宋團(tuán)

摘要：該智能液體容器以STC89C52單片機(jī)為控制核心，利用壓力傳感器、超聲波模塊和諧振電路采集數(shù)據(jù)。由HX711A/D轉(zhuǎn)換器對檢測的壓力信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算和分析，得到被測溶液的密度參數(shù)。設(shè)計(jì)555定時(shí)器電路測量液體的電導(dǎo)率，詳細(xì)區(qū)分液體性質(zhì)，進(jìn)一步確定液體的種類。經(jīng)過多次仿真試驗(yàn)和實(shí)踐，本系統(tǒng)可利用多傳感器實(shí)現(xiàn)對液體性質(zhì)的判斷，成本低，可一鍵實(shí)現(xiàn)液體的識別判斷并顯示。

Abstract： The intelligent liquid container uses STC89C52 single-chip microcomputer as the control core， and uses pressure sensors， ultrasonic modules and resonant circuits to collect data. The detected pressure signal is converted by the HX711A/D converter， and then the data is processed， calculated and analyzed by the single-chip microcomputer to obtain the density parameter of the measured solution. It designs the 555 timer circuit to measure the conductivity of the liquid， distinguishes the liquid properties in detail， and further determines the type of liquid. After many simulation experiments and practice， this system can use multiple sensors to realize the judgment of the liquid properties， the cost is low， and the identification， judgment and display of the liquid can be realized with one click.

關(guān)鍵詞：單片機(jī);多傳感器;智能;液體容器

Key words： single chip microcomputer;multi-sensor;intelligence;liquid container

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0194-03

0? 引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化的簡易測量設(shè)備越來越受人關(guān)注。多傳感器液體智能容器能實(shí)現(xiàn)對糖水、鹽水、純凈水、酒精、白醋等液體質(zhì)量、密度、性質(zhì)的判定，可應(yīng)用于水質(zhì)判斷、產(chǎn)品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測等許多方面。

1? 系統(tǒng)方案

其硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)、壓力傳感器模塊、超聲波模塊、電導(dǎo)率測試模塊、按鍵、顯示模塊及電源等組成。

該方案使用粗細(xì)均勻的塑料量杯作為容器，用超聲波模塊、壓力傳感器、555定時(shí)器等傳感器進(jìn)行測量，51單片機(jī)為處理單元，實(shí)現(xiàn)對測量的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算、分析并交給OLED顯示。

超聲波傳感器測量液體的高度，計(jì)算出其體積V=s·h。壓力傳感器可以測量被測液體的重量，根據(jù)密度公式ρ=m/V，計(jì)算出密度，初步確定液體的性質(zhì)。對于密度比較接近，無法準(zhǔn)確通過密度進(jìn)行判斷的液體，借助于555諧振電路間接測量其電導(dǎo)率，進(jìn)一步確認(rèn)該液體的性質(zhì)。測量重量的過程中，分別設(shè)置“去皮”功能鍵和“一鍵測量”鍵，實(shí)現(xiàn)一鍵智能化測量，最后通過OLED屏幕對測量結(jié)果進(jìn)行顯示。（圖1）

1.1 體積測量

液體體積為底面積和高的乘積。該方案采用的容器是均勻的圓筒型容器，底面積已知，因此只需要測量出液體高度即可計(jì)算出體積。方案采用超聲波模塊測量液體高度。

超聲波遇到障礙物會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，利用超聲波傳輸中距離與時(shí)間的關(guān)系，精確測出液體的高度。超聲波在空氣中的速度v和計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，計(jì)算出發(fā)射位置和水面之間的距離（s），測量的公式可表示為：

s=vt/2

液體的高度（x）即為：超聲波發(fā)射器距離容器底部的高度（H）與h之間的差值，公式可表示為：x=H-h（x=H-vt/2）

超聲波探頭固定，H為固定值，系統(tǒng)只需要精確測出液體高度即可求出體積，液體體積為：V=底面積×高=s·（H-vt/2）

本方案采用HC-SR04型超聲波模塊，有VCC、GND、TRIG、ECHO四個(gè)引腳。超聲波傳感器模塊工作時(shí)，需要在TRIG端接入至少10μs的高電平信號，模塊便自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波信號，聲波信號遇到障礙物反射后由ECHO端接收，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)時(shí)間的高電平，通過單片機(jī)檢測其高電平的時(shí)間便算出聲波往返的總時(shí)間t，根據(jù)s=vt/2從而得到高度x。

1.2? 檢測液體重量

液體重量通過電阻應(yīng)變式壓力傳感器進(jìn)行測量。其主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）受到拉伸或壓縮應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。瑥亩闺姌蚴テ胶?，產(chǎn)生相應(yīng)的差動(dòng)信號，供后續(xù)電路測量和處理。原理圖如圖3所示。

因傳感器測量的是模擬量，需要把輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成與它相關(guān)的數(shù)字量，本方案采用的是HX711，是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程相對簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動(dòng)，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。電路原理圖如圖4所示。

1.3 電導(dǎo)率測量

電導(dǎo)率反映的是導(dǎo)體導(dǎo)電能力，與本身的自由電荷在電場作用下的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，也就是與導(dǎo)體的性質(zhì)及它的長度和導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)。電導(dǎo)的公式為：

測量液體的導(dǎo)電率時(shí)，由探針的長和橫截面積均保持不變，電導(dǎo)率K為：

由于TDS與電導(dǎo)率之間存在顯著地相關(guān)關(guān)系，由資料[5]可知，溶解固體與電導(dǎo)之間的關(guān)系可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式估算：

式中：TDS為水中溶解固體（mg/L）;K為25℃時(shí)水的電導(dǎo)率（S/m）。

本方案使用555諧振電路來測量電導(dǎo)率，原理圖如圖5所示。

探針、被測溶液和電容C2組成多諧振蕩器，當(dāng)兩根探針插入被測溶液，形成了一個(gè)電極，使整個(gè)電路構(gòu)成封閉的諧振電路，而由該諧振電路產(chǎn)生的與被測溶液電導(dǎo)率有關(guān)的頻率f由555芯片的3引腳輸出，向單片機(jī)P3.2口輸入。

將兩探針之間的被測溶液也視為電阻，可確定f與K的線性關(guān)系，K=f·3.24×10-5，即推算出TDS=（0.55-0.70）×3.24×10-5f。

1.4 判斷液體性質(zhì)

1.4.1 密度

查閱資料，根據(jù)密度值判斷液體種類。常見液體的密度如表1所示。

1.4.2 電導(dǎo)率

對于密度比較接近的液體，例如糖水和10%的鹽水，可通過計(jì)算電導(dǎo)率進(jìn)一步確定其種類。采用的電極尺寸為：L=1.5cm，S為4cm×1.5mm=0.6cm2，所以L/S=2.5cm-1=250m-1。將兩探針之間的被測溶液也視為電阻，可確定f與K的線性關(guān)系，即可算出電導(dǎo)率的值。

2? 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)簡易多功能液體容器設(shè)計(jì)總方案，系統(tǒng)需要三個(gè)端口來分別測量高度、重量和電導(dǎo)率。測量到高度后可算出體積，結(jié)合測得的重量，進(jìn)而算出密度，初步判斷出液體性質(zhì)。當(dāng)液體密度比較接近時(shí)，結(jié)合電導(dǎo)率最終確定液體的種類。系統(tǒng)設(shè)置一鍵測試功能，同時(shí)保留稱重時(shí)的“去皮”功能。上述物理量的測量采用中斷的方式進(jìn)行。（圖6）

3? 實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

程序開始執(zhí)行，首先對各引腳、OLED、超聲波等模塊定義及初始化，OLED顯示初始界面，實(shí)時(shí)顯示液面高度與溶液重量參數(shù)，與此同時(shí)按鍵掃描程序不斷循環(huán)運(yùn)行，此按鍵掃描程序有兩種功能，第一個(gè)功能可檢測KEY1的按下，對重量進(jìn)行去皮操作，第二個(gè)功能可據(jù)測得的液面高度、溶液重量推算出液體質(zhì)量，再結(jié)合電導(dǎo)率測量模塊推算出液體的種類，并在OLED顯示。其中程序?qū)}水的密度有比較功能，可與下一次所測的鹽水濃度比較，進(jìn)而顯示出下一次所測鹽水相對于上一次的濃淡。

①首先用電子天平（高精度電子秤）量出量筒重量m0，然后用量筒裝入200ml純凈水，測出水和量筒的總重量m1，計(jì)算出密度：ρ=（m1-m0）/200。將量筒內(nèi)的200ml純凈水倒入多功能容器內(nèi)，用單片機(jī)測量測量其液面高度h、重量。容器底面積常數(shù)s0=200/h，計(jì)算密度并記錄。將測得的密度與相關(guān)密度表比較，確定屬性。

②在多功能容器內(nèi)裝入大約200ml濃度為10%的鹽水，用單片機(jī)測量其液面高度h和質(zhì)量m（去皮后）。鹽水體積v=h×s0，密度為ρ=m/（h×s0）。

③查找、對比密度表，確定溶液性質(zhì)。

通過測量結(jié)果可知，誤差相對值小于0.051，且能準(zhǔn)確判斷溶液性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)對常見液體的識別、判斷和顯示。

4? 總結(jié)

該方案選題來源于2019年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的K題，論文作者帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)獲省賽三等獎(jiǎng)。

本方案基本能準(zhǔn)確測量出特定液體的高度、重量，并結(jié)合測得的電導(dǎo)率判斷、顯示出液體種類。但在精度方面需要不斷提高。為提高超聲波的測量精度，可以增加溫度傳感器，根據(jù)溫度修正超聲波速度，使密度的測量計(jì)算更加精確。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：宋團(tuán)（1981-），男，河南南陽人，實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂啤?/p>