王然升

摘 要：工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中經(jīng)常需要實(shí)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(shí)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(jī)，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(jī)和這兩個部件來制作一個精度較高的電子秤實(shí)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(diǎn)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?yàn)樵O(shè)計高精度的電子秤提供條件。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(jī)，此單片機(jī)是8位機(jī)，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(diǎn)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(jī)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(shí)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(yàn)，同時具有GPIO、串口等多種通信費(fèi)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(yàn)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(diǎn)，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(shí)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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