基于电容传感器的液体浓度非接触式测量技术的研究

总结变化规律，将结论应用于单片机以计算浓度值，最后由OLED显示模块显示。系统运行如图3所示。

1.2 系统的软硬件设计

本项目研制的溶液浓度电容检测系统由软硬件结合的系统组件构成，硬件部分包括FDC2214电容检测电路、OLED显示模块电路、STM32F103最小系统电路。软件部分通过程序控制进行传感器测量、CPU计算及显示。

1.2.1 FDC2214电容检测电路的设计

FDC2214是TI公司新近推出的产品，采用电容式传感，拥有低功耗、高分辨率、非接触式感测等优点。采用抗电磁干扰架构可对噪声和干扰进行高度抑制。拥有4条传输通道，每条通道的最高传输速率达13.3 Kb/s，在10 kHz频率，

1 mHz电感的理想条件下最大输入电容为250 nF， 采用I2C通信协议进行信号传输，分辨率最大为28位。

FDC2214前端由谐振电路驱动器组成，在芯片每个检测通道的输入端连接一个电感器和电容器组成LC电路，被测电容传感端与LC电路相连接，所产生的振荡频率为fS，后面跟着一个多路复用器，其依次通过主动通道，将各通道连接到测量数字化传感器频率的核心Core。该内核使用参考频率fREF来测量传感器频率。fREF来源于内部参考时钟（振荡器） 或外部提供的时钟。每个通道的数字化输出是成比例的，将其值设为DAXA。I2C接口用于支持设备配置和传输数字化DAXA给STM32主处理器。

根据式（1）可得出所测频率值：

根据fS计算出被测电容值：

式中L，C为输入端连接的电感值和电容值，在本次设计中，L=18 μH，C=33 pF[6]。

测量电路如图4所示，原理如图5所示，PCB图如图6所示。

1.2.2 OLED显示模块电路的设计

OLED即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），OLED由于同时具备自发光、无需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异特性，被认为是下一代平面显示器新兴应用技术。而正是在这样的条件下，基于单片机的OLED显示终端也逐渐被大众所接受并运用[5]。

对于基于单片机的OLED显示终端而言，它有着很多硬件模块，例如单片机、显示模块以及通信电路等。本文使用一个STM32F103系列的单片机作为一个基于单片机OLED显示终端的核心硬件，该型号的单片机能够满足从最低配置到OLED显示终端对单片机性能的要求。由于选取OLED的接口为I2C，所以我们选用单片机的一组I/O模拟I2C的工作模式即可满足显示需求。显示模块连接如图7所示，实物如图8所示。

1.2.3 STM32F103最小系统电路的设计

STM32F103RCT6是ST公司专为要求高性能、低成本、低功耗嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3内核的32位处理器产品[7]，内置128 KB FLASH，20 KB RAM，12位A/D，4个16位定时器和3路USART等资源，时钟频率最高可达72 MHz，是同类产品中性能最高的产品[8-9]。单片机电路如图9所示。

1.2.4 软件设计

系统上电后首先执行复位操作，然后通过嵌入式软件对FDC2214执行复位操作，通过I2C总线传输来配置FDC221的各参数，完成系统配置之后启动系统，电容传感器把采集的液体浓度数值转换为电容值，保存到内部寄存器中，然后通过相应指令，采用I2C总线传输方式把FDC2214保存的电容值发送到单片机STM32F103中，最后经单片机进行数据处理，将得到的液体浓度值显示到OLED屏上，完成测量。软件流程如图10所示。

2 系统调试与测试

考虑到影响该电容式传感器的干扰因素较多，在分模块调试完毕后进行系统整体测试。

（1）在测试过程中需要不断实验，反复对比数据。取一定浓度梯度的乙醇溶液作为实验样品（浓度在0%～100%之间，每10%作为一个梯度），通过控制体积、温度、时间等，将浓度作为变量进行测量，测得的溶液电容值见表1。

表格数据是以100个数据为采样点的平均值，以10%递增的酒精溶液浓度对应酒精平均电容值。

（2）根据表中数据进行数学分析，并建立方程。利用Matlab得到以下拟合函数：

一次拟合曲线：y=-0.236 7*x+1.038 3;

二次拟合曲线：y=0.162 3*x*x-0.399 0*x+1.068 1;

三次擬合曲线：y=-0.479 8*x*x*x+0.882 0*x*x-0.702 2*x+1.099 8。

一次拟合曲线与实际数据的平均误差为0.03;二次拟合曲线与实际数据的平均误差为0.03;三次拟合曲线与实际数据的平均误差为0.02。由实验数据可得，随着酒精浓度的增加，酒精溶液的电容总体呈下降趋势。

（3）误差分析

在单片机中进行编程，完成浓度测量装置的初始化，进行验证，数据见表2，可以发现本系统在以下测试中最大误差不超过0.005。

3 结 语

液体浓度是实际生产和教学实验中的一个重要参量。本实验利用电介质变化引起的电容变化，再利用溶液浓度与电介质之间的关系，快速、准确地测算出待测溶液的浓度，实现非接触式的溶液浓度测量，降低对溶液的污染。

参 考 文 献

[1]唐文彦.传感器[M]. 4版.北京：机械工业出版社，2006.

[2]罗跃生，国萃，刘庆顺，等.非均匀非对称情况下平面电容传感器的数学模型及应用研究[J].工程数学学报，2013，30（3）：317-328.

[3]王梁炳.单原子催化剂的可控合成及其催化性能研究[D].合肥：中国科学技术大学，2017.

[4]王辉，周丽霞，周伟，等.声光衍射法测量不同浓度NaCl溶液的密度[J].当代化工，2018，47（11）：2477-2480.

[5]杨欣.基于单片机的OLED显示终端设计分析与研究[J].数字通信世界，2019（1）：112.

[6]郭霞，谭亚丽，申淼.基于FDC2214的手势识别系统[J].传感器与微系统，2018，37（12）：90-92.

[7]韩韧，金永威，王强.基于STM32和超声波测距的倒车雷达预警系统设计[J].传感器与微系统，2016，35（4）：63-66.

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[9]陶睿杰，章征宇，陈蕾.基于XC7A35T与STM32F103RCT6的智能语音小车系统设计[J].电子设计工程，2018，26（3）：170-174.

[10]陈俊龙，施隆照.基于共面电容的非接触式液位线性测量系统的研究[J].武夷学院学报，2015，34（12）：74-78.