摘要：燃油液位計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油保障系統(tǒng)的一個(gè)重要裝置,它的功能是準(zhǔn)確地測量油箱的剩余油量以維持對發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)供油，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常的運(yùn)行。本文介紹了電容式液位傳感器的基本原理和電容檢測芯片PSØ21的測量原理，設(shè)計(jì)了液位計(jì)系統(tǒng)的軟硬件，同時(shí)傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮到了液位傳感器的邊緣效應(yīng)，電路大大減弱了寄生電容雜散電容的影響，并實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償，提高了測量精度。實(shí)驗(yàn)表明燃油液位計(jì)能夠達(dá)到100Hz的數(shù)據(jù)刷新率，測量精度達(dá)到0.1升，并能實(shí)現(xiàn)可靠告警。

0 、引言：
  燃油液位計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油保障系統(tǒng)的一個(gè)重要裝置，它的測量結(jié)果是工作人員決定發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、工作時(shí)限的依據(jù)之一。燃油液位計(jì)的功能是準(zhǔn)確地測量油箱的剩余油量以維持對發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)供油，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常地運(yùn)行。變介電常數(shù)的電容式傳感器廣泛用于各種燃油或非導(dǎo)電液體的液位測量，它具有溫度穩(wěn)定性好、測量精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別適宜動(dòng)態(tài)、在線測量[1]。

1、液位傳感器原理：
  電容式液位傳感器是利用液位的變化使電容值改變的原理進(jìn)行測量，如圖 1 為電容式液位傳感器的原理圖。

圖1  變介電常數(shù)電容式傳感器
  兩個(gè)金屬圓筒分別為電容器的兩個(gè)極板，R 為外筒內(nèi)徑，r 為內(nèi)筒外徑，燃油介電常數(shù)為 ε，空氣介電常數(shù)為 ε0，液面高度為 Lx，圓筒高度 L，其電容量計(jì)算公式如下 ：

  其中參數(shù) R、r、ε、ε0、L 不變，電容量與液面高度 Lx 變化成正比。采用合適的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路即可將剩余油量進(jìn)行測量。為減弱邊緣效應(yīng)的影響，傳感器做得較小，R 與 r 的值非常接近[2]。液位傳感器輸出的電容信號(hào)很小（10~1000p F 的數(shù)量級(jí)），又存在傳感器及其連接導(dǎo)線雜散電容和寄生電容的影響[3-4]，電容信號(hào)測量電路的設(shè)計(jì)對于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)測控，擬采用德國 ACAM 公司的通用電容檢測芯片 PSØ21 設(shè)計(jì)傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。

２、PS021工作原理：
2.1、主要特性：
  PSØ21 芯片基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器而產(chǎn)生，這種高新的數(shù)字測量原理提供非常高的測量靈活性，具有非常廣的電容測量范圍，從 0f F 到幾百 n F。測量精度可編程，在10Hz 的刷新率和 5p F 的 Csense 情況下，精度***高可達(dá) 6a F。它也適用于測量速率高達(dá) 50k Hz 的應(yīng)用，低速測量情況下可實(shí)現(xiàn) 10μA 的低供電電流。PSØ21 具有獨(dú)立的溫度測量端口，接入溫度敏感電阻可簡單地實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償[5]。

2.2、測量原理：
  PSØ21 把電容測量轉(zhuǎn)化為的時(shí)間測量，傳感器電容與基準(zhǔn)電容的比值等于兩者放電時(shí)間的比值。其獨(dú)特的算法可以很好地抑制寄生電容對測量結(jié)果的影響，其內(nèi)部集成的溫度補(bǔ)償模塊還能保證很好的穩(wěn)定性，圖 2 為測量原理圖。

圖2  測量原理圖

  如圖２所示，PSØ21 控制模擬開關(guān) A1、A2 輪流通斷，二者導(dǎo)通時(shí)間相等，兩個(gè)電容依次輪流在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)充放電。對任意一個(gè)電容充放電時(shí)，在模擬開關(guān)的公共端充電到 Vcap 時(shí)施密特觸發(fā)器輸出引腳產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)Start，然后在放電到 Vtrig 時(shí)輸出引腳產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)信號(hào)Stop。Start 和 Stop 之間的時(shí)間間隔被 TDC 單元測量，得到各自的放電時(shí)間 τ，根據(jù) τ=RC 解算出傳感電容與參考電容的比值 Cref/Csensor。

2.3、數(shù)據(jù)輸出：
  在一個(gè)感應(yīng)電容變化而與另一個(gè)參考電容相比較的情況下，輸出數(shù)據(jù)的公式為 ：在測量差動(dòng)電容變化時(shí)輸出數(shù)據(jù)的公式為 ：Csensor 為感應(yīng)電容，Cref 為參考電容，ΔC 為差動(dòng)電容變化量，C 為差動(dòng)電容的初始量，Mult 用于將數(shù)據(jù)調(diào)整到所需要的單位。24 位的數(shù)據(jù)除以 256 直接以 ppm（百萬分之一）的倍數(shù)表示電容變化，數(shù)據(jù)格式為 16 整數(shù) 8 位小數(shù)的固定浮點(diǎn)數(shù)（故需除以 256）。

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
3.1、硬件設(shè)計(jì)：
  整個(gè)油量測控系統(tǒng)包括液位傳感器、 電源管理、PSØ21、控制模塊 MCU、溫度補(bǔ)償與顯示模塊 LED 等 6部分，圖３為測控系統(tǒng)框圖。

圖３系統(tǒng)原理框圖
  整個(gè)電路以 PSØ21 為核心，液位傳感器和參考電容接入模擬開關(guān)，經(jīng) PSØ21 采樣轉(zhuǎn)換成 24 位數(shù)據(jù)傳送至MCU。電源管理模塊采用 LP5996 為 MCU 模塊提供 3.3V 電源、MAX1595 為 PSØ21 提供 5V 電源。MCU 模塊通過SPI 接口對 PSØ21 進(jìn)行模式配置，并通過 SPI 接口接收PSØ21 轉(zhuǎn)換電容變化產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，MCU 對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理，然后輸出到 LED 實(shí)時(shí)顯示油量剩余。
  發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度變化范圍比較大，很有必要對電容的測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則測量的精度得不到保證，溫敏電阻的連接如圖２所示，PSØ21 的溫度補(bǔ)償模塊，將測量的溫敏電阻與低溫漂固定電阻的比值 Rtemp/Rref 用于其內(nèi)部電路的補(bǔ)償計(jì)算，可大大降低溫度的影響。

3.2、單片機(jī)程序設(shè)計(jì)：
  單片機(jī)采用 TI 公司生產(chǎn)的超低功耗 MSP430FG4618芯片[6]，其控制程序主要是通過 SPI 接口往 PSØ21 發(fā)送控制字（其控制字如表１所示），實(shí)現(xiàn)工作模式控制和數(shù)據(jù)接收。

表１  芯片PSØ21的控制字
  PSØ21 的內(nèi)部具有 16 個(gè)寫寄存器，必須嚴(yán)格按照圖4 模式配置流程所示編寫 C 或匯編程序，否則無法進(jìn)行配置，其中的 N ***大值為 16。需要進(jìn)行如下配置 ：首先配置成單傳感器的補(bǔ)償模式化 ；根據(jù)電容變化范圍、參考電容值、放電電阻值設(shè)定合適的 Cycle Time 值 ；設(shè)定校準(zhǔn)的周期數(shù)、校準(zhǔn)平均因數(shù)、溫度測量頻率進(jìn)行設(shè)置 ；設(shè)定晶振模式、溫度測量速率[7-8]。

圖４模式配置流程圖
  配置完畢，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示、油量剩余告警和自動(dòng)加油，設(shè)計(jì)其工作控制流程如圖５所示。

圖５工作控制流程圖

4、標(biāo)定與測量：
  液位傳感器的電容值與液面高度成正比，而 PSØ21內(nèi)部也有線性算法。油量從 0 到滿載時(shí) 50 升的電容量變化范圍為 100~1200p F，調(diào)整 PSØ21 數(shù)據(jù)輸出公式的乘法因數(shù) Mult 可直接對油量進(jìn)行標(biāo)定，直接標(biāo)定到油量為0~50 升，因此可直接輸出 0~50 升的油量變化 , 測量結(jié)果如表 2 所示。

表2  測量結(jié)果

5、結(jié)論：
  電容信號(hào)測量電路所采用的 PSØ21 芯片的內(nèi)部算法對系統(tǒng)的寄生電容進(jìn)行了偏移補(bǔ)償，去除了寄生電容的影響，其內(nèi)部集成的溫度補(bǔ)償模塊簡單地外接溫敏電阻，大大降低了溫度的影響，提高了電容測量精度。滿油量為50 升時(shí)，油量測控系統(tǒng)測量的精度可到 0.1 升，數(shù)據(jù)刷新頻率可達(dá) 100Hz，并在剩余油量下降到５升時(shí)，及時(shí)發(fā)出告警。實(shí)驗(yàn)證明該燃油液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確可靠、響應(yīng)快、使用方便，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)動(dòng)機(jī)油量變化的實(shí)時(shí)測量。