某電容式燃油液位傳感器的硬件電路設計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u29803某電容式燃油液位傳感器的硬件電路設計案例綜述 1324631.1硬件電路的總體設計 132011 122990 228174 2242891.2電源電路設計 4153911.3電容測量電路設計 511252①交流型電橋法 516826②諧振作用法 57368②振蕩處理法 64589③計算放大設備法 6197741.4單片機控制電路設計 85051.5信號輸出電路設計 9191861.6信號處理電路設計 91.1硬件電路的總體設計產品長時間可靠穩定運行工作是硬件設施綜合系統設計里十分關鍵的一點，所以硬件設施工作電路的綜合深化設計要思考影響長期有效性即可靠性的影響因素。影響產品長期有效性有內部與外界兩個層面。影響可靠性的因素有：（1）設備元器件的自身狀況和長期有效性。設備元器件是構成產品體系的基礎單元，其自身性質的好壞與穩定可靠性和儀表設備的作用功能與長期有效性密切聯系。若要使電路系統能夠達到長期穩定可靠有效運行的指標要求，就必須要在硬件綜合系統設計時，把設備元器件的選擇放在首位。（2）硬件綜合電路系統設計。硬件綜合電路系統設計時，應科學合理的安排連接線路布局，規避各器件之間的相互干擾，參數計算過程合理適宜，符合設計理論要求，必要時還應該借助專業的抗電磁干擾技術降低干擾風險。（3）結構的組裝和電氣測試。硬件的組裝過程對于保障整個產品系統的可靠運行工起著至關重要的作用。假如設計的生產組裝工藝粗糙，電氣測試要求不嚴格，依然有潛在干擾體系的可能性。影響長期有效性的外界影響因素指的是工作范圍內的造成系統不能連續可靠工作的多種因素。通常包含如下幾點：（1）外界電氣基本條件，例如工作電源電壓的穩定安全性，強工作電場與強磁場的影響作用。（2）外界分布空間基本條件，例如實際溫度、實際濕度等。（3）外界機械設備基本條件。假如震動、沖擊等。硬件電路設計總體框圖如圖1.1，分為五部分進行闡述：（1）電源電路部分；（2）電容測量電路部分；（3）單片機控制電路部分；（4）信號輸出電路；（5）信號處理電路。圖1.1改進傳感器硬件總體框圖單片機設備是整個實時液位測量確定體系的中心，可變電容式液位傳感器的可變電容測量確定過程，可變電容測量結果的全面處理以及數據信號操作控制輸出，所有都以單片機設備作中心，并且通過單片機設備的管控保障整套體系的穩定運行工作。所以單片機設備的選用是否合適，嚴重影響測量確定體系的作用功能與精度。選用單片機設備的根本原則是參考依據測量確定的多種要求，從整套體系的作用功能、可行性、研制成本費用、運用工作效率等多個層面展開全方位思考，合適選用。經過全方位思考，改善后的燃油液位傳感器應用了PIC類型的單片機序列中的PIC16F690單片機設備。PIC是美國Microchip企業生產加工的單片機系列商品類型的前綴。PIC單片機設備（PeripheralInterfaceController）是一類用于研發與操作控制外圍機器設備的集中工作電路（IC）。一類具備分布作用（多工作任務）功能的CPU。和人類對比，大腦就是CPU，PIC實時共享的組成部分類似于人的神經體系。PIC單片機設備有運算功能作用與記憶數據存儲，由操作軟件操控運行。存儲有效容量決定于PIC的種類。但是它們的最大操作應用頻次大概均在20.0兆赫茲左右，儲存設備有效容量用作寫應用程序的大概1K—4K儲存字節。PIC類型的單片機的硬件綜合系統設計簡約，語言指令簡練，在每一個單片機設備品種類型里是最簡單易學、使用的單片機設備品種類型之一。PIC單片機設備對比其它單片機設備有如下優勢：（1）哈佛總線結構其設計區別于其它單片機設備的地方是：不單單應用了哈佛系統組成結構，并且還應用了哈佛總線連接組成結構，在控制芯片內部把數據信息總連接線與指示總連接線脫離，而且應用不相同的有效寬度，帶來的好處是：在履行一條程序命令的同時間對下一條程序命令展開取指操作應用，方便完成所有程序命令的單儲存字節化，單工作周期化，進而有助于提升CPU履行程序命令操作的速率。（2）程序命令單儲存字節化由于數據信息總連接線與指示總連接線是脫離的，而且應用了不相同的有效寬度，因此應用程序儲存單元ROM與數據信息儲存單元RAM的尋址分布空間（也就是儲存地址程序編碼分布空間）是獨立的，并且兩大類儲存單元有效寬度也不完全一致。這樣不僅能夠充分保障數據信息的安全穩定性，還可提升運行工作速率與完成所有程序命令的單儲存字節化。（3）精簡程序命令集（RISC）專業技術PIC類型的單片機的程序命令系統（就是這個單片機設備所能辨別的所有程序命令的分布集合，稱之為程序命令體系或程序命令集，Instruc\o"TI社區"TIonset）僅有35條，容易學習，使用方便。而MCS-51單片機設備程序命令體系共同111條。（4）尋址模式簡易尋址模式就是尋求操作應用數的模式。PIC類型的單片機尋址模式比較簡單，而且種類較少，僅有4類，而MCS-51單片機設備因此7類尋址模式。（5）代碼壓縮率高1KB的儲存設備分布空間，相比較僅能夠儲存600條指令的MCS-51單片機芯片，PIC類型的單片機達到儲存1024條之多。（6）運行速度高之所以能夠較高的運行速度，就是因為應用以上所述的總線式組成結構，以及流水作業式的指令獲取及執行方式。（7）能耗低PIC類型的單片機的額定功率損耗非常低，是截至當前，全球上最小的單片機設備品種類型之一。在1.0兆赫茲控制時鐘下運行工作的時候用電小于等于2mA，在睡眠方式下用電能夠低到1μA甚至更小。（8）驅動能力強PIC系列單片機的所有I/O口能夠承受最高輸入25mA與最高20mA輸出工作電流，可以直接帶載LED燈、光電耦合控制器設備或微型繼電器設備等，具有很強的負載驅動能力。（9）I2C與SPI串行連接總線接口I2C與SPI串行連接總線接口作為能夠在控制芯片相互之間完成同步串行連接數據信息自動傳輸的兩大串行連接專業技術，在PIC系列單片機某些型號中也有設置，使用上述串行連接總線接口能夠便利靈活多樣地拓展必要的外圍設備器件。（10）外接工作電路簡約PIC類型的單片機內集中了通電自動復位工作電路、I/O管腳上拉工作電路、看門狗定時設備等，能夠盡可能充分地減少或者免用外圍電路器件，更接近于純單片應用模式，這樣一來不僅便利研發，也能夠節約工作電路控制板分布空間與制造加工成本。1.2電源電路設計如圖1.2所示，為了整個系統能夠良好的工作，必須提供穩定的供電系統，在電源設計時采用自恢復保險和瞬態抑制二極管配合使用，以消除車上電源的尖峰浪涌影響，另外加入二極管保護電源反接，模塊前后級均設置電容進行濾波。圖1.2電源轉換電路考慮兼容24V電源設計，增加一級穩壓電路，本課題研究傳感器供電采用12V，使用時U1模塊及前級電容不裝，1、3腳作短接處理。之所以使用5V電源是為了滿足單片機需要。圖里U2標記符號控制芯片是LM78L05，是美國NationalSemiconductor企業生產加工的工作電壓轉換器設備，其自動輸入工作電壓是8.0VDC～20VDC，自動輸出工作電壓是5.0V，自動輸出工作電流最高可以達到100mA，工作實際溫度-40～125℃，這個控制芯片的顯著優點是內部熱電流過載保護及內部短路工作電流嚴格限制。1.3電容測量電路設計實時測量液位傳感器電容有效容量的模式比較多，截至當前，工業中比較常見的的可變電容測量模式根據其測量確定的工作原理大概能夠劃分為如下幾大類交流型電橋法電橋工作電路是應用最多的一類測量確定工作電路，但是其橋路構成并非完全相同，舉例：有阻容電橋、變壓器式調節電橋與雙T電橋等。電橋法的測量原理是將被測可變電容放在交流電橋的一個臂中，另一臂調配一個固定容值的額定電容，其他兩臂能夠隨意設置，比如串入電阻、電容，也可以傳感器電感線圈等等，但是要求這兩個臂能夠使整個電橋穩定工作，并且達到較高的靈敏度，且不受寄生電容影響。而變壓器式調節電橋使由于其應用最少的元件，能夠達到最小的內阻而被廣泛采用。可變電容電橋的重要特征有：1）高頻交流正弦振蕩波供應電源；2）電橋自動輸出調幅波，要求其工作電源電壓變化波動小，需應用穩幅、穩頻等措施手段；3）除去平衡具體位置，不均衡的分布狀態范圍較大，因此需要在平衡具體位置周圍，傳感器才能獲得較好的線性分布，并且在需求準確度高的場所應該應用自動智能平衡電橋；4）自動輸出額定阻抗非常高（通常達幾兆歐至幾十兆歐），自動輸出工作電壓低，需要后接處理工作電路，電路要求具有高輸入阻抗、高比例放大倍數的特點。②諧振作用法諧振作用法是在被測可變電容CX兩側并行聯接一個固定感抗的額定電感L，然后接一個調頻工作電源，修改調配數據信號源頻次，使工作電路產生諧振。諧振的時候，CX表現的容抗與L表現的感抗相同，進而可計算得知CX。這類應用模式的優勢是：頻次作用范圍寬，可以從幾百千赫茲到幾百兆赫茲；可適于微小可變電容測量確定。缺點不足是：不適于自動智能化；不適于在線聯網測量確定。振蕩處理法振蕩處理法的理論是為了使CX能夠約束系統的振蕩頻次，測量確定CX的主要工作轉化成了測量確定采集電路的振蕩頻次。而頻次的測量確定能夠用計數控制器，也能夠用頻次與電壓轉換(FVC)積分控制器設備完成。振蕩處理法又分RC與LC兩大類。外圍電路簡答，可以使用555定時器的標準的振蕩電路實現電容的測量，使用方便、快捷，成本低。計算放大設備法這類模式構成的工作電路的顯著特征是能克服變極距型可變電容式液位傳感器自身的非線性關聯相互關系，從而使輸出的電氣數據信號能和自動輸入的機械設備運動位移呈線性相互關系。在假設計算放大設備增益十分高與輸入額定阻抗非常高的時候，參考依據基爾霍夫基本定律，自動輸出的USC和動極片機械設備位移d成線性相互關系，并且和工作電源電壓U、固定可變電容C0及可變電容式傳感器的ε0與S等相關，所有參數中的任一參數的變化波動都將使自動輸出產生誤差，所以固定額定電容C0需要穩定，而對U也需要采用穩壓措施手段。綜合以上分析，基于方便、快捷、成本低等方面考慮，本課題電容測量電路延用改進前傳感器電路，應用RC振蕩處理法，使振蕩頻次受CX約束，測量確定CX的主要工作轉為間接測量確定振蕩頻次。圖1.3里，U3控制芯片是SE555D，是屬于555體系計時控制芯片里的一類類型，是一個主要用途非常廣泛并且成本相對較低的定時控制芯片，僅僅需要非常少的額定電阻與額定電容，就可以形成振蕩電路，得到需要測量的震蕩頻率。該電路輸出的電流大，多種要求能夠自控的負載都可以直接驅動。定時控制準確度高、受溫度影響小，并且價格低廉，是一類應用行業非常廣泛的RC振蕩集中工作電路，其內部包含了比較器、與非門、三極管等單元。圖1.3電容測量電路1腳接電源VSS或接地，一般情況下接地，作為探桿外極板的連接引腳；8電源腳接工作電源VCC，需求作用范圍1.5～16V，通常用5V；2控制腳是低激發終端TL，6控制腳是高激發終端TH，一般2控制腳、6控制腳相連作為探桿內極板的連接引腳；3腳為輸出端，通常接入RC電路進行信號濾波處理；4置位腳是能夠直接清零的引腳，當此短接低壓電平，則時基工作電路不運行，這個時候無論TL、TH位于任何分布狀態，時基工作電路自動輸出是零，這個終端不用時一般接高壓電平；5控制腳是操作控制工作電壓端口，如果此端口外接工作電壓，則可轉變內部2個比較器設備的基本標準工作電壓，當這個端口不用的時候，通常串入一只0.01μF額定電容連接大地，從而預防引進干擾影響。7放電腳是對外放電端口，在芯片的內部和對外放電的三極管集電極相互連接，用作定時設備可變電容對外放電運用。通過加入外圍電路器件，使555的振蕩頻率在3000Hz～8000Hz內連續變化，供單片機采集信號。1.4單片機控制電路設計數據信息收集和處理功能模塊是整個單片機控制工作電路的中心，而單片機設備又是是數據信息收集和處理功能模塊的核心，操作控制整套體系的運行工作，主要包含：芯片初始化處理、數據信息收集和全面處理、變量設置等。所以單片機設備在整套體系里具備十分關鍵的作用。選擇PIC16FXX單片機設備，是因為其可靠穩定，抗干擾能力強，芯片的損壞率低，PIC單片機所標明的典型參數一般都比同類產品高（如EEPROM的擦寫次數，管腳的驅動能力，ADC的穩定性等），而且承受電源波動能力強。使用C高級語言編程，指令簡單，便于編寫，程序可讀性強，包含多種強大的功能函數，可以方便調用。圖1.4單片機控制電路為防止單片機干擾，在1腳電源端接入抑制性濾波器，不用引腳通常接上拉電阻進行保護。另外，PIC單片機有四種振蕩方式可以選擇，分別為HS，XT，LP與RC。HS是運用高于1.0兆赫茲的石英晶體振蕩器設備，XT是運用1.0兆赫茲到1.0兆赫茲的石英晶體振蕩器設備，LP是運用小于1.0兆赫茲的陶瓷振蕩器設備，以上都是運用外界晶振，僅僅是所用晶振的材料性質與頻次不相同。RC是不運用外界晶振，直接用內部之間的RC控制時鐘工作電路。使用LP和RC的好處是功耗小，但是LP頻率低，陶瓷振蕩器輸出的時鐘精度不夠高，RC的誤差更大。而HS與XT由于是石英晶體振蕩器設備，所得控制時鐘比較精確，適合應用在多種串行接口、CAN等通訊場所，但是能耗比之LP與RC稍高。若要得到一個可靠性較高的電路系統，晶體的選用十分關鍵，這是由于在低供電工作電壓的時候，晶體能夠接收到激勵功率較低，晶體起振非常緩慢或者根本起振不了。本課題選用12MHz高速晶振，其時鐘周期就是1/1