电容传感器已经在诸如压力、接近度、位置与液面等精密工业测量中使用。作为工业和消费类应用中人机接口的首选方案,电容传感器正在迅速取代开关、按键、滚动条以及滚动轮。
电容型传感芯片MDC04/MDC02是高集成度的数字模拟混合信号传感集成电路,芯片直接与被测物附近的差分电容极板相连,利用不同物质介电常数的区别,通过放大、数字转换、补偿计算电容的微小变化来实现物质成分的传感。芯片内部集成高精度16bit模数转换ADC电路,其电容分辨率为0.1fF,线性度误差小于 0.3%。此外,芯片内置精度0.5℃的温度传感电路,可用于温度补偿及其他温度传感场景。
MDC04为四通道测量电容芯片,支持单总线和IIC双通信,DFN20封装;MDC02为两通道测量电容芯片,支持单总线通信,SOP8封装。
此方案将MESK-MDC04环境传感评估板和MDC04PCB芯片测试板组合,提供一个测试平台,MESK-MDC04通过外接接口接入MDC04PCB测试板,进行液位测量(如上图)。首先将MDC04电容通道1的两个电极(铜箔)固定在量杯侧壁上(本方案仅使用MDC04四通道中的一个),MESK-MDC04通电后,在OLED上显示量杯中不同液位的电容测量数据,或者通过UART转USB串口输出到PC端。MDC04PCB测试板固定在量杯底部与电极最小距离接泊,减小线路寄生电容,使得采集数据更加准确。
实验以纯净水为介质,首先检测量杯中没水的时候OLED上显示的电容值是2.916pF,加水到30ml得到的电容值是11.531pF,最后加满到50ml得到的电容值是18.194pF(如下图所示)。从实验可以看到不同水量得到的电容值是不一样的,从而得到液位检测目的。介质不同,如果汁、油、牛奶等,检测值会稍有差别。
0ml 30ml 50ml
MESK-MDC04环境传感评估版通过USB连接到PC端后,可以通过常用的串口工具如sscom5.13,看到实时打印的测量信息,还可以通过MESK-MDC04手册提供的串口的交互命令,调整芯片参数,获取更好的测量结果。下面列出测试操作步骤以及交互命令。
测试操作步骤:
1、在量杯壁上固定好铜箔(电极),连接至MDC04电容通道1,并将MDC04PCB固定在量杯底部。
2、将MDC04PCB按照不同总线(单总线/I2C协议)接入对应接口。(本方案使用单总线)
3、通过USB 将MESK-MDC04连接至电脑,通过USB供电,开启电源拨码开关。
4、MESK-MDC04会自动检测MDC04PCB接入方式,OLED屏会有不同显示:
“-- NO IC !! --” 没有MDC04PCB接入
“-- OW --” 单总线接入
“-- IIC --” I2C总线接入
5、MESK-MDC04检测到MDC04芯片后,OLED每秒刷新一次检测到的电容值,串口也会同时打印信息。
6、通过串口的交互命令,可对芯片进行参数设置,获取更好的测试结果。
MESK-MDC04构成图 MDC04PCB示意图
串口的交互命令
1、$T[CR]:单次测量温度命令,测量MDC04本地温度并输出。
2、$M[CR]:启动连续测量温度和电容通道1命令,测量的温度和电容值输出到终端窗口。
3、$C[CR]:启动连续测量电容命令,显示4通道电容值,按ESC键停止。
4、$O [Co][CR]命令:配置MDC04的偏置电容为Co的数值。
5、$F [Cr][CR]命令:配置MDC04的测量范围为Cr的数值。
6、$R [Cmin] [Cmax][CR]命令:设置电容测量范围为Cmin到Cmax。
7、$H [Ch][CR]选择测量通道。MDC04有4个电容输入通道:1、2、3和4,这些通道可以单独转换,也可以同时转换。Ch格式为1位16进制数,每个二进制位对应一个电容通道,如果该位值为1,打开对应电容通道,该位值为0,关闭对应通道。
8、$G [Rp] [CR]命令:设置重复性。Rp=“L”:低重复性;Rp=“M”:中重复性;Rp=“H”:高重复性。
9、$E[CR]:存储设置命令,将配置参数永久保存在EEPROM中。
10、$S[CR]:显示MDC04内部存储器内容命令。
11、$?[CR]:帮助命令,打印MESK-MDC04命令菜单。
12、$P[CR]:开启、关闭睡眠模式。
MESK-MDC04环境传感评估板,开放原理图和固件程序,核心MCU使用基于 Arm® Cortex®-M0内核的32位微控制器 MM32SPIN05(灵动微),预留了JLINK下载器接口,方便研究开发传感器芯片MDC04或MDC02。
MESK原理图
MESK电路图
固件程序
MESK_4.4.1.ZIP(附件下载)
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