智能燃油液位计的产品设计与使用说明书
摘要：燃油液位计是发动机燃油保障系统的一个重要装置,它的功能是准确地测量油箱的剩余油量以维持对发动机的自动供油，使发动机能够正常的运行。本文介绍了电容式液位传感器的基本原理和电容检测芯片PSØ21的测量原理，设计了液位计系统的软硬件，同时传感器结构的设计考虑到了液位传感器的边缘效应，电路大大减弱了寄生电容杂散电容的影响，并实现了温度补偿，提高了测量精度。实验表明燃油液位计能够达到100Hz的数据刷新率，测量精度达到0.1升，并能实现可靠告警。
0 、引言：
燃油液位计是发动机燃油保障系统的一个重要装置，它的测量结果是工作人员决定发动机工作状态、工作时限的依据之一。燃油液位计的功能是准确地测量油箱的剩余油量以维持对发动机的自动供油，使发动机能够正常地运行。变介电常数的电容式传感器广泛用于各种燃油或非导电液体的液位测量，它具有温度稳定性好、测量精度高、动态响应好、结构简单、工作可靠、动态响应快、使用方便等一系列优点，特别适宜动态、在线测量[1]。
1、液位传感器原理：
电容式液位传感器是利用液位的变化使电容值改变的原理进行测量，如图 1 为电容式液位传感器的原理图。
图1 变介电常数电容式传感器
两个金属圆筒分别为电容器的两个极板，R 为外筒内径，r 为内筒外径，燃油介电常数为 ε，空气介电常数为 ε0，液面高度为 Lx，圆筒高度 L，其电容量计算公式如下 ：
其中参数 R、r、ε、ε0、L 不变，电容量与液面高度 Lx 变化成正比。采用合适的信号转换电路即可将剩余油量进行测量。为减弱边缘效应的影响，传感器做得较小，R 与 r 的值非常接近[2]。液位传感器输出的电容信号很小（10~1000p F 的数量级），又存在传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容的影响[3-4]，电容信号测量电路的设计对于系统的设计非常关键。为实现高精度实时测控，拟采用德国 ACAM 公司的通用电容检测芯片 PSØ21 设计传感器的信号转换电路。
２、PS021工作原理：
2.1、主要特性：
PSØ21 芯片基于时间数字转换器而产生，这种高新的数字测量原理提供非常高的测量灵活性，具有非常广的电容测量范围，从 0f F 到几百 n F。测量精度可编程，在10Hz 的刷新率和 5p F 的 Csense 情况下，精度***高可达 6a F。它也适用于测量速率高达 50k Hz 的应用，低速测量情况下可实现 10μA 的低供电电流。PSØ21 具有独立的温度测量端口，接入温度敏感电阻可简单地实现温度补偿[5]。
2.2、测量原理：
PSØ21 把电容测量转化为的时间测量，传感器电容与基准电容的比值等于两者放电时间的比值。其独特的算法可以很好地抑制寄生电容对测量结果的影响，其内部集成的温度补偿模块还能保证很好的稳定性，图 2 为测量原理图。
图2 测量原理图
如图２所示，PSØ21 控制模拟开关 A1、A2 轮流通断，二者导通时间相等，两个电容依次轮流在导通时间内充放电。对任意一个电容充放电时，在模拟开关的公共端充电到 Vcap 时施密特触发器输出引脚产生一个翻转信号Start，然后在放电到 Vtrig 时输出引脚产生一个翻转信号Stop。Start 和 Stop 之间的时间间隔被 TDC 单元测量，得到各自的放电时间 τ，根据 τ=RC 解算出传感电容与参考电容的比值 Cref/Csensor。
2.3、数据输出：
在一个感应电容变化而与另一个参考电容相比较的情况下，输出数据的公式为 ：在测量差动电容变化时输出数据的公式为 ：Csensor 为感应电容，Cref 为参考电容，ΔC 为差动电容变化量，C 为差动电容的初始量，Mult 用于将数据调整到所需要的单位。24 位的数据除以 256 直接以 ppm（百万分之一）的倍数表示电容变化，数据格式为 16 整数 8 位小数的固定浮点数（故需除以 256）。
3、系统设计：
3.1、硬件设计：
整个油量测控系统包括液位传感器、 电源管理、PSØ21、控制模块 MCU、温度补偿与显示模块 LED 等 6部分，图３为测控系统框图。
图３系统原理框图
整个电路以 PSØ21 为核心，液位传感器和参考电容接入模拟开关，经 PSØ21 采样转换成 24 位数据传送至MCU。电源管理模块采用 LP5996 为 MCU 模块提供 3.3V 电源、MAX1595 为 PSØ21 提供 5V 电源。MCU 模块通过SPI 接口对 PSØ21 进行模式配置，并通过 SPI 接口接收PSØ21 转换电容变化产生的数据，MCU 对数据进行简单处理，然后输出到 LED 实时显示油量剩余。
发动机的温度变化范围比较大，很有必要对电容的测量进行温度补偿，否则测量的精度得不到保证，温敏电阻的连接如图２所示，PSØ21 的温度补偿模块，将测量的温敏电阻与低温漂固定电阻的比值 Rtemp/Rref 用于其内部电路的补偿计算，可大大降低温度的影响。
3.2、单片机程序设计：
单片机采用 TI 公司生产的超低功耗 MSP430FG4618芯片[6]，其控制程序主要是通过 SPI 接口往 PSØ21 发送控制字（其控制字如表１所示），实现工作模式控制和数据接收。
表１ 芯片PSØ21的控制字
PSØ21 的内部具有 16 个写寄存器，必须严格按照图4 模式配置流程所示编写 C 或汇编程序，否则无法进行配置，其中的 N ***大值为 16。需要进行如下配置 ：首先配置成单传感器的补偿模式化 ；根据电容变化范围、参考电容值、放电电阻值设定合适的 Cycle Time 值 ；设定校准的周期数、校准平均因数、温度测量频率进行设置 ；设定晶振模式、温度测量速率[7-8]。
图４模式配置流程图
配置完毕，为实现实时动态显示、油量剩余告警和自动加油，设计其工作控制流程如图５所示。
图５工作控制流程图
4、标定与测量：
液位传感器的电容值与液面高度成正比，而 PSØ21内部也有线性算法。油量从 0 到满载时 50 升的电容量变化范围为 100~1200p F，调整 PSØ21 数据输出公式的乘法因数 Mult 可直接对油量进行标定，直接标定到油量为0~50 升，因此可直接输出 0~50 升的油量变化 , 测量结果如表 2 所示。
表2 测量结果
5、结论：
电容信号测量电路所采用的 PSØ21 芯片的内部算法对系统的寄生电容进行了偏移补偿，去除了寄生电容的影响，其内部集成的温度补偿模块简单地外接温敏电阻，大大降低了温度的影响，提高了电容测量精度。满油量为50 升时，油量测控系统测量的精度可到 0.1 升，数据刷新频率可达 100Hz，并在剩余油量下降到５升时，及时发出告警。实验证明该燃油液位计结构简单、准确可靠、响应快、使用方便，实现了对发动机油量变化的实时测量。