基于Arduino UNO的非接觸式電容式液位傳感

本方案使用 TI FDC1004 分線器和 Arduino 來測(cè)量瓶子中的液位，使用兩個(gè)粘性銅條之間的電容。

液位感應(yīng)可以通過多種不同的方式完成，我們也嘗試了多種方式。有時(shí)需要的是準(zhǔn)確的液位測(cè)量，而無需在液體內(nèi)部放置任何東西。這在食品工業(yè)（用于罐中的液位感應(yīng)）甚至汽車中的油箱液位感應(yīng)等應(yīng)用中尤其受歡迎。

我們之前曾嘗試使用激光 ToF 傳感器來實(shí)現(xiàn)此目的，但這并不是實(shí)現(xiàn)此目的的最佳方法。

我們做了什么：
我們使用電容來測(cè)量液位，通過在罐的外壁粘上兩條銅帶來測(cè)量內(nèi)部的液位。這兩個(gè)銅帶測(cè)量電極之一相對(duì)于地的電容。

TI FDC1004 是一款將電容測(cè)量和 ADC 集成在一個(gè)封裝中的一體化芯片，稱之為“電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器”。指定的應(yīng)用包括接近檢測(cè)、手勢(shì)識(shí)別和液位傳感。

使用電容進(jìn)行接近感應(yīng)和液位感應(yīng)的原理是相同的。當(dāng)兩個(gè)平行的導(dǎo)電板以固定距離放置時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。在這些板的邊緣，會(huì)產(chǎn)生“邊緣”效果。這是電容式傳感應(yīng)用的關(guān)鍵。

不同應(yīng)用的電容感測(cè)可以通過不同的方式完成。在此應(yīng)用中，我們使用“平行手指”方法來感測(cè)受液位影響的邊緣電場(chǎng)線的數(shù)量。這會(huì)導(dǎo)致電容的微小變化，然后測(cè)量并校準(zhǔn)到液位高度。

我們是怎么做的？
實(shí)際應(yīng)用是一個(gè)更大的設(shè)置，但為了本文，我們?cè)谝粋€(gè)小水瓶上演示了相同的設(shè)置。我們粘貼了兩條從Sparkfun購買的薄銅帶（5 毫米寬）。

然后我們將其中一個(gè)電極連接到系統(tǒng)接地，另一個(gè)連接到 FDC1004 分線板的 CIN1 通道。最好將它們直接焊接到電極本身以避免任何雜散電容。

ProtoCentral FDC1004 分線板使用 I2C 標(biāo)準(zhǔn)接口連接到 Arduino Uno。該芯片連接到 Arduino 的 SCL 和 SDA 引腳（對(duì)于 Arduino Uno，這是 A4 和 A5）。它可以連接到任何控制器或平臺(tái)的 I2C 引腳，但提供的庫僅適用于 Arduino。如果您使用的 Arduino 版本不同于 Arduino Uno，請(qǐng)檢查哪些引腳對(duì)應(yīng)于 I2C/TWI SDA 和 SCL 線。

數(shù)據(jù)通過 Arduino 的 UART 通過 USB 發(fā)送到計(jì)算機(jī)。該數(shù)據(jù)以 100 SPS 的速率連續(xù)發(fā)送，然后在代碼中取平均值，這有助于濾除噪聲。

在這個(gè)例子中，我們剛剛將電容到水平高度轉(zhuǎn)換硬編碼到 Arduino 代碼本身，但是，校準(zhǔn)可用于為各種高度和液體類型設(shè)置相同的值。

我們使用蠕動(dòng)泵從另一個(gè)瓶子中抽取的水測(cè)試了該設(shè)置。本文下方的鏈接中附有所有必需的代碼。

注意事項(xiàng)

• 任何傳感或工程機(jī)制總是有它自己的一套限制。對(duì)于這個(gè)應(yīng)用程序，這是我們注意到的：
• 電容式感應(yīng)容易受到外部雜散電容的影響，有時(shí)會(huì)使 ADC 飽和。然而，這是使用適當(dāng)?shù)钠帘蝸硇迯?fù)的。
• 校準(zhǔn)是關(guān)鍵，準(zhǔn)確校準(zhǔn)很重要
• 環(huán)境因素對(duì)電容有巨大影響，必須對(duì)其進(jìn)行屏蔽和/或適當(dāng)校正。