1 傳感器探頭設計

　　河流、水庫或者容器中液體的液位，可以通過監測浸在液體的兩極板之間的電容值得到。以轎車油箱為例，為了有更大的儲油空間，通常使用吹塑加工得到一個異形的油箱。不規則的形狀雖然給測量增加了難度，但油箱內部各個液位高度和容積是一一對應的關系，獲取實時的燃油高度，即可以得到此高度下的剩余燃油量。對于導電液體，為了避免短路，兩極板至少有一個需要絕緣，對于非導電液體，極板不需要絕緣。汽車行駛所用的燃油是不導電的液體混合物，可以用兩個金屬極板作為電容的電極。

　　電容量和極板的正對面積，間距和極板間介質的介電常數有關，當其中兩個量保持不變，第3個量發生變化時，電容值隨之變化。基于這一原理，研制出了數字電容式液位傳感器。電容探頭結構如圖1所示，金屬極板A和極板B平行正對組成一對電容器，金屬極板A和極板C平行正對組成第二對電容器，極板B和極板C之間的空隙很小，可忽略不計。如圖2所示，測量汽車油箱的剩余油量時，電容探頭豎直地安裝在油箱中。極板B和極板C共用極板A，因此，設極板A和極板B之間產生的電容為測量電容c1，極板A和極板C之間產生的電容為參考電容c2。

　　εr表示燃油的相對介電常數；ε0表示常溫下空氣的介電常數；d表示兩極板之間的間距；L和L2分別表示極板B和極板C的長度；極板A、B和C的寬度都為W。

　　當電容探頭安裝到油箱中以后，燃油的相對介電常數εr和液位高度h可以分別用下列表達式來表示

　　因為不能保證每次加油時燃油的各項指標完全相同，所以燃油的相對介電常數εr，隨它的溫度、雜質含量變化。

　　根據式(4)和式(5)，進一步推導出燃油高度h

　　從式(6)可以看出，實時的燃油高度值h可以通過測量電容c1和c2的值得到。

　　為了保證車輛正常行駛，油箱中的燃油不能完全耗盡，燃油的高度要大于極板C的高度L2，否則會發出報警信號表示燃油量達到最低值，提醒駕駛員加油，當液位高度>L時，傳感器會發出一個溢出信號，表示此時油箱已加滿。

　　電容探頭本身帶有自動補償的功能，可以使測量結果不受燃油溫度和雜質含量的影響。安裝后的探頭不帶可動部件，增加了傳感器的使用壽命。以電容作為敏感元件，得到的剩余燃油量結果實時準確。

　　2 傳感器電路設計

　　2．1 信號采集和處理電路

　　如圖3所示，信號采集和處理電路的主要組成部分是一片AD7746和一片MC68HC908GZl6。電容數字轉換芯片AD7746是一款專業的電容測量器件，適用于微小電容量的測量，可以代替大量分立元件組成的測量電路，把變化的電容值轉換成從0x000000到0xFFFFFF數字數據。它有兩個輸入通道和一個I2C兼容串行接口，因此可以通過通道1和通道2分別測量電容c1和c2的值，再把測量結果通過I2C協議傳送給下一個電路單元。除了電容測量功能外，芯片本身帶有一個溫度傳感器，可以通過軟件配置后測量溫度信息。與傳統的使用大量分立元件電容測量電路相比，使用AD7746不但提高了測量精度，而且大大降低了設計與制造的成本。

　　MC68HC908GZ16是一種用于汽車領域，帶有16kB片上Flash內存的8位微控制器。基于Flash內存可在線編程的特點，可在主動模式下對該款微控制器編程。此外，因其本身集成了MSCAN08控制器和ESCI模塊，它也可以作為CAN網絡和LIN網絡上的一個節點。利用軟件編程可以將普通的I／O接口配制成I2C接口。當編程系統把程序下載到微控制器后，微控器便可以通過配置好的I2C接口與AD7746實現通信，接收信號。信號通過處理程序后可選擇CAN網絡或者LIN網絡傳輸到下一個單元。

　　2．2 信號傳輸電路

　　信號傳輸電路如圖4所示，主要由兩片MC33388芯片和兩片MC33399芯片組成。MC33388是一種汽車車身多種應用的CAN物理交換。MC33399是用于車身子網的LIN物理交換器。CAN總線是一種串行多主站控制器局域網總線。該總線協議是汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線。LIN是一種面向低端通信的通用串行低成本汽車網絡，可簡化現有CAN總線網絡的低端復合解決方案。LIN網絡使用單線通信，在對交換速率要求不高的環境中，LIN網絡可以作為CAN網絡的補充。與雙線通信的CAN網絡相比，使用LIN網絡更加節約成本。在本次電路設計中，同時使用兩種網絡，目的是在其中一個網絡繁忙時，使用另一個網絡替代，保證信號的順利傳輸。在實際通訊過程中，系統設定CAN網絡為首選，LIN網絡為備選。

　　2．3 信號顯示電路

　　信號顯示電路如圖5所示，由一片MC68HC908GZ16和一塊由HD44780驅動的字符型LCD組成。這一片微控制器接收到前一級的信號后控制LCD顯示剩余燃油量和溫度信息。當燃油量小于最小量程時，LCD顯示“waring"字樣，提醒駕駛員該車需要加油；當燃油量大于最大量程時，LCD顯示“full”提醒駕駛員油箱已加滿。隨著汽車電子的發展，可以將汽車行駛過程中的各項參數顯示在同一個顯示屏上，上一級信號通過車身網絡直接傳輸給車載ECU，在同一塊顯示屏上顯示剩余燃油量和行車速率，計算出在當前行駛速度下可續航的里程數。

　　3 單片機編程流程圖

　　傳感器電路設計共使用了兩片MC68HC908GZ16微控制器，把用于信號采集和處理電路的單片機稱作單片機1，用于信號顯示的單片機稱作單片機2。為了實現測量液位的功能，單片機1和單片機2流程，如圖6所示：系統開始運行之后，首先初始化兩片單片機，開啟各個功能模塊。待開啟中斷程序后，單片機1等待I2C網絡傳輸信號1。在接收信號1處理后準備傳輸信號2，選擇CAN網絡或者LIN網絡中的一種，把信號2傳輸給單片機2，若單片機2接收到信號2，則在LCD上顯示結果，否則繼續等待信號2，程序完成。

　　4 結束語

　　數字電容式液位傳感器利用電容量隨極板間介質變化的原理測量液位，將測量結果實時顯示在LCD屏上。當傳感器用于測量汽車油箱液位時，可測量油箱剩余燃油量和箱內溫度，并易于和汽車車身網絡集成，結合當前車速得到車輛續航里程數，提醒駕駛員適時加油，保證車輛不因缺少燃油而停止行駛。運用電容量變化可以準確、連續地實時顯示剩余燃油量，探頭部分無可動部件增加了傳感器的使用壽命，信號傳輸網絡可以和車身網絡系統集成的特點符合汽車電子技術的發展趨勢。