基于CF的多路太阳能热水器水位传感器设计

基于C/F的多路太阳能热水器水位传感器设计

海 涛1 吴争1 林波2 邓力涌1 梁文恒1 韦皓1

（广西大学电气工程学院1，广西南宁 530004； 广西比迪光电科技工程有限责任公司2，广西南宁 530031） 摘 要：设计了一种基于NE555谐振电路的电容/频率(简称C/F)转换的多路水位传感器。单片机实时检测谐振电路输出频率确定水位信息，控制GAL芯片实现多路水位测量。通过对不同水位及不同水温下的输出频率进行正态分布分析，确认了5档划分满足太阳能热水器水箱水位测量要求。实验表明该传感器准确度较高，可靠性强，可用于温度为20°至100°之间的多路太阳能热水器水位测量。 关键词：C/F；多路水位测量；多谐振荡电路；频率；水位浸没法

中图分类号：TP216 文献标识码： 文章编号：

The design of Multipath solar water heater water level measurement senor based

on C/F

HAI Tao1, WU Zheng1, LIN Bo2, DENG Li-yong1, LIANG Weng-heng1

(School of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; Guang Xi Bidi Photoelectric

Technology Engineering Co., Ltd, Guang Xi Nan Ning 530031)

Abstract: Designs a NE555 multivibrator circuit capacitance/frequency conversion (C/F) of multipath water level sensor. Microcontroller real-time detecting resonance circuit output frequency to determine water level information, control GAL chip to realize the multipath water level measurement. For different water levels of output frequency under different temperature, normal distribution analysis confirmed that the 5-speed satisfies the requirements of daily life level measurement. Experiment results show that the sensor has the characteristics, such as high-accuracy, high-reliability, can be applied to the temperature range of 20 ° and 100 ° of Multipath solar water heater water level measurement.

Key words: C/F; Multipath water level measurement; multivibrator circuit; frequency; Water immersion method 0 引言

应用于太阳能热水器水箱的水位测量主要特点是温度变化大(20°-100°)[1-2]。现提出一种实用简易的水位测量方法：通过电容/频率(简称C/F)转换，经过LPC1114单片机的计算获得被测水位[3]。民用水位测量产品，性能与价格很难兼顾。使用NE555多谐振荡器测量水位可以实现远程测量，且精度高，该传感器电路简单、经济。采用此方法，对于提高

产品性能、降低成本具有一定的实用意义[4]。 1 设计原理

RC振荡水位传感器的总体设计原理如图1所示。多个相同电容值电容等距离串联放入水中，当水位发生变化时，浸没不同数量电容造成串联电容组不同数量电容短路，进而影响串联电容组总电容值。单片机接收RC振荡电路输出的频率值，通过相关数学公式计算得出水位位置。

海涛(1963-)，男，广西桂林人，工学学士，高级工程师，硕士生导师，主要从事自动控制与检测装置及太阳能综合应用的研究。吴争(1989-)，男，湖南永州人，硕士研究生，研究方向为控制工程。

1

C0RC电路单片机显示C1C2串联电容组C3水面C460? 图1 一路C/F水位传感器工作原理图

Fig 1 The schematic diagram of a C/F water level sensor

2 振荡器及水位测量方法

采用NE555定时器构成多谐振荡器，其中电容为图1中电容串联后的等效电容，取值范围为0~50nF。振荡器输出的周期参数直接取决于RC电路中阻容元件R1、R2、错误！未找到引用源。C的数值，其周期可表示为：

T?0.693?2R1?R2?C (1)

即f?1K?2R，K

1?R2?C错误！未找到引用源。是一个系数。当电阻R1、R2的值固定时，电容的数值随着水位的变化而变化，RC振荡器的输出振荡周期也将发生相应的变化。水位测量方法是利用单片机测量出的振荡周期[3]

，通过C/F对应关系，确定被测水位。以单片机LPC1114为控制器核心，对电容器信号进行检测并从硬件和软件两方面进行误差校正及补偿，对水位控制采用相关的控制算法并在实验室中通过反复测量相关参数。 3 硬件及控制方法 3.1 电容的选取及其参数

根据实际需求选取电容作为传感器，且确定串

联的数量。当水位发生变化时，浸没部分电容相当于短路，使得总电容值C改变。选取错误！未找到

引用源。C0?C1??Cn?47nF。当部分电容

浸没水时有：

11rC?C?1??10C1C?iCr (2)

Cr?1?n1,(0?i?n)j?i?1Cj (3)式中：Ci为第i个电容的值；

r为水的等效电阻；

Cr为水中浸没部分的总电容值。

因为水的等效电阻很小，在实际中可视为r?0错误！未找到引用源。，所以有：

1C?1?r1i?0Ci (4)水位与电容值、理论输出频率之间的关系如表1所示。

表1 水位与电容及理论输出频率对应表

Tab 1 Water level and capacitance and ideal output frequency corresponding

to the table

水位 100% 80% 60% 40% 20% 0% 短路电容数 5 4 3 2 1 0 电容值(nF) 23.5 15.67 11.75 9.4 7.83 6.71 理论频率(Hz)

573

860

1147

1433

1721

2008

3.2系统硬件电路及控制

根据要求选用了基于Cortex-M3核心的Arm单片机LPC1114，是为嵌入式系统应用而设计的高性能、低功耗的32位微处理器[5]。

由单片机控制的NE555振荡器硬件电路如图2

2

所示。

图2 单片机控制的C/F工作原理图

Fig 2 C/F oscillator working principle of microcontroller

图2中 U1为NE555，U2为与门，C1为没有被自来水浸没短路的电容，C2为被自来水浸没短路的电容，R6为水的等效小电阻。U1的第1脚GND是工作地，第3脚OUT是频率输出端。

根据数据采集实时性的要求，控制与门U2间歇导通。每1.1s周期中，单片机对与门输出1个1s的高电平，控制与门的输出。在TON=1s错误！未找到引用源。期间内，单片机INO中断有效，得到脉冲个数N，即得到所测频率f。 4 多路水位测量

8路水位测量系统如图3所示。

U1X1Y0单单U2X2单单单单U3X3Y1单单单16V8Y2单单Y3单单U8X8

图3 8路水位测量系统示意图

Fig 3 The 8 path water level measurement system

图3中U1、U2、U3…U8为各路NE555的标号，Y0为单片机接收外中断的引脚，Y1、Y2、Y3是单片机发出控制信号引脚。多路水位测量系统采用的GAL16V8芯片组合逻辑电路，其控制逻辑为：

Yo?X1YY12Y3?X2YY12Y3?X3YY12Y3?X4YY12Y3?X5YY12Y3?X6YY12Y3?X7YY12Y3?X8YY12Y3 (5)多路水位测量系统的控制时序如图4所示。与一路的水位测量系统类似，单片机控制GAL16V8芯片相关引脚，选中对应C/F电路的输出到单片机中。

T=1.1s对应U1的控制波形t1ON?125ms对应U2的控制波形tt8ON?125ms2ON?125ms对应U8的控制波形t=1s 图4 8路水位测量的控制时序图

Fig 4 The control sequence diagram of 8 path water level measurement

5 频率信号与水位的换算

C/F电路电容C的值与水位变化之间关系呈阶梯状，所以频率与水位也是阶梯状关系。根据实际

测量范围和测量精度的要求，在实验中使用了公式比较法，得到了理想的结果。

不同水位的频率均值如表2所示。现有公式如

下：

fm?fxf?10m (6)式中：fx为测得电路输出频率；

3

错误！未找到引用源。fm为m档水位的对应频率均值，m取值范围为1~6。

取测得电路输出频率值为fx，将fx值代入上述公式中。

令m=1，若(6)成立，则得出水位位置为100%； 否则，令m=2，若(6)成立，得出水位位置为80%；

依次类推，可得出其他水位位置。

实验证明：比较法计算简单，单片机实现容易，且稳定可靠，精度合适。可根据实际精度要求，进一步增加水位档次，理论上，串联电路越多，精度越高。 6 数据分析 6.1 实验数据分析

本文对水温为24°至26°的自来水进行了数百组重复实验，根据均值公式及标准差公式对所得数据进行正态分析，得到不同水位下的输出频率数组相关参数如表2所示。

表2 水位/频率数据相关参数(单位：Hz) Tab 2 Capacitance/frequency data correlation parameters

水位(%) 0 20 40 60 80 100 频率均值 1811

1612

1299

986

659

328

对应符号 f6

f5

f4

f3

f2

f1

频率标准差

18.21 35.54 31.31 23.11 19.78 6.68 3?f

3.0%

6.6% 7.2% 7.0% 9.0% 6.1% ?fmax?f?f 2.3% 6.9% 8.4% 7.9% 8.3% 5.8% ?fmin?f?f

1.4%

3.3%

3.3%

3.4%

4.6%

2.7%

通过表2可以看出，在水位为0%时，没有传感电容浸水短路，不受到自来水的影响，频率组的

方差较小。当水位位置为20%至100%时，串联电容受到自来水的影响，水中电容部分相当于并联了

小电阻，方差都有不同程度的增加。随着水位由20%逐渐增加至100%，短路电容数量不断增加，电路中C1电容值增大，受到自来水的等效电路的影响减小，方差值也逐渐减少。

6档不同水位的输出频率的正态分布如图5所示。

图5 6档不同水位的频率正态分布图

Fig 5 The 6 different water level of frequency of the normal distribution

根据拉依达准则(错误！未找到引用源。准则)，对某个数据错误！未找到引用源。，若：

fx?f?3? (7)则认为该数据是异常值。且由表2可知，对于不同水位下的频率都有以下不等式成立：

3?mf?10%m (8)因此取输出频率的相对误差限为10%。

图6 不同温度下的水位/频率均值关系图

Fig 6 The water level/frequency diagram under different temperature

水温为50°和100°时的输出频率均值与25°时

4

输出频率的10%相对误差限的关系如图6所示。从图中可看出，虽然随着水温的上升，频率均值都有所减小。但是减小幅度很小，变化不超出25°时输出频率的10%。可以满足一般性的水位测量需求。 6.2 误差分析

(1) 单片机测量的只是1s内的振荡频率，相对于真实的输出频率f，所得的水位精度较高，但是对采样实时性有所影响。如果减少采样时间，可以提高采样实时性，但是会降低精度。由 RC振荡频率公式F?1C?1KR,等效于F?C*?K*，其中K*=1KR，R*=1C，因此适当的减小电阻R的值，

相当于提高系数K*值，单位时间内检测到的频率值就成倍数的增加，有利于提高检测的精度，减小误差。

(2) 多路测水位时，尽量选择同一批次生产、规格型号相同一致的电容和555振荡器，可以有效减小由于器件不一致性引起的系统误差。

(3) RC振荡电路的输出波形在小范围内也存在振荡，也会引起测量的误差。

(4) 多路测量时，由于采用分时检测，每路采样时间减少，频率误差有所增加。但仍在误差允许范围内，不影响每路水位档位确定。 7 结束语

提出了一种新型的水位测量方法，即将电容信号转换为频率信号，根据相关数学公式得出被测水位档位，本文给出了详细的设计及实验过程，结果已得到实验证明。基于单片机的C/F振荡多路水位

传感器，具有可靠性强、性价比高、抗干扰能力强，适用范围广等优点。现已应用于太阳能热水系统水箱以及日常生活中对水位精度要求不高的水位测量领域。实践证明该传感器使用效果良好。 参考文献：

[1] 盖志刚，赵杰，杨立，等.一种新型激光智能水位测量系统的研制[J].光电子.激光，2013，24(3):569-572.

[2] 刘志壮，洪添胜，张文昭，等.一种智能液位检测仪的设计[J].微计算机信息，2007，23(2-1):156-212 [3] 海涛，李昭勇，廖炜斌，等.基于单片机的RC振荡R/F多路测温系统设计[J].自动化与仪表，2013(1):51-55.

[4] 高超，王俊雄.新型栅状电容式液位传感器原理及应用[J].仪表技术及传感器，2011，3:9-11. [5] 焦冰，唐慧强.基于ARM的一体式超声液位计的设计[J].仪表技术与传感器，2008，9:21-23. 联系方式： 联系作者：吴争

地址：广西大学 电气工程学院 410房 邮编：530004

E-mail:w171330558z@126.com 电话/手机：18249949907

基金资助：国家自然科学基金资助项目(51267001)

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