了温度的影响，可将温度变化的影响控制在使电容变化100以内，明显优于传统水位测试方法。

表2传统水位检测方法温度对电容变化值的影响

表3本实施例的水位检测方法温度对电容变化值的影响如表4所示，随着电压的增大，两个电容感应盘的差值算法可以抵消这个电压变化引起电容测试数据上的干扰。

表4供电电压对电容变化值的影响

如图表5所示，随着外界金属的不断靠近，由于第一电容感应盘2的隔离作用，当外界金属不同距离靠近时，对第二电容感应盘3(检测水通道)的影响非常小，最大影响在变化150左右，而传统测试方法无法区分外界金属或人体靠近的干扰。

表5外界金属靠近对电容变化值的影响

如表6所示，在电容感应盘距离容器外壁7mm时，测试的水位变化数据，可以看出，随着水位的增加，对第一电容感应盘2(检测外界干扰通道)的影响比较小，最大影响变化在350左右，更容易判断出数据变化是来源与水位改变。在第一电容感应盘2和第二电容感应盘同时检测对地电容的满水位的差值在1800左右，在消除了环境干扰后完全可以用来判断水位变化。

表6水位对电容变化值的影响

本实施例的发明方法，通过检测不同感应盘的对地电容和差值算法，不但可以抵消外界环境的干扰，还可以消除电源共模干扰；通过修正检测的电容变化值，排除了金属和人体等靠近的影响，得出了更加精确的水位变化数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水位检测装置，其特征在于，包括：PCB板、触摸芯片、第一电容感应盘和第二电容感应盘；所述第一电容感应盘用于检测外界环境变化引起的电容值变化；所述第二电容感应盘用于检测水位变化引起的电容值变化；所述触摸芯片和第一电容感应盘分别固定连接在所述PCB板的正面；所述第二电容感应盘固定连接在所述PCB板的反面；所述第一电容感应盘、第二电容感应盘分别与所述触摸芯片电连接。

2.根据权利要求1所述的一种水位检测装置，其特征在于，所述触摸芯片的内部电路包括：开关SW1、开关SW2、开关SW3、开关SW4、第一运算放大器、第二运算放大器、第一模数转换器和第二模数转换器；所述第一运算放大器的输入端通过所述开关SW1连接所述第一电容感应盘，输出端连接所述第一模数转换器的输入端；所述第二运算放大器的输入端通过所述开关SW3连接所述第二电容感应盘，输出端连接所述第二模数转换器的输入端。

3.根据权利要求2所述的一种水位检测装置，其特征在于，所述开关SW2的一端连接在所述开关SW1和所述第一电容感应盘之间，另一端接地；所述开关SW4的一端连接在所述开关SW3和所述第二电容感应盘之间，另一端接地。

4.根据权利要求1所述的一种水位检测装置，其特征在于，所述触摸芯片的引脚13连接所述第一电容感应盘，引脚12连接所述第二电容感应盘。

5.根据权利要求1所述的一种水位检测装置，其特征在于，所述第一电容感应盘和所述第二电容感应盘的电容通道走线相同，通道图案完全对称，大小相同。

6.根据权利要求5所述的一种水位检测装置，其特征在于，所述第一电容感应盘和所述第二电容感应盘的位置及所述电容通道走线在所述PCB板的正反面完全重合。

7.根据权利要求1所述的一种水位检测装置，其特征在于，所述PCB板设置有元件的面为正面，没有设置元件的面为反面；所述PCB板的反面贴液体容器的外壁，用于检测水位的变化，正面用于检测外界干扰引起的电容变化，和隔离外界干扰。

8.一种水位检测方法，其特征在于，用于权利要求1-7任一所述的一种水位检测装置的水位检测，包括：

S1、在容器无水和外界无干扰的情况下，得到基准值；

S2、在水位检测时，分别得到第一电容变化值、第二电容变化值和第三电容变化值；

S3、根据所述第二电容变化值、第三电容变化值对所述第一电容变化值进行修正；

S4、将修正后的所述第一电容变化值与所述基准值做差值；若所述差值大于预设的门限值，则判断水位达到门限对应的水位值；否则判断水位没有达到门限对应的水位值。

9.根据权利要求8所述的一种水位检测方法，其特征在于，所述触摸芯片的内部电路包括开关SW1、开关SW2、开关SW3和开关SW4；

闭合所述开关SW1、开关SW3，断开所述开关SW2、开关SW4，测试可得到所述基准值、第一电容变化值；闭合所述开关SW2、开关SW3，断开所述开关SW1、开关SW4，测试可得到所述第二电容变化值；闭合所述开关SW1、开关SW4，断开所述开关SW2、开关SW3，测试可得到所述第三电容变化值。

10.根据权利要求8所述的一种水位检测方法，其特征在于，所述基准值、第一电容变化值、第二电容变化值及第三电容变化值皆为所述第一电容感应盘和第二电容感应盘检测得到的电容值做差；所述第一电容感应盘和第二电容感应盘在所述触摸芯片内部同时进行检测。

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