常 樂，張少文，郜少康，趙曉茹

(山西職業(yè)技術(shù)學院，電子與通信工程系，山西 太原 030006)

應用電子專業(yè)核心技能培養(yǎng)和與時俱進，需要提煉實用型生產(chǎn)項目，以研究典型任務實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整的方式方法。很多典型任務與生產(chǎn)實際密切結(jié)合，而實際生產(chǎn)很多都涉及到各種集成芯片、傳感器的應用，以實現(xiàn)具體功能。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對液體容器參數(shù)的測量，是十分常見的操作需求，所以，選定這一典型任務進行設(shè)計實施，對液位、重量、密度、PH值、電導率進行采集計算，設(shè)計一個簡易的基于單片機的多功能液體測量裝置，進行測試研究。

1 系統(tǒng)組成框圖

該簡易多功能液體容器裝置主要由電源部分、主控系統(tǒng)、采集模塊、顯示模塊、安裝模塊組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 簡易多功能液體容器組成框圖

2 功能模塊選擇

2.1 主控制器件的選擇

采用STC15W4K56S4單片機[1]。該單片機是宏晶科技設(shè)計生產(chǎn)的單時鐘、機器周期(1T)的單片機，具有高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾能力強，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,且速度快6～12倍。

2.2 電源的選擇

采用輸出為DC5V、12V供電的開關(guān)電源，其中單片機、壓力傳感器、液晶顯示屏為5V供電，超聲波傳感器和PH值傳感器為12V供電。

2.3 傳感器的選用

2.3.1 測量液體水位

采用超聲波傳感器，在給予高電平觸發(fā)的狀態(tài)下，循環(huán)發(fā)出8個40kHz超聲波脈沖，利用其遇到障礙物被反射回波的原理，獲取時間差，實際距離為由單片機測算出具體液位[2]。

2.3.2 測量液體重量

采用電阻應變式壓力傳感器，利用其彈性敏感元器件形變，橋式電阻應變片在未受重力影響時的平衡狀態(tài)變成失衡狀態(tài)，電橋輸出端輸出電壓差，傳感器轉(zhuǎn)化出稱重信號，通過HX711內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。HX711內(nèi)部集成了24位AD轉(zhuǎn)換器、時鐘振蕩和穩(wěn)壓源，控制方便。

2.3.3 區(qū)別液體性質(zhì)

采用PH值傳感器，白醋PH值在2～3之間，牛奶PH值大約為6.5，純凈水PH值在6.5～8.5之間，鹽水PH值在6.5～7.5之間，測量溶液的PH值，區(qū)別出白醋和其它液體。然后利用光電傳感器，光線強弱直接影響阻值電流值變化的特性，將透光性不及其它液體的牛奶區(qū)別出來。水溶液的電導率是溶質(zhì)濃度測量的一種重要方法，糖水是有機物溶液，分子結(jié)構(gòu)，不導電，在容器中加入極板，給極板加正弦波信號，測量極板電導率，區(qū)分糖水和濃淡鹽水。

2.4 顯示部分選擇

采用12864液晶顯示器實現(xiàn)顯示模塊，它自帶中文自控，其分辨率為128*64，內(nèi)置8192個16*16點漢字，與單片機并行連接。

3 硬件設(shè)計

硬件電路主要是以STC15W4K56S4單片機[4]為核心單片機最小系統(tǒng)、串口通信、電流電壓轉(zhuǎn)化電路、開關(guān)電路、液晶顯示電路、超聲波電路(圖2)和壓力測試電路(圖3)為主[3]。電路將溶液的高度、重量、PH值這些非電量信號通過傳感器轉(zhuǎn)化成電量信號，然后由單片機對采集到的電量信號進行分析計算，最終通過顯示部分，將測量結(jié)果顯示出來，明確液體成分。系統(tǒng)主控電路圖如圖4所示。

圖2 超聲波電路圖

圖3 壓力傳感器電路圖

圖4 主控系統(tǒng)電路圖

4 程序設(shè)計

整個程序設(shè)計需要滿足以下功能，啟動開始檢測按鍵后，系統(tǒng)可以自動檢測被測液體的液位、重量等參數(shù)。系統(tǒng)加入了限重報警裝置，重量超過1千克，蜂鳴器報警，以保護稱重傳感器。主程序流程圖設(shè)計如圖5。

圖5 主程序流程圖

5 測試與分析

5.1 液位檢測數(shù)據(jù)結(jié)果

超聲波傳感器采用電平觸發(fā)測量[5]，電平觸發(fā)測距的時序如圖6所示。超聲波傳感器需要為Trig/TX管腳輸入一個10μs以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個40 kHz的超聲波脈沖，然后檢測回波信號，當檢測到回波信號后，結(jié)果通過Echo/RX管腳輸出。由于聲速選擇340 m/s，超聲波測距儀測得高電平時間為t/μs，則所測距離S=vt/2。

圖6 電平觸發(fā)測距時序圖

液位檢測數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 液位檢測數(shù)據(jù)表

超聲波在傳輸時受液體種類、溫度、壓強等因素影響，速度會有所變化，其中溫度影響較大，所以液位測量絕對誤差的絕對值≦2 mm。

5.2 重量檢測數(shù)據(jù)結(jié)果

壓力傳感器供電為5V且自帶AD芯片，將液體重量轉(zhuǎn)換為質(zhì)量與電壓間的關(guān)系，通過單片機計算處理得出液體的重量，經(jīng)過多次測試，本裝置可以將液體重量測量的絕對誤差值降到0.1g，測量結(jié)果如表2所示。

表2 重量檢測數(shù)據(jù)表

6 結(jié)論

該簡易多功能液體容器裝置設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)，常用功能經(jīng)過檢驗測試，性能優(yōu)良，數(shù)據(jù)準確，具有一定的實用性。