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電場成像器件IC（MC33794） Motorola公司提供行業(yè)內(nèi)惟一可產(chǎn)生及檢測低水平電場和功率并支持微控制器（MCU）的集成電路（IC），所有這些功能均集成在單個(gè)芯片中。 如今，設(shè)計(jì)工程師在需要非接觸探測和三維（3D）電場成像的嵌入式系統(tǒng)中使用MC33794，可減少系統(tǒng)所需器件和成本。這款I(lǐng)C支持微控制器及多達(dá)9個(gè)簡單的電極。這些電極均可獨(dú)立使用，以提供在微弱電場中的物體的尺寸和位置等信息。 以前為了實(shí)現(xiàn)相同功能需要使用許多分立器件，MC33794是為了替代這些分立器件而設(shè)計(jì)的。這款I(lǐng)C的應(yīng)用目標(biāo)包括電器、機(jī)器、汽車安全系統(tǒng)和使用人體感應(yīng)觸摸板輸入作為用戶接口的任何產(chǎn)品或者系統(tǒng)。 下文描述了利用此技術(shù)如何無干擾地測定液體高度。 水的檢測 電場成像技術(shù)非常適合于非導(dǎo)電容器內(nèi)液體高度的測定。測定工作可以在容器外完成，而且測量時(shí)無須內(nèi)部或接地結(jié)構(gòu)。這種方法可以測量任何介電常數(shù)的導(dǎo)電液體，或者介電常數(shù)比一般值大很多的非導(dǎo)電液體。 水很容易測量，因?yàn)樗哂泻芨叩慕殡姵?shù)（80），而且當(dāng)水中溶解了鹽或者其他的雜質(zhì)后很容易傳導(dǎo)。另一方面，油、汽油和石油產(chǎn)品卻很難測量，因?yàn)樗鼈兊碾娊橘|(zhì)常數(shù)相對較低(2～8)，傳導(dǎo)率也比較低。為了正確探測容器中液體的種類，電極設(shè)計(jì)時(shí)必須把上述幾點(diǎn)因素考慮在內(nèi)。在某些情況下，電介質(zhì)常數(shù)的差異可以用于測定容器中液體的種類，甚至檢測出多余液體的存在。例如，可能用于檢測燃料油罐中的水。 水的測定可以通過放置于容器外的電極來完成。水存在與不存在的靈敏度是由透過水的電場強(qiáng)度和未透過水的電場所決定的。簡單地說，兩塊電極可以放置于容器的兩邊，電場會(huì)穿過這個(gè)中間區(qū)域，探測到是水還是空氣。這個(gè)區(qū)域的電流量是由多少電場流經(jīng)水和多少來決定的。 這種簡單方法的問題是：隨著電極之間的距離增大，電場的強(qiáng)度（伏/米）會(huì)隨之減小。最終的結(jié)果是電流變小。隨著穿透容器的距離的增加，靈敏度也開始下降。 另一種方法是測量放置于容器外的兩相鄰電極之間的彌散場。在某些情況下，這種方法要比容器兩側(cè)電極測量的方法更有效。 測量實(shí)驗(yàn) 我們決定使用Motorola的MC33794電場成像器件評估套件研究這種方法。圖1為我們實(shí)驗(yàn)設(shè)備的示意圖。我們使用黏性銅帶作為電極。可以在銅帶上直接焊接，然后作為帶子繞在試管上。試管為本地塑料供應(yīng)廠提供的透明聚氯乙烯管（PVC）。這樣，觀測和測量液體都比較容易。玻璃試管或者其他類型的塑料試管也可以使用。評估模塊的EFLD程序和模塊本身使實(shí)際建立電場測量系統(tǒng)非常容易。 我們首先使用自來水，加水到不同的高度，從屏幕上讀出電極的輸出數(shù)值。如果銅帶相隔2英寸放置，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一條水平面和銅帶的關(guān)系曲線。如果銅帶相隔減少為1英寸和1/4英寸，則會(huì)得到相應(yīng)的不同曲線。 如果向水中加入鹽，增加其導(dǎo)電性，同樣會(huì)得到不同的曲線。上部電極的測量曲線如圖2所示。 測量過程是怎樣實(shí)現(xiàn)的？ 要弄清測量過程是怎樣實(shí)現(xiàn)的，最重要的就是要了解MC33794在進(jìn)行測量時(shí)做了哪些工作。這個(gè)芯片內(nèi)部是一個(gè)正弦波發(fā)生器，它的頻率可以通過一個(gè)連接在IC引腳上的電阻加以調(diào)整。使用時(shí)，它的頻率通常被調(diào)整在120～130kHz的ISM波段范圍之內(nèi)。這個(gè)5V p-p的信號(hào)通過IC內(nèi)部的22kΩ電阻，然后再通過一個(gè)模擬開關(guān)后，被反饋到一個(gè)電極引腳上。由于內(nèi)部電阻上電壓的回落，該引腳上信號(hào)的幅度就會(huì)隨引腳輸出電流而降低。IC內(nèi)的探測器將這個(gè)交流電壓轉(zhuǎn)化成直流電平。在評估模塊中，模塊控制單片機(jī)的8位AD轉(zhuǎn)換器將這個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出請求后，這個(gè)帶有RS232 IC的單片機(jī)就通過COM口把測得的數(shù)值返回給計(jì)算機(jī)。EFLD程序把這個(gè)值轉(zhuǎn)換為0～255之間的十進(jìn)制數(shù)，并顯示在屏幕上。同時(shí)，還能產(chǎn)生與液體高度相關(guān)的模擬條狀圖。 在一次測量中只選擇一個(gè)單獨(dú)的電極引腳。所有其他的電極引腳都通過IC內(nèi)部的開關(guān)連接到IC的地線引腳上。從電極引腳流出的電流必須經(jīng)過一個(gè)完整的回路后回到IC的地線引腳上。可以利用連接到地線引腳上的目標(biāo)或者是通過其他的電極來完成這個(gè)工作。IC的地線引腳需要連接到地線層上。連接到這個(gè)引腳的路徑并不要求是直流路徑。但是，這個(gè)路徑必須能夠在120kHz的操作頻率下傳送電流。在整個(gè)電源主體部分中，通常都可以發(fā)現(xiàn)一條從電源供給端到地線的回路。其重點(diǎn)是任何一個(gè)通過IC的交流回路都能提供電流并改變讀數(shù)。所以要做的一個(gè)很重要的事情就是要減小這種“雜亂”的路徑，而盡可能獲得所要測量的目標(biāo)物所帶來的較高百分比的測量值變化。在我們的測試設(shè)置中，提供給從電極引腳流出的電流的最近返回路徑是將其連接到臨近的電極上得到的。 我們能夠“看到”管子內(nèi)部液體是由于兩個(gè)電極之間存在著彌散邊緣電場。如圖3所示，表示了兩個(gè)導(dǎo)體之間端到端的直接的電力線和電極之間的一對彌散電場電力線。該圖還表明了為什么我們希望通過遠(yuǎn)離兩個(gè)電極來獲得更大的測量值結(jié)果。可以在圖2中看到實(shí)際的測量值。與圓柱內(nèi)水面的上升相對應(yīng)，在電極間距為2英寸時(shí)，得到測量值的變化總量為18，而在電極間距為1/4英寸時(shí)，得到的總量為15。 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析 可以看到圖2中銅帶間隔為1/4英寸所對應(yīng)的曲線要比相距2英寸所對應(yīng)的曲線低。這是因?yàn)殡姌O相距越近，電極間的固有電容就越大。這意味電極的負(fù)載越高，所得讀數(shù)越低。在水面上升并超過電極的過程中，如果銅帶間隔越小，曲線的變化率越大。 從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：當(dāng)水面接近電極但仍低于電極高度時(shí)，水面的上升對應(yīng)的曲線變化大；而水面超過電極高度之后曲線的變化就很小了。當(dāng)水面超過某測量電極后，該電極就不再能靈敏地測出水面的變化。如果有另一個(gè)電極放在測量電極的上方，那么就應(yīng)該改用在上方的電極接著測量。 當(dāng)水面高度位于兩個(gè)電極之間時(shí)，水柱的變化和曲線變化有較好的線性關(guān)系。這意味著可以在水柱周圍放置多個(gè)電極，通過觀察哪些電極測得的值在某一參考值之下來定出水面的位置；如需更加準(zhǔn)確地算出液面的位置可以采用線性內(nèi)插法。 當(dāng)水中加鹽時(shí)，對曲線整體形狀變化很小，僅向左平移。在離電極稍遠(yuǎn)處曲線的變化已經(jīng)很大了，在鹽水到達(dá)電極高度之后，曲線也幾乎保持不變了。這樣的結(jié)果主要是由于加鹽后液體導(dǎo)電能力增加引起的。 當(dāng)我們改用石油（介電常數(shù)＝2.1）來做實(shí)驗(yàn)時(shí)，液面上升引起邊緣電場的變化不足以被探測器探測到，至少一個(gè)8位的AD變換數(shù)值分析器不能探測出來。 一個(gè)更好的用于探測低介電常數(shù)和低導(dǎo)電率液體的方法，是讓盡量多的電場都通過被測液體。要獲得最大靈敏度通常要求電極浸入液體中，但是電極與液體的接觸通常是應(yīng)該避免的。直流電或直流電引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)都會(huì)使讀數(shù)產(chǎn)生錯(cuò)誤。如果電極與液體的直接接觸不可避免，可以在電極和IC之間串接一個(gè)10nF的電容來消除直流影響，如圖4所示。 針對不同液體的測量可能采用不同的電極，電極的電容應(yīng)控制在50pF左右。包括IC引腳、印刷線路板、引線和其他雜散電容在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)總電容必須嚴(yán)格控制在100pF之下，最好能保持在75pF以下。這個(gè)電容值能使系統(tǒng)與MC33794芯片很好地匹配。在測量距離大時(shí)應(yīng)使用大電極，距離小時(shí)用小電極。 采用MC33794和簡單的電極，加上一個(gè)MCU就能使設(shè)計(jì)者輕松地進(jìn)行3D成像和檢測。除了測量液面高度外，系統(tǒng)還能夠檢測有無液體溢出或者測量濕度。比如，可以用于控制火爐在液體沸騰時(shí)自動(dòng)降低功率或者關(guān)閉。 組件信息 ● 最佳工作頻率為120kHz純正的可調(diào)正弦波發(fā)生器 ● 多達(dá)9個(gè)測量電極和2個(gè)參考電容 ● 屏蔽驅(qū)動(dòng)可減低較長同軸電纜上的電容影響 ● 帶觸摸指示燈驅(qū)動(dòng) ● 有上電復(fù)位、內(nèi)置看門狗、電源和ISO 9141物理層通信接口等支持MCU的信號(hào) 上面的實(shí)驗(yàn)是Motorola MC33794評估模塊的應(yīng)用實(shí)例。該模塊包括一個(gè)已有程序的MCU和在測量中必須使用的軟件。利用KIT33794DWB開發(fā)工具包可以幫助開發(fā)者縮短研發(fā)周期。該開發(fā)工具包包括技術(shù)文檔、軟件光盤、MC33794芯片、Motorola 68HC908GY4單片機(jī), 輔助器件和 RS232串行驅(qū)動(dòng)芯片。 |
