引 言

電容傳感器 [1] 是一種可以把被測物理量及其變化規(guī)律轉變?yōu)殡娙萘考半娙萘孔兓?guī)律的電子元件，且其具有結構簡單、靈敏度高、動態(tài)響應特性好、適應性強、抗過載能力大及價格低廉等特點。因此，電容傳感器常被應用于醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產、食品加工、汽車行業(yè)、觸摸屏、液體參數(shù)測量等領域。在液體測量方面，其突出優(yōu)點是可以對被測物體進行非接觸測量 [2]，避免測量過程中由于對溶液的接觸而產生誤差，提升測量精確度。

液體濃度是實際生產和教學實驗中的一個重要參量。在農業(yè)中，農藥濃度的測量必不可少，農藥濃度對農作物的生長起著至關重要的作用 ；在化工業(yè)中，造紙過程中的紙漿濃度、石油等物質的含水量測量都需要測量精確的溶液濃度數(shù)值 ；在醫(yī)療領域，藥品生產、臨床藥品等需要配制一定濃度的藥物以起到最佳治療效果。目前，液體濃度的測量方法主要有旋光度法、固定體積和壓差試密度測量等。傳統(tǒng)的旋光度法需用到旋光儀，操作簡單，但成本高，且旋光度測定值 α 引入的不確定度主要與測量的重復性和旋光儀的校準相關， 易產生不穩(wěn)定的誤差 [3]。固定體積法通過測量對應的質量來計算液體濃度，壓差式采用力敏器件來測定待測液體在兩個不同高度下所產生的壓力差，進一步給出液體濃度。但這兩種方法在測量濃度過程中需要接觸液體，會對液體產生污染， 引起誤差，同時由于實驗儀器易受腐蝕，導致測量的溶液類型受到限制[4]。

本文結合上述方法的利弊，提出了一種液體濃度非接觸式測量方法，采用電極板裝置和運算模塊組成檢測部分，加以單片機控制技術和相應的軟件編程，利用溶液濃度不同可影響電解質改變介電常數(shù)這一物理特性，通過電容傳感器測得瞬時電容值，從而得到被測溶液的介電常數(shù)，進而得到被測溶液的濃度。實現(xiàn)了在不接觸溶液、不對溶液產生其他污染的情況下快速、精確地測量溶液濃度。這種方法可以用于多種溶液濃度的測量與檢驗，并且不易受被測溶液類型的限制，具有廣闊的市場開發(fā)和應用前景。產品應用領域如圖 1 所示。

1 系統(tǒng)結構

1.1 系統(tǒng)綜述

該濃度測量系統(tǒng)是由高精度的電容傳感器、電容檢測電路、單片機處理電路以及顯示電路組成，主要功能是通過對液體濃度值的采集，最終把濃度值轉化成電容值，通過采集電容值來間接測量液體濃度值。

測量系統(tǒng)框圖如圖 2 所示，當把裝有定量液體的容器放置在平面電容極板上時，傳感器上的電容值會發(fā)生變化，由電容轉換芯片 FDC2214 準確測量此時的電容值，并將其保存在內部寄存器中，然后通過 I2C 接口方式將數(shù)據(jù)傳送至單片機 STM32F103 中，最后經(jīng)單片機適當處理后，將結果通過 OLED 模塊顯示。

圖 2 系統(tǒng)測量框圖

從功能上劃分，本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、MCU 主控單元以及顯示模塊構成，在調試部分，還會用到串口。其中數(shù)據(jù)采集部分主要由傳感器完成，單片機用來驅動電容傳感器并接收來自電容傳感器的數(shù)據(jù)，通過串口調試將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC 端。通過數(shù)據(jù)收集，總結變化規(guī)律， 將結論應用于單片機以計算濃度值，最后由 OLED 顯示模塊顯示。系統(tǒng)運行如圖 3 所示。

圖 3 系統(tǒng)運行圖

1.2 系統(tǒng)的軟硬件設計

本項目研制的溶液濃度電容檢測系統(tǒng)由軟硬件結合的系統(tǒng)組件構成，硬件部分包括 FDC2214 電容檢測電路、OLED 顯示模塊電路、STM32F103 最小系統(tǒng)電路。軟件部分通過程序控制進行傳感器測量、CPU 計算及顯示。

1.2.1 FDC2214 電容檢測電路的設計

FDC2214 是 TI 公司新近推出的產品，采用電容式傳感， 擁有低功耗、高分辨率、非接觸式感測等優(yōu)點。采用抗電磁干擾架構可對噪聲和干擾進行高度抑制。擁有 4 條傳輸通道，每條通道的最高傳輸速率達 13.3 Kb/s，在 10 kHz 頻率，1 mHz 電感的理想條件下最大輸入電容為 250 nF，采用 I2C通信協(xié)議進行信號傳輸，分辨率最大為 28 位。

FDC2214 前端由諧振電路驅動器組成，在芯片每個檢測通道的輸入端連接一個電感器和電容器組成 LC 電路，被測電容傳感端與 LC 電路相連接，所產生的振蕩頻率為 fS，后面跟著一個多路復用器，其依次通過主動通道，將各通道連接到測量數(shù)字化傳感器頻率的核心Core。該內核使用參考頻率 fREF 來測量傳感器頻率。fREF 來源于內部參考時鐘（振蕩器） 或外部提供的時鐘。每個通道的數(shù)字化輸出是成比例的，將其值設為 DAXA。I2C 接口用于支持設備配置和傳輸數(shù)字化DAXA 給 STM32 主處理器。

根據(jù)式（1）可得出所測頻率值 ：

式中 L，C 為輸入端連接的電感值和電容值，在本次設計中， L=18 μH，C=33 pF[6]。測量電路如圖 4 所示，原理如圖 5 所示，PCB 圖如圖 6所示。

1.2.2 OLED 顯示模塊電路的設計

OLED 即 有 機 發(fā) 光 二 極 管（Organic Light-Emitting Diode），OLED由于同時具備自發(fā)光、無需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優(yōu)異特性，被認為是下一代平面顯示器新興應用技術。而正是在這樣的條件下，基于單片機的 OLED 顯示終端也逐漸被大眾所接受并運用 [5]。

對于基于單片機的 OLED顯示終端而言，它有著很多硬件模塊，例如單片機、顯示模塊以及通信電路等。本文使用一個 STM32F103系列的單片機作為一個基于單片機 OLED 顯示終端的核心硬件，該型號的單片機能夠滿足從最低配置到OLED顯示終端對單片機性能的要求。由于選取OLED的接口為 I2C，所以我們選用單片機的一組 I/O模擬 I2C的工作模式即可滿足顯示需求。顯示模塊連接如圖 7所示，實物如圖 8 所示。

1.2.3 STM32F103 最小系統(tǒng)電路的設計

STM32F103RCT6 是 ST 公司專為要求高性能、低成本、低功耗嵌入式應用設計的 ARMCortex-M3內核的 32位處理器產品 [7]，內置 128KBFLASH，20KBRAM，12位 A/D， 4 個 16位定時器和 3路 USART等資源，時鐘頻率最高可達72MHz，是同類產品中性能最高的產品 [8-9]。單片機電路如圖 9 所示。

1.2.4 軟件設計

系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行復位操作，然后通過嵌入式軟件對FDC2214 執(zhí)行復位操作，通過 I2C 總線傳輸來配置 FDC221 的各參數(shù)，完成系統(tǒng)配置之后啟動系統(tǒng)，電容傳感器把采集的液體濃度數(shù)值轉換為電容值，保存到內部寄存器中，然后通過相應指令，采用 I2C 總線傳輸方式把FDC2214 保存的電容值發(fā)送到單片機 STM32F103 中，最后經(jīng)單片機進行數(shù)據(jù)處理，將得到的液體濃度值顯示到 OLED 屏上，完成測量。軟件流程如圖 10 所示。

2 系統(tǒng)調試與測試

考慮到影響該電容式傳感器的干擾因素較多，在分模塊調試完畢后進行系統(tǒng)整體測試。

（1）在測試過程中需要不斷實驗，反復對比數(shù)據(jù)。取一定濃度梯度的乙醇溶液作為實驗樣品（濃度在 0% ～ 100% 之間，每 10% 作為一個梯度），通過控制體積、溫度、時間等，將濃度作為變量進行測量，測得的溶液電容值見表 1。

表格數(shù)據(jù)是以 100 個數(shù)據(jù)為采樣點的平均值，以 10% 遞增的酒精溶液濃度對應酒精平均電容值。 

（2）根據(jù)表中數(shù)據(jù)進行數(shù)學分析，并建立方程。利用Matlab 得到以下擬合函數(shù) ：

一次擬合曲線 ：y=-0.236 7*x+1.038 3 ；

二次擬合曲線 ：y=0.162 3*x*x-0.399 0*x+1.068 1 ；

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

一次擬合曲線與實際數(shù)據(jù)的平均誤差為 0.03 ；

二次擬合曲線與實際數(shù)據(jù)的平均誤差為 0.03 ；三次擬合曲線與實際數(shù)據(jù)的平均誤差為 0.02。由實驗數(shù)據(jù)可得，隨著酒精濃度的增加，酒精溶液的電容總體呈下降趨勢。 

（3）誤差分析 

在單片機中進行編程，完成濃度測量裝置的初始化，進行驗證，數(shù)據(jù)見表 2，可以發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)在以下測試中最大誤差不超過 0.005。

3 結 語

液體濃度是實際生產和教學實驗中的一個重要參量。本實驗利用電介質變化引起的電容變化，再利用溶液濃度與電介質之間的關系，快速、準確地測算出待測溶液的濃度，實現(xiàn)非接觸式的溶液濃度測量，降低對溶液的污染。