基于STM32的电容式液面探测系统的制作方法

本发明涉及液面探测系统，尤其是涉及基于STM32的电容式液面探测系统。

背景技术：

在体外诊断仪器中，为了防止待测物之间的交叉污染，要求在吸取待测物液体时，吸液针进入待测物液面以下的长度越短越好，这就需要对吸液针进入待测物液面以下的长度进行探测。通过压力和超声波来检测吸液针进入待测物液面以下长度的灵敏度比较低，因此，目前对吸液针进入待测物液面以下的长度进行探测多采用电容式液面探测技术。电容式液面探测技术是通过对电容传感器的两个电极之间的电容变化来判断吸液针是否探测到待测物液面。在体外诊断仪器中，待测物液体总体积通常是微升级别，这就对待测物液面检测的灵敏度提出了较高的要求；电容传感器的两个电极分别是吸液针和“地”，在不同的应用中，吸液针和“地”之间的电容会在较大范围内变化，这就需要电容传感器拥有较大的测量范围，上述现有技术通常难以满足。另外，现有电容式液面探测所用的吸液针均为导电材料制成，在有高频辐射的环境中使用时，吸液针会成为“天线”接收高频辐射信号，对电容检测的结果产生干扰影响，如电磁干扰、人体接近干扰等，导致检测结果的误判。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于STM32的电容式液面探测系统。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述基于STM32的电容式液面探测系统，包括上位工控机和单片机，所述上位工控机输出控制端与吸液针驱动电机输入控制端连接，上位工控机CAN通信接口通过CAN收发器与所述单片机CAN通信接口连接，单片机的IIC通信接口与电容传感器IIC通信接口连接，单片机的检测指示信号输出端与上位工控机的信号采集输入端连接；上位工控机电源输入端、所述CAN收发器高电压电源输入端和隔离电源单元输入端分别与直流电源输出端连接；所述隔离电源单元输出端分别与单片机电源输入端、CAN收发器低压电源输入端和所述电容传感器电源输入端连接；电容传感器信号输入接口通过抗干扰电路和屏蔽电缆与吸液针的金属针芯连接，所述吸液针的金属针芯外表面依次包覆有绝缘层和金属屏蔽层，所述金属屏蔽层和所述屏蔽电缆的屏蔽层与电容传感器的屏蔽接口连接，电容传感器的接地接口与机壳连接；所述隔离电源单元由隔离电源模块和线性稳压电源模块组成，所述隔离电源模块输入端与所述直流电源输出端连接，隔离电源模块输出端与所述线性稳压电源模块输入端连接，线性稳压电源模块输出端分别与单片机电源输入端和电容传感器电源输入端连接。

所述抗干扰电路由串联在所述屏蔽电缆中的电感线圈，和连接于所述电感线圈输入端与地之间的电容器组成。

本发明优点在于通过STM32单片机灵活控制电容传感器的测量范围，保证在大的测量范围内拥有极高的灵敏度，降低了对吸液针的制造工艺要求，提高了测量精确度，在降低成本的同时提高了仪器的可靠性。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明所述电容传感器与所述吸液针的电气连接示意图。

图3是本发明所述隔离电源单元的电路原理框图 。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1-3所示，本发明所述基于STM32的电容式液面探测系统，包括上位工控机和单片机（STM32F103），上位工控机输出控制端与吸液针的驱动电机M输入控制端连接，上位工控机CAN通信接口通过隔离型CAN收发器（ADM3052）与单片机CAN通信接口连接，单片机的IIC通信接口与电容传感器（FDC1004）1 IIC通信接口连接，单片机的检测指示信号输出端与上位工控机的信号采集输入端连接；上位工控机电源输入端、CAN收发器高电压电源输入端和隔离电源单元输入端分别与+24伏直流电源输出端连接；隔离电源单元输出端分别与单片机电源输入端、CAN收发器低压电源输入端和电容传感器1电源输入端连接；如图2所示，电容传感器1信号输入接口CINx通过抗干扰电路2和屏蔽电缆3与吸液针的金属针芯4连接，吸液针的金属针芯4外表面依次包覆有绝缘层5和金属屏蔽层6，金属屏蔽层6和屏蔽电缆3的屏蔽层7与电容传感器1的屏蔽接口SHLDx连接，电容传感器1的接地接口GND与机壳8连接；如图3所示，隔离电源单元由隔离电源模块（F2405XT-1W2或F2405XT-3W）和线性稳压电源模块（ASM1117-3.3）组成，隔离电源模块输入端与+24伏直流电源输出端连接，隔离电源模块输出端与线性稳压电源模块（ASM1117-3.3）输入端连接，线性稳压电源模块+3.3伏直流电源输出端分别与单片机电源输入端、CAN收发器低压电源输入端和电容传感器1电源输入端连接；如图2所示，抗干扰电路2由串联在屏蔽电缆3中的电感线圈L，和连接于电感线圈L输入端与地之间的电容器C1组成。

本发明工作原理简述如下：

单片机通过Can接口接收上位工控机控制命令和发送测量数据，同时判断金属针芯4是否检测到液面；电容传感器1负责执行电容检测，并将测量值向单片机上报；驱动电机M由上位工控机控制。

+24伏外部电源通过隔离电源模块转换为+5伏电源，同时将外部电源“地”（ +24伏外部电源GND）与电路板“地”（机壳GND）隔离开，然后+5伏电源经过线性稳压电源转换为电容传感器1和单片机需要的+3.3V。

上位工控机和单片机通过隔离型Can收发器实现通信和对电容传感器1的控制，上位工控机通过控制吸液针驱动电机M的旋转来实现吸液针的上、下运动，单片机与电容传感器1之间通过IIC通信线实现控制和数据传输。当吸液针向下运动时，上位工控机向单片机发送开启电容检测功能，单片机通过IIC通信线控制电容传感器1开始进行电容检测，并实时读取测量值。当吸液针的金属针芯4接触到液面时，吸液针与电路板“地”（机壳GND）之间的电容值会变大，单片机检测到这种变化后将检测指示信号由低电平变为高电平，上位工控机检测到此指示信号电平变化时命令停止驱动电机M运动，同时向单片机发出停止电容测量信号。

将吸液针设置成由金属针芯4外表面依次包覆有绝缘层5和金属屏蔽层6结构，并将电容传感器1信号输入接口CINx通过同轴屏蔽电缆3与吸液针的金属针芯4相连接，电容传感器1的屏蔽信号接口SHLDx通过同轴屏蔽电缆3的屏蔽层7与吸液针的金属屏蔽层6相连接，电容传感器1的接地接口GND直接与机壳8相连接；这种连接方法相当于在电容传感器1的信号线的周围形成了一种“保护场”，能够有效的屏蔽环境因素对电容传感器1信号线的影响，提高了液面探测的稳定性。由于吸液针的金属针芯4最下端未受到“保护场”的保护，因此高频辐射会通过此部分引入电容传感器1信号线，因此，将电容传感器1信号输入接口CINx通过抗干扰电路2和屏蔽电缆3与吸液针的金属针芯4连接，抗干扰电路2可对引入的高频辐射电路进行吸收，进一步提升了液面探测的准确性。

开始进行液面探测时，吸液针驱动电机M控制吸液针向下运动，当吸液针的金属针芯4最下端运动至样本杯9的杯口时，上位工控机发送开启液面探测命令，电容传感器1开始测量吸液针与电路板“地”（机壳GND）之间的电容，保存第一次测量值z1，此后每2.5ms测量一次电容值，并与第一次测量值z1比较，当第N次测量的电容值zn与第一次测量值z1的差值连续3次超出预设值时，判定为探测到液面。

本发明的电容传感器1可同时连接四路吸液针，便于集中化管理。所采用的电容传感器1的测量范围为0-116pF,测量精度为0.05pF。