張桂紅

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

液體檢測(cè)在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，目前市面上的檢測(cè)儀大多可以檢測(cè)易燃易爆液體，被廣泛應(yīng)用于車站、地鐵、機(jī)場(chǎng)、公檢法政府機(jī)構(gòu)、大型運(yùn)動(dòng)會(huì)等場(chǎng)所的安檢工作[1]。國(guó)際上有多種液體檢測(cè)技術(shù)，如拉曼光譜法，即發(fā)射一束激光到液體，根據(jù)不同物質(zhì)反射回來(lái)的光譜特征不同來(lái)區(qū)分液體種類。目前我國(guó)地鐵應(yīng)用最為廣泛的是“準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)”，它通過測(cè)定待測(cè)液體的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，來(lái)判斷該液體是否具有易燃易爆性，安全液體和危險(xiǎn)液體的介電常數(shù)和電導(dǎo)率相差較大。本項(xiàng)目則采用TI公司的MSP430單片機(jī)作為核心控制部件，設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能液體檢測(cè)儀，可自動(dòng)測(cè)量液體的液位、重量，可判別液體的種類，也可對(duì)液體是否安全做出判斷，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)方案

本文介紹了一種基于MSP430控制簡(jiǎn)易多功能液體檢測(cè)系統(tǒng)的可行方案。本系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)液體液位，重量傳感模塊檢測(cè)液體重量，PT100溫度傳感模塊對(duì)液體特征檢測(cè)模塊進(jìn)行溫度補(bǔ)給，結(jié)合光電傳感器分辨液體種類，數(shù)據(jù)經(jīng)過ADS1220AD轉(zhuǎn)換，送到單片機(jī)處理，按鍵啟動(dòng)后，通過傳感器檢測(cè)相關(guān)信號(hào)，可以在單片機(jī)實(shí)時(shí)顯示液位、重量等信息，并可判別液體種類。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 理論分析與計(jì)算

2.1 液位檢測(cè)分析與計(jì)算

液位檢測(cè)部分采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊。該模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；一旦有信號(hào)返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間T，高電平時(shí)間與液位高度S成正比，即：

液位高度S=(高電平時(shí)間*聲速/2)=170*T

誤差分析：超聲波測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度和時(shí)間引起的，是不可避免的，但可以在軟件上利用遞推中位值法消除超聲波的誤差，此方法使檢測(cè)液位更精準(zhǔn)。

2.2 液體重量測(cè)量分析

采用應(yīng)變片雙臂半橋檢測(cè)液體重量，如圖2所示。雙臂半橋由4個(gè)電阻構(gòu)成，當(dāng)相鄰橋臂電阻發(fā)生變化，且在電橋輸出端的負(fù)載電阻無(wú)限大時(shí)，電橋輸出電壓可表示為：

(1)

圖2 雙臂半橋結(jié)構(gòu)

采用HX711A/D轉(zhuǎn)換芯片。HX711是一款高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，該芯片集成了穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。

2.3 液體特征分析與計(jì)算

TDS(Total Dissolved Solids)，中文名為總?cè)芙夤腆w，表明1升水中溶有多少毫克溶解性固體。一般來(lái)說，TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多，說明液體特征不同。因此，TDS值的大小，可以作為分辨純凈水、鹽水、牛奶、白醋、白糖水的依據(jù)之一。溶液電導(dǎo)率不同[2]，被測(cè)溶液電極輸出電壓不同。通過測(cè)試電極對(duì)應(yīng)電壓與NTU值，可以擬合出TDS標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖3所示。

擬合公式為：

Y=66.71X3-127.93X2+428.7X

(2)

圖3 標(biāo)準(zhǔn)TDS曲線圖

將所測(cè)的TDS值送入ADS1220AD采集模塊中，ADS1220是一款精密24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，所集成的多種特性能夠降低系統(tǒng)成本，并減少小型傳感器信號(hào)測(cè)量應(yīng)用中的組件數(shù)量。此器件能夠以高達(dá)2000次/秒(SPS)采樣數(shù)據(jù)速率執(zhí)行轉(zhuǎn)換。ADS1220抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境因素影響小，可在-40～125℃溫度范圍內(nèi)正常工作。其不僅集成度高，而且還具有1.8～5.5V較寬的工作電壓，并集成了一個(gè)精密溫度傳感器，通過將配置寄存器的TS位置1可使能溫度傳感器模式。在溫度傳感器模式下，配置寄存器0的設(shè)置不產(chǎn)生任何影響，該器件使用內(nèi)部基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。

3 液體檢測(cè)儀主要硬件電路設(shè)計(jì)

3.1液體特征檢測(cè)電路

電源經(jīng)過芯片CD4060內(nèi)部振蕩產(chǎn)生方波(交流信號(hào))，由芯片7號(hào)腳輸出，信號(hào)進(jìn)入LM324①運(yùn)放的反相輸入端，略微放大后，輸出信號(hào)經(jīng)過電極檢測(cè)溶液電導(dǎo)率，檢測(cè)完后輸出信號(hào)進(jìn)入LM324②運(yùn)放的反相輸入端，放大后接由LM324③④運(yùn)放構(gòu)成的整流電路[3]，將方波交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥姓胼S的半方波信號(hào)，后經(jīng)過二階低通濾波消除干擾信號(hào)，轉(zhuǎn)化為可供單片機(jī)采集的直流信號(hào)。液體特征檢測(cè)電路如圖4所示。

液體檢測(cè)通過測(cè)量液體中的溶解性固體含量差異來(lái)判別液體種類。液體的溶解性固體含量的測(cè)量原理是將相互平行且距離是固定值L的兩塊極板(或圓柱電極)放到被測(cè)溶液中，在極板的兩端加上一定的電勢(shì)，為了防止探頭極化，延長(zhǎng)探頭壽命，同時(shí)也為了增加輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，激勵(lì)源通常采用交流電壓，頻率為 1～5 kHz。在本設(shè)計(jì)中，通過ME206A30M3G低壓差線性穩(wěn)壓管將輸入電壓降為3V，由于CD4060BM及運(yùn)放需要雙電源供電，所以采用TPS60400DBVR將3V電壓轉(zhuǎn)換為-3V提供雙供電。在電路設(shè)計(jì)中選用CD4060產(chǎn)生2.84KHz方波信號(hào)經(jīng)運(yùn)放衰減后驅(qū)動(dòng)TDS傳感器。由CD4060器件手冊(cè)知：

圖4 液體特征檢測(cè)電路

R12=2R11～10R11

故選擇R11=10K，C10=1nF,R12=100K輸出信號(hào)由CD4060的7號(hào)管腳分頻輸出，輸出峰峰值為6V、頻率為2.84KHz的方波到LM324，再經(jīng)反相比例電路衰減，輸出峰峰值為 500mV的方波信號(hào)經(jīng)測(cè)量電極一端到溶液中。交流方波信號(hào)經(jīng)溶液后，從電極另一端輸入到由LM324運(yùn)放構(gòu)成的反相比例放大電路中，溶液不同，輸入到 LM324 的信號(hào)大小不同，且溶液電導(dǎo)率越大，電壓越小。然后信號(hào)經(jīng)過半波整流和濾波電路，將交流方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，根據(jù)該直流電壓大小判斷電導(dǎo)率大小，進(jìn)而判斷溶液種類。

3.2 PT100溫度傳感電路

溫度傳感器利用熱敏元件的電阻參數(shù)隨溫度的變化而變化的特性，溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，單片機(jī)只需檢測(cè)熱敏電阻的阻值變化達(dá)到測(cè)量溫度的目的。熱敏電阻兩端電壓送到同相比例放大電路[4]放大后，送到單片機(jī)進(jìn)行處理。電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由于液體的溶解性固體含量的測(cè)量中受溫度影響較大，故增加溫度測(cè)量模塊，本模塊采用Pt100熱敏電阻電阻值隨著溫度的變化而變化的特征，測(cè)量由固定電阻R1和Pt1000串聯(lián)電路中，Pt100上電壓值的大小換算出實(shí)際溫度。在本設(shè)計(jì)中，選用的固定電阻R1為1k，當(dāng)溫度從0～50℃范圍內(nèi)變化時(shí)，Pt100電阻變化范圍為100～119.5Ω，電壓變化范圍為0.3～0.35V。為了適應(yīng)單片機(jī)AD最大3.3V輸入電壓量程范圍，設(shè)計(jì)了同相放大電路放大9倍。

圖5 PT100溫度傳感電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)MSP430F5529上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，按下測(cè)量啟動(dòng)按鍵，先經(jīng)溫度傳感器檢測(cè)水溫，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，后經(jīng)超聲波檢測(cè)液體液位，再經(jīng)重量傳感器檢測(cè)液體重量，若按鍵值為1，則分辨液體種類并顯示液體液位、重量及種類，若不為1，直接顯示液位和重量。程序流程圖如圖6所示。

5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

5.1 測(cè)試儀器

測(cè)試儀器如表1所示。

5.2 測(cè)試方案

(1)上電前檢查：通過目測(cè)檢查電路是否連接正確，再利用萬(wàn)用表檢查電路是否虛焊，并且檢查電源和地之間是否短路。

(2)通電調(diào)試：連接電源，利用萬(wàn)用表檢查芯片各管腳的直流電位是否正確，并可用手觸摸芯片是否有發(fā)熱現(xiàn)象。

(3)啟動(dòng)單片機(jī)，用codecamputerstuden8.0.0檢查軟件編程是否正確，按照設(shè)計(jì)要求逐步進(jìn)行功能測(cè)試。

圖6 程序流程框圖

表1測(cè)試儀器表

儀器名稱型號(hào)參數(shù)用途直流電源GPS-3303C3.3V為單片機(jī)和模塊提供電源數(shù)字示波器GDS-2102E帶寬200MHz,四通道5GS/S采樣用于測(cè)量液體特征檢測(cè)電路,比較不同液體經(jīng)過電路產(chǎn)生的波形數(shù)字萬(wàn)用表UT151F200mV～1000V測(cè)量芯片管腳電壓值

5.3 測(cè)試結(jié)果

不同液體液位、液重測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，液體特征分辨測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

由表2和表3可知，本設(shè)計(jì)可檢測(cè)200～500mL的不同液體的液位和重量，液位測(cè)量絕對(duì)誤差值小于2mm，重量測(cè)量絕對(duì)誤差值小于1g；同時(shí)能夠區(qū)分不同濃度的鹽水，且可顯示鹽水濃淡；還能根據(jù)液體特征分辨出純凈水、鹽水、牛奶、白醋和白糖水的種類，并能實(shí)時(shí)顯示液體名稱。

表2 不同液體液位、液重測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 液體特征分辨測(cè)試數(shù)據(jù)

6 總結(jié)

本設(shè)計(jì)制作了一個(gè)簡(jiǎn)單、新穎的簡(jiǎn)易多功能液體檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀可以一鍵測(cè)量，同時(shí)可在OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示被測(cè)液體的液位、重量、種類等信息，具有反應(yīng)速度快、測(cè)量準(zhǔn)確、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于旅游、餐飲、交通安檢等行業(yè)。