（检测技术与自动化装置专业论文）基于空气、水、冰电容差异的冰层厚度测量系统.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于空气、水、冰电容差异的 冰层厚度测量系统 摘要 近年来极地冰川和内陆高原冰川消融幅度比较大，另外，我国北方地 区的大河、大江都存在着不同程度的凌汛问题。要了解冰川融化和冰凌的 发生，就离不开对冰层厚度的测量。鉴于此本文提出了利用空气、冰、水 的电容差异测量冰层厚度的新方法。通过大量的实验结果分析发现三者电 容值存在数量级上的差异，可以将测得的电容值转化为频率或者数字信号， 由于电容值存在数量级上的差异，那么在传感器逐点测量中，如果有频率 或者数字信号的跳变，就说明是测量的介质由一种变为了另外一种。只要 测出两次这样的跳变，那么就可以分辨出冰层的上界面和下界面了，上下 界面之差就是冰层厚度了。以下简要介绍了整个系统的设计。 在本文中主要介绍了测量冰厚的电容传感器的结构，电容转换为频率 或者数字信号的信号调理电路，数据处理电路及上位机的显示与处理。电 容传感器结构是由按照等间隔排列的多组平板电容组成，内部设计了每个 电容的选通电路。信号调理电路设计了三种调理方式：一种是采用专用芯 片a d 7 7 4 5 实现电容直接转换为2 4 位数字信号；另外两种采用了不同的振 荡电路实现电容向频率的转换。在信号调理电路中还完成了接受采集指令 进行数据采集以及向数据处理电路发送采集数据。数据处理电路是以单片 机为核心包括时钟、存储、通讯等的电路。时钟电路不仅提供了测量的实 太原理工大学硕士研究生学位论文 时时间，而且产生一分钟一次的中断信号用于单片机向信号调理电路发采 集指令。由于在数据传送中有可能会丢失或者传输错误，也有可能上位机 没有实时的接收数据，所以设计了存储数据电路以便日后补测数据。上位 机的显示与处理程序中包括了数据存储、数据分析处理及显示实验数据得 出冰层厚度。 通讯主要有三种方式：第一种方式是利用串口与上位机通讯，适合近 距离的数据传输；第二种方式是利用r s 2 3 2 转c a n 总线实现数据远传和多 个传感器的联网控制；第三种方式是通过g p r s g s m 模块实现数据的远传。 关键字：电容传感器，信号调理，单片机，g p r s 太原理工大学硕士研究生学位论文 i c el a y e rt h i c k n e s s 匝a s u r e 匝n t s y s t e mb a s e do nt h ec a p a c i t a n c e d 正f e r e n c eo fa i r 、m r 、i c e i nr e c e n ty e a r s ，e x t e n to ft h ep o l a rg l a c i e ra n dt h ei n l a n dp l a t e a ug l a c i e r m e l ti sc o m p a r a t i v e l yb i g ，g r e a tf i v e r ，g r e a tr i v e ra l le x i s ti c er u np r o b l e mi n n o r t ha r e ao fo u rc o u n t r yb e s i d e s e s s e n t i a la c q u a i n t a n c eg l a c i e rt h a w i n ga n d o c c u r r e n c eo fi c i c l ew i l lb en o tt og e ta w a yt om e a s u r et h i c k n e s so fi c el a y e r a c c o r d i n gt ot h i s ，t h en e wm e t h o do f m e a s u r i n gi c el a y e rt h i c k n e s sh a sb e e np u t f o r w a r do nt h eb a s eo f t h ed i f f e r e n c eo f a i r ! i c e 、w a t e rc a p a c i t a n c ei nt h i st h e s i s a l lt h a tc a p a c i t a n c ev a l u e so ft h r e em e d i u me x i s td i f f e r e n c eo fo r d e ro f m a g n i t u d ew e r ed i s c o v e r e db yt h ef a c tt h a tl a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n tr e s u l t a n a l y s i s ，c a p a c i t a n c ev a l u em e a s u r e dc a nb ec h a n g e di n t od i g i t a ls i g n a l o r f r e q u e n c yt h a tt h es i n g l ec h i pm a ym e a s u r e ) s i n c ec a p a c i t a n c e v a l u ee x i s t su p p e r d i f f e r e n c eo fo r d e ro fm a g n i t u d e ，w h e nt h es e n s o ri sm e a s u r e dp o i n t - b y p o i n t ，s h o wb e i n gt h a tt h em e a s u r i n gm e d i u mh a sb e c o m ea n o t h e ro n ek i n d f i o mo n ek i n di ff r e q u e n c ys p r u n g ，a sl o n ga sc h a n g ei sm e a s u r e do u tt w i c e s u c hs p r i n g i n g ，s o ( w e ) c a nr e s o l v eu p p e ra n dd o w ni n t e r f a c eo fi c el a y e r , d i f f e r e n c eo fi n t e r f a c ei st h i c k n e s so fi c el a y e r t h ef o l l o w i n gw i l li n t r o d u c e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 e n t i r es y s t e m a t i cd e s i g nc o n c r e t e l y ( w e ) h a v ei n t r o d u c e dt h es t r u c t u r eo fc a p a c i t a n c es e n s o ro fm e a s u r i n gt h e i c et h i c k n e s sm a i n l yi nt h em a i nb o d yo ft h et h e s i s ，t h ea d j u s t i n gc i r c u i to f f r e q u e n c yo rd i g i t a ls i g n a lc h a n g e db yc a p a c i t a n c e ，d a t ah a n d l i n gc i r c u i ta n d d i s p l a ya n dp r o c e s so f u p p e rm a c h i n e c a p a c i t a n c es e n s o rs t r u c t u r ei sc o m p o s e d o ft h em u l t i u n i tf l a t c a p a c i t a n c ea r r a n g e da c c o r d i n gt ot h es a m eg a p ，d e s i g n s e l e c t i o nc i r c u i to f e v e r y c a p a c i t a n c ei n s i d e s i g n a la d j u s t e dc i r c u i th a sd e s i g n e d t h r e ek i n d so fa d j u s t i n gw a y ：o n ek i n di st h a tt h er e a l i t yo fc h a n g i n g c a p a c i t a n c ei n t of r e q u e n c ya d o p ts p e c i a lc h i pa d 7 7 4 5 ；a d o p tt h ed i f f e r e n t o s c i l l a t i n gc i r c u i tt or e a l i z ec a p a c i t a n c ec h a n g i n gi n t of r e q u e n c yb e s i d e st w o k i n d s i tc o m p l e t e sa c q u i s i t i o nd i r e c t i o na n dl r n $ t oc o l l e c td a t ai ns i g n a l a d j u s t i n gc i r c u i ta n ds e n d sc o l l e c t i n gd a t at ot h ec i r c u i to fd a t ap r o c e s s t h ed a t a h a n d l i n gc i r c u i ti st h ec i r c u i tt a k i n gs i n g l ec h i pa s c o r ei n c l u d i n gc l o c k 、m e m o r y , c o m m u n i c a t i o ne t c n o to n l yc l o c kc i r c u i t p r o v i d e s t h er e a lt i m ef o r m e a s u r e m e n t ，b u ta l s ot h ei n t e r r u p t i o ns i g n a lp r o d u c i n go n et i m eo fam i n u t ei s u s e dt ob et h a ts i n g l ec h i ps e n d st h ec o l l e c t i o ni n s t r u c t i o nt os i g n a la d j u s t i n g c i r c u i t s i n c ed a t at r a n s f e rc a nh a v eam i s t a k eo rp o s s i b l yb el o s ti ns e n d i n gd a t a , a l s op o s s i b i l i t yu p p e rm a c h i n ed o e sn o ta c c e p t i n gd a t ai nr e a lt i m e ，t h e r e f o r et h e d a t ac i r c u i th a v i n gd e s i g n e dm e m o r yc a l lb eu s e dt om a k eu pd a t ai nt h ef u t u r e t h ed i s p l a y i n ga n dd i s p o s i n gp r o g r a mo fu p p e rm a c h i n ei sc o m p o s e do fd a t a m e m o r y 、d a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s sa n dd i s p l a yo fr e a c h i n gt h ei c el a y e r t h i c k n e s sa c c o r d i n gt oe x p e r i m e n td a t a i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o m m u n i c a t i o nh a st h r e ek i n d sw a ym a i n l y ：t h ef l s tk i n do fw a yi st h e c o m m u n i c a t i o nm a k i n gi i s eo fs e r i a lp o r ta n du p p e rm a c h i n e ，i ss u i t a b l et ot h e c l o s eq u a r t e rd a t at r a n s m i s s i o n ；s e c o n dk i n do fw a yi sb et h a tm a k i n gu s eo f r s 2 3 2t oc a nb u sr e a l i z e sd i s t a n tt r a n s m i s s i o no fd a t aa n dm a n ys e n s o r n e t w o r k i n gc o n t r o l ；t h i r dk i n do fw a y i st h a tt h ed i s t a n ts e n d i n gd a t ai sr e a l i z e d b yt h eg p r s g s mm o d u l e k e yw o r d s ：c a p a c i t a n c es e n s o r ，s i g n a la d j u s t m e n t ，s i n 舀ec h i p ，g p r s v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：叠龛麴日期：塑宰：乏生 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 导师签名：毖日期：鲨圣：生： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 近年来，极地冰川和内陆高原冰川消融幅度比较大，这是影响全球气温变化和人类 生存环境的重要因素之一。在极地考察中有关极地冰的生消变化监测目前也只能依靠雷 达，但对冰川及非平整冰的测量误差较大，不能得到准确连续的数据，使我国在极地科 考中对海冰的自动化监测成为空白。为了能有效测量冰川消融的整个变化过程，在南极 极其恶劣的自然条件下需要一种自动化测量冰层厚度的测量仪以实现对冰层的实时连 续测量【l 】。 其次，我国北方地区普遍存在冰冻现象，凌汛是威胁黄河流域数千公里封冻河道沿 岸人民生命与水电工程设施安全的重大自然灾害隐患之一。在高寒地区河道弯曲回环的 地方出现严重凌汛的隐患要更大。近几年关于黄河冰凌报道也逐年增多，2 0 0 1 年发生 在内蒙古乌海市黄河冰凌决堤，2 0 0 4 年发生在黄河山西省境内的小北干段、永济黄河段 的冰凌险情就是实例。由于没有可供实际使用的冰生消过程自动检测设备，目前我国北 方冰冻地区对冰层厚度、冰下水位的检测多采用人工凿洞或钻冰进行。因而冰厚测量系 统成为我国水文自动监测、冰凌灾害预警系统的一个“技术、设备盲区”【2 】。 另外，随着南水北调工程的深入，冬季冰下输水安全显得尤为重要，当冰层冻结到 一定程度，才能降低水位，这就需要对冰层厚度进行动态监测。目前水已成为宝贵的战 略资源，在冬、春季冰封时期对北方大多数水库，为了计算库容与合理调配水量，需要 掌握冰层厚度与冰下水位的变化情况，需要掌握冰层表面变化的实时数据。 综上所述，寻求一种可以对冰层厚度生消变化过程进行连续自动检测的方法和设计 一种自动化与信息技术融合的冰层厚度测量仪不仅具有极高的科学理论研究价值，而且 具有广阔的市场应用前景。 1 2 国内外冰层厚度的监测现状 虽然，电容式传感器应用到的领域比较多，但是在测量冰层厚度的这个方面还处于 太原理工大学硕士研究生学位论文 起步阶段l j j 。而目前国内外应用的冰层厚度测量的方法主要有以下三种类型：一类是直 接测量法，它依靠人工凿冰或打钻直接测量冰厚和水位，我国北方水文站主要采用这种 方法。它的优点是数据可靠，缺点是自动化程度低、劳动强度高、危险性大，不能保证 在同一地点自动定时监测或在多地点进行同步自动化连续监测，所以至今没有完整的冰 生消过程变化数据，影响到冰生消所引起的自然灾害的预测预报；第二类是通过卫星进 行遥测，其优点是适宜于对大面积冰监测，缺点是无法掌握局部小范围冰层结构内部的 生消变化过程，难于应用到许多宽度狭窄的黄河及其它河流明渠以及水利设施的冰监 测；第三类方法是电磁学、声学等物理探测方法，如超声波探测法。它们的优点是操作 简单、迅速，但缺点是误差大。其误差主要来自冰性质变化对电磁波或声波的影响。研 究表明冰的温度随时间和空间在不断地变化，而冰的温度变化直接控制着冰声学性质、 电学性质和光学性质，所以物理探测方法的结果被复杂多变的气象条件和冰结构条件影 响着，难以找到合理的途径消除和降低这些误差【4 】。 由于冰层厚度检测应用场合的特殊性以及传感器和相应的检测设备是在十分恶劣 的环境下进行的，因此，寻求一种可以适应于野外自然环境条件下对诸如河道、冰川、 水库等冰层厚度及冰下水位进行高精度自动化检测的方法及设备是一个亟待填补的空 白研究领域嘲。 1 3 利用空气、冰、水电容差异测量冰厚的机理研究 1 3 1 实验机理 由于物理状态不同的空气、冰、水其电容存在差异，设计一种数字电路将电容值转 化为数字信号或者频率信号。若将平行板电容按照等间隔顺序排列组成测量冰厚的传感 器模型，那么通过数字电路连续扫描该传感器模型，则只要测得电压或者频率发生跳变 就可判断出该处是两种介质的分界面，若两个分界面即空气与冰的分界面和冰与水的分 界面得知，那么冰层厚度就是两个分界面所处位置的差值。以上分析了测量冰厚的机理， 如下是实验的环节。 1 3 2 实验的条件和实验模型 实验的测量系统结构图如图1 - 1 所示： 实验用冰箱作为水结冰的设备，测量电容采用优利德多功能数字万用表u t 7 0 b ，测 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 量软件用万用表自带软件( u t 7 0 bi n t e r f a c ep r o g r a m _ v e r3 0 4 ) ，万用表与电脑之间用红 外转r s 2 3 2 串口线连接，测量温度采用数字温度计t m 9 0 2 c ，电容极板用双面覆铜板。 实验的电容模型是平行板电容，若不考虑电容极板的边缘效应 6 1 ，电容的公式： c ：坐( 1 ) d 其中：r - 一极板间介质的介电常数；s 一相对平行极板的有效面积；d 一极板间距离。 诛层 图1 - 1 测量系统的结椅 f i g 1 - 1s t n i c 眦o f m e a s u r e m e n ts y s t e m 实验中设计了两种平行板电容测量模型：1 极板间隔2 4 e r a ，极板的长宽分别为： 3 0 e r a 、0 9 e r a ：2 面积为4 5 2 4c m 2 ，平行板间隔为8 m m 。 1 3 3 实验方案 为了分析空气、冰、水电容差异，首先测量不同结构下空气作为电介质时随温度变 化的电容值，然后测量水结冰和冰融化成水的过程。水结冰的过程从室温2 0 摄氏度开 始到零下2 2 摄氏度。冰融化为水的过程是第一个过程的逆过程。在两个过程中记录各 种电容结构在相同温度间隔下的电容变化值。在实验中测量同种结构下多个电容值，取 多个电容值的均值作为该结构在某一温度下的实验值。 1 3 4 理论分析及实验数据分析 水作为电容介质其介电常数遵从k l a u s i u s m o s o t t i 方程： 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 三d ：丝 ( 2 ) + 2 3 e o 式中：n 为单位体积内极化的粒子数；a 为电介质极化率；为空气中的介电常数；g ， 为介质的介电常数。在上述公式中，n 与a 的值不仅与介质自身特性有关，还与测试方 法，测试频率，测试前以及测试中的材料状态有关，所以在实验中发现测得在同温度、 同频率下水的电容值是一个小幅变化的值。空气的介电常数近似为1 ，由实验测得空气 作为非极性电介质其介电常数受温度变化影响不大。冰作为固态物质，其介电常数随温 度及测试频率变化的曲线图如下图1 2 所示： ： ( 取自于c p s m y t ha n dc s h i t h c o c k , j a m c h e m s o c 5 4 ，4 6 3 1 ( 1 9 3 2 ) ) 图1 2 冰的介电常数在不同温度与不同频率下其变化的数据图 ( a ) 为实数部份 为虚数部份 f i g 1 - 2 d a t a c h a g t o f c a p a c i t o r c o n s t a n t o f i c e i n d i f f e r e n t t e m p e r a t u r ea n d d i f f e r e n t f r e q u e n c y ( a ) r e a ln u m b e r ( b ) i m a g i n a r yn u m b e r 在固定频率下冰的介电常数随着温度下降而下降。以下是实验测得两种电容模型在 水结冰和冰融化成水的过程中随温度变化冰、水电容变化的图表。温度在零度以下是冰， 零度以上是水 7 1 。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 】水结冰过程中两种电容模型的冰，水电容值 t a b 1 - li c ea n d w s l e r c a p a c i t o r v a l u e o f t w o t y p e o f c a p a c i t o r m o d e ld u r i n g w a l c r f l e e z i n g 蔷l 厦 位 2 01 71 41 18621- 4- 7- 1 0一1 3 - 1 6- 1 9- 2 2 ( c ) j 再一 种攫 6 4 84 8 13 8 52 。9 52 3 6 1 。3 31 1 34 9 93 5 51 2 8o 8 01 0 1o 6 0o 5 01 2 3 型的 电窖 u fu fu f u f u fu fu fn f n f n fn fn fn fn fn f 值 舅l 二 种模 3 0 32 8 32 4 8 1 6 o1 6 8 1 4 62 7 55 6 73 0 b2 9 52 7 7 1 8 32 0 51 4 79 7 0 型的 电容 u fu fu fu fu fu fu fn fn fn fn fn fn fn fn f f i t 由上表1 - l 可知：第二类电容值由于极板的面积较大、极板间隔较小，所以冰与水 f 的电容数据明显比第一类电容值要大。另外，实验测得水、冰的电容数据跟理论不完全 一致，但是两种电容模型的电容总体变化趋势没有改变，随温度的下降电容值也呈现下 降的趋势，只是在某一温度下有部分数据发生跳变。这可能是测量过程受到干扰或者电 介质本身的特质有所改变造成的。 表1 - 2 冰融化成水的过程中两种电容模型的冰水电容值 t a b 1 - 2i c ea n dw a t e rc a p a c i t o rv a l u eo f t w ot y p eo f c a p a c i t o rm o d e ld u r i n gi c em e l t i n g l 值 2 21 9- 1 61 3- 1 0- 7- 412581 11 41 72 0 ( 。 c ) ，i 一 种；龟 1 1 21 5 71 2 7o 4 81 2 91 2 02 2 76 7 7o 2 12 6 02 8 03 0 73 8 04 5 36 3 9 ! 鱼自0 电容 n f n f n fn in fn fn fn fu fu fu fu fu fu fu f i t 种类 1 0 21 5 31 9 61 0 41 3 52 5 o2 9 o3 4 59 8 01 5 o1 7 41 8 32 7 13 0 o3 4 1 的电 窖值 n fn fn fn fn f n f n f n f u f u fu fu fu fu fu f 型 由上表1 2 可知：在冰融化的过程中随温度的升高电容值的总体趋势是在增大，但 是在某一温度下也出现电容值的跳变。在水结冰和冰融水的过程中所测得电容值有些差 异，但是没有太大变化。 实验测得两种电容模型在介质为空气时的电容值是一个不变的值0 4 n f o 由以上两表测量的电容值及空气的电容测量值，显然在水中的电容值是l 】f 级的数 据，而在冰中是n f 级的数据，空气中虽然也是n f 级的数据，但是要比冰的电容小一个 数量级。进而得知以冰、空气、水的电容差异测量冰层厚度的方法有可行性嘲。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章传感器的工艺结构设计及内部电路设计 2 1 传感器结构的几种设计 我国水文自动测报系统规范要求水位测量精度有两种：l 锄、o 1c l n ，在本文中以 lc n l 精度为准。目前，我们做了两种冰厚电容传感器模型进行实验室的实验。两种电 容传感器的平行板都做在了细长的p v c 型材上，不同的是平行板排列的方式。第一种 是将平行的极板顺序等间隔垂直嵌入在细长的p v c 型材上，且间隔等于l c m 以满足测 量精度要求，p v c 型材竖直伸入到冰层中进行测量，如图2 - 1 所示： 放大标尺：1 ：1 5 图2 - 1 电容的一种模型结构 f i g 2 - 1a k i n do f m o d e ls t r u c t u r eo f e a p a c i t o r 另一种结构是在p v c 型材上相互平行的两个表面正对表贴相互平行的长方形极 板，每个极板的长边顺序紧挨但不能相连，长方形极板的宽为l c m 以满足测量精度要求， 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 p v c 型材垂直伸入到冰层中进行测量。如图2 - 2 所示 放大标尺：1 ：1 5 图2 - 2 电容另外一种结构模型 f i g 2 - 2a n o t h e rk i n do f m o d e l s t r u c a l t eo f c a p a c i t o r 第一种结构只要满足极板的闻隔等于l c m ，若p v c 型材的直径较大，那么还可以 把电容的平行极板面积做的大一些。但是这种结构由于嵌入了型材以至于破坏了型材的 外形，如果在将来做成品的过程中工艺精度不高的话测量误差就会很大1 9 1 。 第二种结构没有破坏型材的外形，密封性会很好，但是由于极板的宽度不能大于l c m ，所以极板的面积做的就比较小了，极板间隔由p v c 型材正对面的间隔决定。目前 通过大量的实验发现采用第一种结构测量的精度要高一些。 2 2 传感器内部电路器件选型及电路设计 由于传感器是由若干个等间隔的平行板电容器组成，要对每一个电容进行测量就需 要接通每一路电容。连接电路采用了所测的每个电容中一个极板短接的连接的方式。根 据调理电路的不同，如果调理电路采用了电容直接转变为数字信号的方式时，短接一端 与电容转换为数字信号的芯片激励端相连，这在下一章有详细介绍。如果调理电路采用 了电容转换为频率的方式时，电容极板的短接的一端共地或与转换芯片的反相器的一端 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 连接。电容的每个极板用双面印刷电路板( p c b ) 板做成，每个极板做成长宽相等，将 p c b 板的两面铜皮当作电极，由于在电路板的铜皮上涂有绿色的绝缘硅胶，可以有效的 保护铜皮不受水或者液体的腐蚀【1 0 1 。 本系统中设计了一个9 6 厘米长的传感器，需要9 6 个测量电容。在进行测量时通过 选通某一路电容来测量每个电容值。选通芯片采用c d 4 0 6 7 ，c d 4 0 6 7 为十六路模拟开关， 供电电压为3 1 8 v ，本系统采用+ 5 v 供电，工作电流最大为1 5 0 u a 。其内部包括一个 1 6 选l 的译码器和被译码输出所控制的1 6 个双向模拟开关，片选端为i n h ，当片选端 d 憎为低电平0 时，x q x 1 5 中被选中的一个输入端与输出公共端x ( 即l 脚) 接通， 被选通端由外部地址输入端a i a 4 决定，当i n h 为高电平1 时，处于禁止状态，所有 模拟开关均不接通。测量9 6 个等间隔等面积的电容需六片c d 4 0 6 7 ，每一片连接1 6 个 电容，要实现9 6 路电容的选通，需要单片机对六片c d 4 0 6 7 选通。选通芯片采用了 5 4 l s l 3 8 ，该芯片采用4 5 5 5 v ，输入输出电流分别为0 4 m a 、4 m a 。本系统中采用5 v 供电。5 4 l s l 3 8 是温度范围比较宽的3 8 译码器，温度范围是- - 5 5 度到1 2 5 摄氏度。 它比常用的7 4 l s l 3 8 的温度范围更宽，7 4 l s l 3 8 的温度范围是0 摄氏度到7 0 摄氏度， 因为要测量冰层厚度，环境温度是比较低的，所以采用了5 4 l 8 1 3 8 信号调理电路系统对测量某一路电容的片选电路如图2 - 3 所示。 r p l 1 2 1 l 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l av 位 by o cy i g 2 a y 2 g 罄” g 1 y 4 y 7y 5 o n dy 6 “l s l 3 8 图2 - 3 传感器接口及选通电容电路 f i g 2 - 3 $ e n s o l - 舢e g t o r d l e c l e dc 那i t o rc i r c l l i t 传感器内部的选通及测量电路如图2 - 4 所示：其中r p 2 - r p 7 中每个接头都连接着 1 6 路的电容极板，即只与测量电容的一个极板相连，另外一个极板接地，共有9 6 路的 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 电容极板与r p 2 r p 7 相连。传感器的选通及测量如下所述。 信号调理电路系统与测量电路之溺是通过1 2 接头连接的，其中与5 4 l s l 3 8 连接的 裂：。爵$ 1 2 目翼羁 叫t ，静j 必叫：苍雪】 型垒叫1 2f 爵窘i 垃筹叫- 目鲫 衅嚣 叫- ，匿弱j 土叫z 誉鞫f 鲤鱼l 。：e 登习l 叫”圈i i o 岔自凸i 亘= + 5 v v d d g n d v l i o 2 基越一 n l h g n d v 图2 - 4 传感器的内部电路 f i g 2 4i n t e r n a lc i r c u i to f s e n s o r 有4 个引脚，分别是a o 、b 0 、c o 、c o n ，前三个引脚是- - a 译码器的输入，其值从0 0 0 - - 1 1 1 ，共8 种选择。相应的选择y 0 - - y 7 的对应脚为低电平，其它引脚仍为高电平。 c o n 引脚控制5 4 l s l 3 8 的选通与否。单片机系统为传感器提供共地的+ s v 电源，通过 接头的1 2 与1 1 引脚相连。单片机通过控制a 、b 、c 、d 各引脚的电平，实现对c d 4 0 6 7 的某一路选通，即让某一电容与电容调理电路连接在一起，实现电容的转换。a b c d 的 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 值从o o o o 一1 1 1 1 ，共可以选择1 6 通路。当选用电容转化为数字信号进行测量电容时， e x c a 与电容的公共端相连，该端由电容转数字信号的芯片发出激励脉冲，被测电容经 过积分器和比较器将电容转换为数字信号。比如要测图2 3 中r p 2 连接的第一路电容， 那么通过设置5 4 l s l 3 8 的片选c o n 为高电平，然后设置a o b o c 0 为0 0 0 ，由5 4 l s l 3 8 的译码电路可知y 0 输出为低电平，那么就选通了与r p 2 连接的c d 4 0 6 7 ，然后单片机 通过设置a b c d 为0 0 0 0 ，那么就可以使第一路的电容与f o 引脚相连。这样就可以测 量第一路的电容值了，以此类推，通过设置c o n 为高电平，a o b o c 0 为1 0 1 ，a b c d 为 1 1 1 l ，那么就可以测量最后一路的电容值【l l 】。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章传感器信号调理电路的软硬件设计 传感器信号调理电路中也采用了以单片机为核心的处理电路，这主要是考虑到电容 转换为频率后如果传输的距离相对比较远的话，那么信号就会受到外界的干扰，而且频 率也会有所衰减。所以用单片机对频率值就近测量。两类三种调理电路以一个单片机来 控制，第一类是电容直接转换为数字信号的方法，第二类是将电容转换为频率，在这一 类中有两种电路。为了实现在同一电路板上三种调理电路互不干扰，彼此之间设置了跳 线。单片机测量的值通过c a n 总线与数据处理电路实现通讯。 3 ，1 电容转换为数字信号的调理电路设计及部分程序 3 1 1 电容转换为数字信号的调理电路设计 1 器件选型 电容传感器通常通过将电容转换成其它物理量，例如电压、时间或频率进行分析。 美国模拟器件公司( a d i ) 现已开发出一种新的检测电容的方法。它采用了改进的 模数转换器( a d c ) 的输入级检测未知的电容并将其转换成数字量。a d 7 7 4 5 6 具有 2 4 位i 路高分辨率电容数字转换器( c d c ) 【1 2 1 ，要测量的电容直接连接到器件的输入端， 器件有2 4 位不丢失码的分辨率；1 6 6 h z 数据速率时的有效分辨率为1 9 位；高度线性 + - 0 o l ；高精度( + 2 0 ，测量范围+ - 4 p f ，绝对值高达1 7 p f ，片内有分辨率为0 1 的温度传感器，精度为+ - 2 ，有两线1 2 c 兼容的串行接口，具有电压输入通路，内部 有时钟振荡器，工作电压2 7 v 5 2 5 v ，本文中采用+ 5 v 供电，工作电流为0 7 m a 。工 作温度- 4 0 到1 2 5 ，采用小型1 6 引脚的t s s o p 封装( 超薄小型紧缩封装) 和1 6 引 脚的s s o p 封装( 小型紧缩封装) 。a d 7 7 4 5 是a d i 在业界首创的单芯片、高精c d c 。 该产品在单芯片上内嵌了所有的c d 转化功能，极大地降低了价格。与传统的多芯片解 决方案比起来，a d 7 7 4 5 可称得上是业界最高精度的提供了电容接口的传感器。 鉴于以上所述，我们选用了模拟器件公司的a d 7 7 4 5 来测量，测量所用的单片机选 用了微芯科技( m i c r 0 c h 口t e c h n o l o g ) 有限公司的p i c l 6 f 6 9 0 ，p i c l 6 f 6 9 0 是一款 高性能r i s cc p u “。 太原理工大学硕士研究生学位论文 以下是p i c l 6 f 6 9 0 的一些特点： 单片机的处理能力及内置晶振： 工作速度：d c 一2 0 m h z 振荡器时钟输入，d c 一2 0 0 璐指令周期。 中断能力：8 级深硬件堆栈。直接、间接和相对寻址方式。 精确的内部振荡器：出厂时精度已校准到士l 。 软件可选择频率范围：8m h z 到3 2k 比可用软件调整。 双速启动模式：用于关键应用的晶振故障检测，时钟模式切换以使器件省电运行， 省电休眠模式。 单片机的宽电压供电及多种有效复位： 宽工作电压范围： ( 2 0 v 5 5 v ) ，工业级和扩展级温度范围。 复位电路：上电复位( p o w e r - o nr e s e t ，p o r ) ，上电延时定时器( p o w e r - u pt i m e r ， p w r t e ) 和振荡器起振定时器( o s c i l l a t o rs t a r t - u pt i m e r ，o s t ) ，带软件控制选 择的欠压复位( b r o w n o u tr e s e t ，b o r ) ，增强型低电流看门狗定时器( w a t c h d o g t i m e r ，、v d t ) ，带有片上振荡器( 预分频器最大时，软件可选择的标称值为2 6 8 秒) 。可用软件启动复用式主复位输入引脚，可编程代码保护。 单片机高的存储空间及高擦写次数： 高耐久性的闪存e e p r o m 存储单元：闪存耐写次数达1 0 0 ，0 0 0 次，e e p r o m 耐 写次数达1 , 0 0 0 ，0 0 0 次，闪存，数据e e p r o m 的数据保持期 4 0 年。增强型 u s a r t 模块：支持r s - 4 8 5 、r s - 2 3 2 和l i n2 0 ，自动波特率检测，遇到起始位 时自动唤醒。 功耗特性： 待机电流：2 0 v 时典型值为1n a ， 工作电流：3 2k h z 、2 0 v 时典型值为2 0 “a ，4m h z 、5 5 v 时典型值 1m a ， 看门狗定时器电流：2 0 v 时典型值 l “a 外设特性： 输入输出( i o ) 引脚：1 7 个i o 引脚和1 个只用作输入的引脚，高灌，拉电流 能力，可直接驱动l e d 。p o r t b 口具有引脚电平变化中断功能及独立可编程弱上 拉功能。定时器t i m e r 0 ：带有8 位可编程预分频器的8 位定时器计数器。增强 型t i m e r l ：带有预分频器的1 6 位定时器计数器，外部门控输入模式。如果选 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 用i n t o s c 模式，在l p 模式中可选择o s c l 或o s c 2 作为定时器t i m e r l 的振 荡器。t i m e r 2 ：带有8 位周期寄存器、预分频器和后分频器的8 位定时器，计数 器。同步串行口( s y n c h r o n o u ss e r i a lp o r t ，s s p ) ：s p i 模式( 主控和从动) 。 1 2 c 主控，从动模式。 2 调理电路的原理图设计 由于单片机不需要晶振，而且其内部自带复位电路，所以电路比较简单，在通讯中 还用到了c a n 总线收发器【1 4 1 。c a n 总线是目前使用比较广泛的数据通讯总线，c a n 总线的通迅距离比较远，当数据的传输速度在5 0 k b p s 或以下时，传输距离最远可以达 到1 0 k m 、它采用两个差分信号线进行通讯，有效的消除了外界的共模干扰，所以抗干 扰能力较强。a d 7 7 4 5 与数据处理电路的接口以及与传感器连接的电路原理图如图3 1 ： le 苦 v d d 惟 l 兰芏一r a 5 0 i o k i o s c l k i k 州 r a w a n 0 c i i n + i ( 空 d a t r r p w u lr 4 专；舞号一r a 4 a n 3 t 1 g - t o s c 7 c l k o r a l 吣q l c l 皿啦，v 吲c 留c l k l _ c = = 云 m v p p r a 2 i c i o t 3 t 1 0 k 苹l 鼻r c s ( p p l 伊1 ar 邙幽n 4 疋舯 o = 一r c 4 ( p x ) u t p l b r c 郴棚2 i n - ；b 二二霉7j 。r e 洲。a n 。7 p i c p i c l 6 f 6 9 0 蹦州r q ，。a n 6 吼p i d 与? 刊r c 7 a n 9 7 o r 毯a n l l r x 4 o 匕钏司咖础弧6 口“n 1 5 p f a d 7 7 4 5 缶 图3 1a d 7 7 4 5 调理电路及与传感器的接口 f i g 3 - 1a d 7 7 4 5s w i t c h i n gc i r c u i ta n dc o n n e c t o rw i t hs e n s o r 图中显示出了单片机与传感器的接口( 如1 2 接头的j p 2 ) ，其中的a 0 b 0 c 0 c o n 与 5 4 l s l 3 8 相连，控$ i j 5 4 l s l 3 8 的输出对c d 4 0 6 7 的片选。单片机的a b c d 及与c d 4 0 6 7 的 相应脚连接。其中的+ 5 v 和g n d 为c d 4 0 6 7 和5 4 l s l 3