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Water level detection applications based on SinOne's SC91F831 touch chip

关键词电容式传感器;  触控按键 ;水位检测;

Key words:    Capacitive sensor; Touch keys;Water level detection;

1.引言

现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹。在工业控制、消费类电子产品、国防、科研等许多应用领域,智能检测系统发挥着越来越大的作用。随着社会的进步和发展,人们对水位的检测与控制提出了更高的要求。伴随着新型的微电子技术和微型计算机的广泛应用和普及,单片机控制系统以其控制精度高,性能稳定可靠,设置操作方便,造价低等特点,被应用到水位检测系统的控制中来。

 

2.水位检测技术

2.1水位检测应用与发展

当今的工业控制以及家电行业中液位检测对许多自动控制方案来说都至关重要。水位监测是采集、存储、传输、处理等技术的集成。从传统的水位检测与控制方式即人工监测技术分析来看,主要存在以下问题:首先记录方式以模拟方式为主,即使是数学方式记录的也很难方便的输入计算机处理,其次数据处理基本靠人工处理判断,费时易错,最后水位信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差,控制也是全人工操作,无法适应现代水文的需求。因此,要用自动化技术促进水位检测与控制自动化的发展。

2.2 水位检测技术的原理

水位检测按照工作原理分可以分为以下几种类型:直读式、浮力式、差压式、电气式及声学式等。

   直读式:即传统式水位检测,它根据流体的连通性原理来测量液位,将容器中的液体引入带有标尺的观察管中,通过标尺读取液位高度,优点是简单直观,缺点是自动化程度低,已逐步被淘汰。

   浮力式:它根据浮子高度随液位高低而改变或液体对沉浸在液体中的浮筒的浮力随液位高度变化而变化的原理来测量液位。前者称为恒浮力式,后者称为变浮力式。广泛地应用于饮水机,加湿器等小家电产品。其优点是简单直观,设计成本低。缺点是检测不够准确,安装复杂,需要与液体直接接触,容易发生卡顿现象导致检测失效。

   差压式:它根据液柱或物料堆积高度变化对某点上参数的静压力的变化的原理测量液位,通过测量液体的压力反算液位高度。适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保、家电洗衣机等系统和行业的各种介质的液位测量。优点是精巧的结构,简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。缺点是费用比较高,误差大。

   电气式:它根据把液位的变化转换成各种电学量的变化的原理来测量液位。可分为电阻式、电感式和电容式。用电学测量无摩擦键和可动部件,工作可靠,且输出可转换成统一的电信号与微电子技术结合使用,可方便的实现液位的自动检测和自动控制。被广泛地应用于咖啡机、净水器、面包机等。本文着重谈及电容传感器的水位检测方式。

   声学式:它根据液位变化引起的声阻抗和反射距离变化来测量液位。主要的方式为超声波法,通过测量超声波从发射到接受的时间差来测试液位的高度。优点是非接触式,适用于有毒、腐蚀性、高粘度等特殊液体的测量,缺点是结构复杂,价格昂贵,环境适应性弱,部分物质对超声波有强烈的吸收作用。

 

3.基于赛元触控芯片SC91F831水位检测原理

3.1触控芯片SC91F831的基本性能

SC91F831是一颗内置电容型触控按键功能的加强型超快速1T 8051工业级Flash微控制器,指令系统完全兼容传统8051产品系列。SC91F831 内部集成有最多10路触控按键电路,其它资源还包括:8KB Flash ROM(内部256Byte可作为EEPROM)、512B SRAM、最多17个 GP I/O(包含11个大电流驱动)、2个16位定时器、1路类IIC的串行通讯接口SIF、最多4路10位高精度ADC、最多4路外部中断口(其中1路是双沿中断)、2路8位PWM、内部1%高精度16M Hz振荡器、软件UART等资源。为提高可靠性及简化客户电路,SC91F831内部也集成有4级可选电压LVR、2.4V基准ADC参考电压、WDT等高可靠电源电路。SC91F831具有非常优异的抗干扰性能和抗EMI能力,非常适合应用于电磁炉、抽油烟机、消毒柜、电饭煲、电压力锅、面包机等各种小家电和卫浴、灯具等工业控制和消费应用领域。

3.2触控芯片SC91F831的管脚资源



3.3基于触控芯片SC91F831的水位检测原理

SC91F831是一款基于电容式传感器的触控芯片。利用其触控通道将水位的变化转换成电容的变化,而电容的变化又经过专门的处理电路转换成充放电的时间。MCU通过一系列的算法对采样的数据进行处理,得到当前水位情况。

在电气式水位检测技术中,采集得到的电学量是孤立的数据,要检测一个变化的过程以及程度需要引入基准。采样数据与基准的差值才能反映当前的变化程度,从而判断有无水以及水量的多少。电容式水位检测原理类似于硬件电路中的比较器,采样值与基准值的差值作为判断依据,差值的大小决定了水量的多少。

3.4触控芯片SC91F831在应用上的其他优势

随着电子技术的发展以及人类对电子产品需求的不断提高,人们越来越多的谈及和使用触控按键,其较之机械按键具有坚固耐用、反应迅速、节省空间、易于操作等优点,得到众多电子设备厂商的青睐,广泛地应用于消费类电子产品、小家电、手机等。触控感应按键取代机械按键已经成为一种时尚潮流,有助于提升整个产品的档次和性能。

SC91F831 内部集成多达10路触控按键电路,其它资源还包括:8KB Flash ROM(内部256Byte可作为EEPROM)、512B SRAM、17个 GP I/O(包含11个大电流驱动)、2个16位定时器、1路类IIC的串行通讯接口SIF、4路10位高精度ADC、4路外部中断口(其中1路是双沿中断)、2路8位PWM、内部1%高精度16M Hz振荡器、软件UART等资源。满足应用上除水位检测以外的其他功能需求,可以作为整个产品的主控芯片,节省大量的软硬件成本。

3.5基于触控芯片SC91F831实现水位检测的原理图

4.基于赛元触控芯片SC91F831水位检测软件实现

赛元提供触控按键的软件库,大大的节省了用户开发自主产品的时间成本,用户可以用最短的时间实现产品的评估和测试工作。由于水位检测不同于普通的触控按键过程,产品开机后水位的情况是不确定的,并且很可能长时间都处于有水状态,等同于长按键,触控库考虑到触控按键的实际应用需要,对长按键超过一定时间会进行基线更新,所以现有的软件库不能实现水位检测的功能,需要单独在库之外进行处理。由于库对采样数据和基线数据的接口是开放的,这使得在库以外处理水位检测成为可能。

以下为水位检测的算法流程:

主流程

水位检测处理流程

 

5.结束语

本文就基于赛元触控芯片SC91F831实现水位检测的具体方式进行了论述,具有较高的设计参考价值。从目前水位检测的发展来看,电容式的水位检测方式凭借其电路简单,安装方便,可靠性高的优点将得到广泛地应用。

附中文参考文献:

[1]  http://wenku.baidu.com/view/c5f6cfecb8f67c1cfad6b827.html