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随着汽车工业和电子技术的发展，汽车电子化程度日益提高，各种机械部件逐渐被电子产品所取代，为人们提供了更加方便、舒适的驾乘环境。 为了适应机电一体化的发展，本文介绍了一种数字式电容式液位传感器，以取代传统的输入浮球式油箱液位传感器。 利用电容极板间介质的介电常数随电容变化的原理，通过测量电容变化得到剩余油量，同时监测油箱内的温度。 测量结果不仅可以显示在液晶屏上，还可以与行驶速度等信息一起传送到车载ECU，计算出汽车的行驶里程。 传感器主体由4部分组成：电容探头、信号采集与处理电路、信号传输电路和信号显示电路。 数字电容式液位传感器具有自补偿功能，消除了温度和燃料杂质对测量结果的影响。 无运动部件的设计增加了其使用寿命数字液位传感器，测量结果准确实时。

1 传感器探头设计

河流、水库或容器中的液位可以通过监测浸入液体中的两块板之间的电容值来获得。 以汽车的油箱为例，为了拥有更大的储油空间，通常采用吹塑成型的方式获得异型油箱。 虽然不规则的形状增加了测量的难度，但油箱内部各液位的高度与体积之间存在一一对应关系。 可获取实时燃油高度，从而获取该高度的剩余燃油。 对于导电液体，为了避免短路，两块极板中至少有一块需要绝缘，对于非导电液体，极板不需要绝缘。 汽车使用的燃料是一种不导电的液体混合物，可以用两块金属板作为电容器的电极。

电容与极板面对面积有关，间距与极板间介质的介电常数有关。 当其中两个量不变，第三个量发生变化时，电容值随之变化。 基于这一原理，开发了数字式电容式液位传感器。 电容探头的结构如图1所示，金属板A和板B平行面对形成一对电容，金属板A和板C平行面对形成第二对电容。电容器。 它们之间的差距小到可以忽略不计。 如图2所示，测量汽车油箱内的剩余油量时，电容探头垂直安装在油箱内。 B板和C板共享A板，因此A板和B板之间产生的电容为测量电容c1，A板和C板之间产生的电容为参考电容c2。

εr 表示燃料的相对介电常数； ε0表示室温下空气的介电常数； d代表两板之间的距离； L和L2分别代表板B和板C的长度； 板 A、B 和 C 的宽度为 W。

将电容探头安装到油箱后，燃油的相对介电常数εr和液位h可分别用下式表示

由于不能保证每次加油时燃油的指标都完全一样，燃油的相对介电常数εr会随着温度和杂质含量的变化而变化。

根据式（4）和式（5）进一步推导出燃油高度h

由式（6）可知，通过测量电容c1、c2的值，可以得到实时燃油高度值h。

为保证车辆正常行驶，油箱内的燃油不能完全耗尽，且燃油高度必须大于极板C的高度L2，否则会发出报警信号表示油量已经达到最小值，提醒司机加油，当液位>L时，传感器会发出溢出信号，表示此时油箱已满。

电容探头本身具有自动补偿功能，可以使测量结果不受燃油温度和杂质含量的影响。 安装的探头没有活动部件，增加了传感器的使用寿命。 以电容为敏感元件，剩余油量结果实时准确。

2 传感器电路设计

2.1 信号采集与处理电路

如图3所示，信号采集与处理电路的主要元件是一块AD7746和一块MC68HC908GZl6。 电容数字转换芯片AD7746是一款专业的电容测量器件，适用于微小电容的测量。 它可以代替由大量分立元件组成的测量电路，将不断变化的电容值转换成0x000000到0xFFFFFF的数字数据。 它有两个输入通道和一个I2C兼容的串行接口，因此可以分别通过通道1和通道2测量电容c1和c2的值，然后将测量结果通过I2C协议传输到下一个电路单元. 除了电容测量功能外，芯片本身还有一个温度传感器，可以通过软件配置来测量温度信息。 与使用大量分立元件的传统电容测量电路相比，AD7746的使用不仅提高了测量精度，而且大大降低了设计和制造成本。

MC68HC908GZ16 是一款具有 16kB 片上闪存的 8 位微控制器，适用于汽车应用。 基于闪存在线编程的特点，微控制器可以在主动模式下进行编程。 此外，由于其集成了MSCAN08控制器和ESCI模块，它还可以作为CAN网络和LIN网络上的一个节点。 普通I/O接口可通过软件编程配置为I2C接口。 当编程系统将程序下载到微控制器时，微控制器可以通过配置的I2C接口与AD7746通信并接收信号。 信号通过处理程序后，可选择CAN网络或LIN网络传输给下一个单元。

2.2 信号传输电路

信号传输电路如图4所示，主要由两片MC33388芯片和两片MC33399芯片组成。 MC33388是一款用于汽车车身多种应用的CAN物理交换器。 MC33399 是身体子网的 LIN 物理交换机。 CAN总线是一种串行多主控制器区域网络总线。 总线协议是汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。 LIN 是用于低端通信的通用串行低成本汽车网络数字液位传感器，可简化现有 CAN 总线网络的低端复合解决方案。 LIN 网络使用单线通信。 在汇率不高的环境下，LIN网络可以作为CAN网络的补充。 与采用两线通信的CAN网络相比，使用LIN网络更具成本效益。 在本电路设计中，同时使用了两个网络。 目的是在其中一个网络繁忙时，用另一个网络代替其中一个网络，以保证信号的顺利传输。 在实际通信过程中，系统设置CAN网络为首选，LIN网络为备选。

2.3 信号显示电路

信号显示电路如图5所示，由一块MC68HC908GZ16和一块由HD44780驱动的字符液晶显示器组成。 这片单片机接收到前级的信号后，控制LCD显示剩余油量和温度信息。 当燃油量小于最小量程时，LCD会显示“警告”，提醒司机汽车需要加油； 当油量大于最大量程时，LCD会显示“满”，提醒驾驶员油箱已满。 随着汽车电子化的发展，车辆行驶过程中的各种参数可以在同一个显示屏上显示，并通过车身网络将上位信号直接传输至车辆ECU，显示剩余油量和行驶数据在同一个显示屏上。 速度，计算当前行驶速度下可续航里程。

3 MCU编程流程图

传感器电路设计采用两片MC68HC908GZ16单片机。 用于信号采集和处理电路的单片机称为单片机1，用于信号显示的单片机称为单片机2。为了实现液位测量功能，单片机1和单片机2的流程如图6所示：系统开始运行后，首先初始化两台单片机，打开各个功能模块。 中断程序启动后，单片机1等待I2C网络传来的信号1。 处理完接收到的信号1后准备发送信号2，选择CAN网络或LIN网络之一，将信号2发送给MCU 2，如果MCU 2接收到信号2，则在LCD上显示结果，否则继续等待信号2，程序完成。

4。结论

数字电容式液位传感器利用电容随极板间介质变化的原理来测量液位，测量结果实时显示在液晶屏上。 该传感器用于测量汽车油箱液位时，可测量剩余油量和油箱内温度，易于与车身网络集成。 结合当前车速，可以获取车辆的行驶里程，提醒司机适时加油，保证车辆不缺油。 加油并停止驾驶。 利用电容变化可以准确连续地实时显示剩余燃油。 探头部分没有活动部件，增加了传感器的使用寿命。 信号传输网络可与车身网络系统集成，符合汽车电子技术的发展趋势。