簡易多功能液體容器的分析與設(shè)計

王然升

摘 要：工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中經(jīng)常需要實現(xiàn)對容器中的液體參數(shù)進(jìn)行測量，如液體重量、液體液面高度、液體種類、液體濃度等，以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化和智能化的需要。本文從2019年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的K題出發(fā)對多功能液體容器進(jìn)行分析與設(shè)計，本論文以STC89C52RC為單片機，利用變阻應(yīng)變式壓力傳感器對液體進(jìn)行稱重，利用超聲波傳感器測量液面高度、再利用PH傳感器、光電傳感器中的光電對管對液體種類進(jìn)行區(qū)分，文中進(jìn)行了詳細(xì)的系統(tǒng)分析和方案論證，以及各種傳感器的工作原理和工作方法，在生產(chǎn)生活中有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：STC89C52RC;超聲波傳感器;PH值傳感器

1 系統(tǒng)分析

本設(shè)計要求的容器需要具備一定的容量（容量≥0.5L、液位高度≥20cm），并能夠自動測量給定容器中液體的重量、液面高度，并能判別出給定液體的種類（純凈水、白糖水、鹽水、牛奶、白醋等），并要求系統(tǒng)能檢測出濃鹽水和淡鹽水，容器中液體重量可以利用電阻應(yīng)變式壓力傳感器和AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行測量，電阻應(yīng)變式壓力傳感器和AD轉(zhuǎn)換芯片是構(gòu)成電子稱的重要部件，設(shè)計時可以通過編程控制單片機和這兩個部件來制作一個精度較高的電子秤實現(xiàn)對液體的稱重。AD轉(zhuǎn)換芯片HX711是一個24位高精度芯片，專門為精密電子秤設(shè)計的，特點是具有兩路模擬通道輸入，內(nèi)部集成可編程增益放大器達(dá)128倍，能夠為設(shè)計高精度的電子秤提供條件。經(jīng)實驗驗證超聲波不僅遇到固體表面能發(fā)生發(fā)射，遇到液體也能發(fā)生反射，液面高度測量正是利用超聲波遇到容器內(nèi)容液體表面發(fā)生發(fā)射這個特點進(jìn)行測量的。液體種類的分辨需要用到多個傳感器。從外觀上看牛奶區(qū)別于其他幾種液體的特點是不透光，可以采用光電傳感器中的光電對管進(jìn)行檢測，光電對管是紅外線發(fā)射二極管與光敏接收二極管的總稱，紅外線發(fā)射二極管發(fā)射紅外線如果光敏接收二極管接收不到則表明該液體是牛奶。再分析純凈水、白糖水、鹽水、白醋這四種液體的特性，其中白醋的PH值范圍為2～3，純凈水、鹽水和白糖水的PH值接近都大約為7，可以利用PH值傳感器測量液體PH值的辦法辨別出白醋來。純凈水、鹽水和糖水的區(qū)別是液體密度不同，可以利用容器中液體的重量和液位高度判斷出出液體的密度，進(jìn)一步分辨出不同的液體，經(jīng)過上述分析可得系統(tǒng)框圖如圖1所示：

2 硬件選取

系統(tǒng)設(shè)計中對各類單片機和各類傳感器進(jìn)行了分析比較，最終確定利用具備在線編程的STC89C52RC作為該系統(tǒng)的單片機，此單片機是8位機，內(nèi)部集成了256字節(jié)RAM和4K字節(jié)ROM，具備這些資源對于本設(shè)計來說已經(jīng)夠用。

系統(tǒng)采用 LCD12864 作為顯示器，其特點是體積小、功耗低、不僅能顯示字符，還能顯示漢字。電阻應(yīng)變式壓力傳感器用于稱重，傳感器采集到的模擬信號經(jīng)24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號經(jīng)單片機數(shù)據(jù)處理后就能得到被稱液體的重量，采用這種方能較好的提高系統(tǒng)的可靠性。US-100超聲波模塊用于測距，可實現(xiàn)最小2cm，最大4.5m的非接觸距離的測量，輸入電壓范圍為2.4-5.5V，靜態(tài)功耗小，自帶的溫度傳感器可以對測距結(jié)果進(jìn)行檢驗，同時具有GPIO、串口等多種通信費方式，自帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。

3 各傳感器的工作原理分析

3.1 稱重傳感器

壓力傳感器上下表面各有一個電阻應(yīng)變片，每個應(yīng)變片里有2個壓力電阻，一共4個壓力電阻，組成全橋式電路，這樣能夠保證所測的精度，見上圖2。

3.2 超聲波傳感器

超聲波傳感器模塊的電氣參數(shù)如表1所示：

液位高度的測量采用的是間接法。如圖3所示，設(shè)超聲波傳感器與容器底部的距離為H，這是一個預(yù)先測量值，超聲波傳感器可以測量出自身與液面的距離為L，進(jìn)而計算出液面高度為h=H-L。超聲波傳感器的換能器發(fā)出高頻超聲波脈沖遇到被測液體表面被反射回來，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波脈沖的傳播速度為聲速，從發(fā)射到接受到超聲波脈沖所需時間與換能器到液面的距離成正比。此距離值L與聲速C和傳輸時間T之間的關(guān)系表示為：L=C×T/2。

因超聲波測距要經(jīng)過超聲波的反射過程，該液體容器的結(jié)構(gòu)是圓柱形的，圓柱形的內(nèi)壁反射的超聲波會干擾傳感器的測量結(jié)果，使測量誤差較大。在放置超聲波傳感器時要選擇合適的位置。經(jīng)驗證將傳感器放在液體容易上口邊沿的位置效果較理想。

3.3 光電傳感器

紅外對管是紅外線發(fā)射管與光敏接收管的總稱。因牛奶是混合物，具有不透光的特點，紅外線發(fā)射管發(fā)射的紅外線經(jīng)過牛奶后無法讓光敏接收管接收，而其他液體是透明的，光敏接受管能夠接受到紅外線，據(jù)此能判斷出牛奶。

3.4 PH值傳感器

在PH值傳感器內(nèi)部的放大器是一個能通過數(shù)據(jù)采集器檢測PH電極的標(biāo)準(zhǔn)電路。傳感器連接線的末端是一個BTA插頭或5針的DIN插頭與數(shù)據(jù)采集器連接，在PH緩沖液中，它將產(chǎn)生一個1.75伏特的電壓。PH值每增加1，電壓增加0.25伏。白醋的PH值為2～3通過PH值傳感器得到的電壓值小于1.75伏，可以判斷該溶液為醋。

4 軟件設(shè)計思路

系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能為：（1）顯示液面高度、液體重量、液體的濃度。（2）判斷液體的種類。（3）區(qū)分高低濃度的鹽水。（4）區(qū)分純凈水、鹽水、牛奶、白醋。（5）區(qū)分純凈水和糖水?？梢曰诖艘笤O(shè)計系統(tǒng)工作流程。

5 測試方案與測試結(jié)果

5.1 測試條件與儀器

測試條件：反復(fù)檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖吻合，且檢查無誤，硬件電路無漏焊、虛焊現(xiàn)象。

儀器選擇：高精度電子稱、鋼尺。

5.2 測試過程及測試結(jié)果，見表2、表3

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

（1）重量測量絕對誤差的絕對值≤1g。（2）加入液體后，可以完成水位測量并顯示，誤差≤2mm。（3）能夠區(qū)分鹽水的濃度高低，并顯示第二次測量液體的名稱。（4）能夠區(qū)分液體的種類。（5）能夠區(qū)分純凈水和糖水。

參考文獻(xiàn)：

[1]一種簡易多功能液體容器測量裝置的設(shè)計 電子設(shè)計 2019.

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