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。
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
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。
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。
2.3.1 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。
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。
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
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
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。
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
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。