蒙飚

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州545006)

0 引言

液體容器廣泛應(yīng)用于化工、食品加工等領(lǐng)域[1]，多功能的液體容器能夠進(jìn)行稱重、PH值檢測、電導(dǎo)率檢測和液位檢測等，需要結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)開展對應(yīng)控制電路和軟件的設(shè)計(jì)。文章采用型號為STC15F2K60S2的單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，讀取水電導(dǎo)率傳感器采集的液體電壓數(shù)據(jù)，并控制超聲波模塊和稱重傳感器模塊的工作。本設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確辨別和測量液體的種類、重量、液位和濃度，其中稱重誤差小于1g，水位監(jiān)測偏差小于2ml，并能夠迅速將測量的信息顯示在顯示屏上。相比市面已有的多功能液體容器，本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)精度更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)，具有實(shí)際推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)方案論證與比較

1.1 主控電路選擇

方案一：MSP430系列單片機(jī)，具有超低功耗、運(yùn)行速度快的優(yōu)勢，但其I/O口擴(kuò)展性差，實(shí)現(xiàn)工藝較為復(fù)雜，不利于安裝與調(diào)試。

方案二：STC15F2K60S2單片機(jī)，作為基礎(chǔ)入門的一款主流8位單片機(jī)，其價(jià)格低廉，性價(jià)比高，是廣泛應(yīng)用于大眾生活的電子產(chǎn)品。它的I/O口多且穩(wěn)定，可接時(shí)鐘電路、復(fù)位電路，同時(shí)還可以與其他電路相連，如按鍵模塊、OLED/LCD顯示模塊、ESP8266等模塊?？墒褂?-5V供電，具有讀取數(shù)據(jù)速度快、穩(wěn)定且準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)比較分析，考慮到傳統(tǒng)的STC15F2K60S2單片機(jī)足以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，性價(jià)比高，電路實(shí)現(xiàn)簡單，方便對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，因此選擇方案二。

1.2 液位檢測模塊選擇

方案一：采用激光傳感器構(gòu)成的光電檢測電路。通過物體表面反射光線至接收器進(jìn)行檢測，其光斑較小且集中，易于安裝、校準(zhǔn)，靈活性好。但不適合應(yīng)用于透明液體、含泡沫或蒸汽環(huán)境、波動(dòng)性液體，在振動(dòng)環(huán)境中抗擾性差。

方案二：采用超聲波測量。使用HC-SR04超聲波模塊，擁有2.4-5.5V寬電壓輸入范圍，其亦具備價(jià)格低廉、易安裝、靈活性高、性能穩(wěn)定和測度距離精確等特點(diǎn)，可安裝于高處進(jìn)行非接觸式測量[2]。

經(jīng)比較分析，方案二的超聲波模塊對液體特性無硬性要求，具有性價(jià)比高、精度高、電路結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 顯示模塊的選擇

方案一：采用LCD12864顯示屏，自帶中文字庫，可顯示中文及復(fù)雜圖形、具有輕薄，分辨率高的特性。

方案二：LCD1602顯示屏，一款專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型顯示模塊，但其不能滿足顯示中文的要求。

經(jīng)比較分析，方案一能夠滿足對中文數(shù)據(jù)顯示及界面顯示性的要求，故采用此方案。

2 電路模塊的設(shè)計(jì)與分析

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)主要由單片機(jī)主控模塊加上超聲波傳感器、稱重傳感器、電導(dǎo)率傳感器以及PH傳感器組成，整個(gè)系統(tǒng)采用STC15F2K60S2單片機(jī)為核心，使用超聲波傳感器和稱重傳感器進(jìn)行液位數(shù)據(jù)以及容器內(nèi)液體重量的數(shù)據(jù)采集，通過液體識別模塊對容器內(nèi)液體的類型進(jìn)行識別，最后用顯示電路將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并用語音模塊進(jìn)行語音播報(bào)。電路硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 電路硬件系統(tǒng)總體框圖

2.2 單片機(jī)主控模塊

單片機(jī)主控模塊主要由單片機(jī)、電源模塊、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源指示燈模塊、按鍵電路以及顯示屏電路組成[3]。單片機(jī)主控芯片電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)主控芯片電路

2.3 超聲波傳感器電路

超聲波傳感器采用的型號是HC-SR04，用于采集容器內(nèi)液位數(shù)據(jù)。容器內(nèi)液位的高低變化會改變超聲波模塊檢測到的數(shù)值，單片機(jī)對檢測到的值進(jìn)行計(jì)算，從而得到容器內(nèi)液位的具體數(shù)值并輸出顯示。

超聲波傳感器內(nèi)部電路如圖3所示，超聲波傳感器外接端口如圖4所示。

圖3 超聲波傳感器內(nèi)部電路圖

圖4 超聲波傳感器外接端口圖

2.4 重量測量電路

系統(tǒng)中采用平衡梁式壓力傳感器來實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)液體重量的測量，當(dāng)向容器中注入液體后，壓力傳感器輸出的電壓值會發(fā)生變化，通過24位AD轉(zhuǎn)換芯片HX711采集后，傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理并輸出顯示對應(yīng)的重量數(shù)值，電路如圖5所示。

圖5 重量測量電路圖

2.5 液體識別電路

該電路由電導(dǎo)率傳感器和PH值傳感器組成。用于采集各種不同液體電導(dǎo)率及PH值的數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過單片機(jī)分析液體特征區(qū)分出不同濃度的鹽水、純凈水、牛奶以及白醋（酸度9°的市售白醋）。電路如圖6、圖7所示。

圖6 電導(dǎo)率傳感器電路圖

圖7 PH值傳感器電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件程序由C語言編寫，使用Keil編譯環(huán)境。系統(tǒng)初始化操作后，進(jìn)入電壓采樣、PH值采樣、液位測量，并且進(jìn)行計(jì)算處理，最后通過液晶顯示器顯示出實(shí)際測量數(shù)據(jù)和實(shí)際測量液體。另外，系統(tǒng)的時(shí)鐘信號是通過外掛晶振完成的，使數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 系統(tǒng)測試儀器

萬用表1臺、雙路直流穩(wěn)壓電源1臺、數(shù)字示波器1臺、DDS信號源1臺、卷尺1個(gè)（精度1mm）。

4.2 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

使用超聲波模塊測試容器內(nèi)液位，絕對精度≤2mm，其測試結(jié)果顯示，超聲波傳感器測量液位精度達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求（見表1）。

表1 超聲波模塊測試結(jié)果表

使用稱重傳感器測試容器內(nèi)液體重量，其測試結(jié)果顯示，稱重傳感器精度≤1g，滿足實(shí)際應(yīng)用要求（見表2）。

表2 稱重傳感器測試結(jié)果表

測量各類型液體數(shù)據(jù)的水電導(dǎo)率，其測試結(jié)果顯示，電導(dǎo)率結(jié)果正確，滿足實(shí)際應(yīng)用要求（見表3）。

表3 電導(dǎo)率測試結(jié)果表

測量各類型液體的PH值，其測試結(jié)果顯示，通過分析PH值分辨各類型液體結(jié)果正確，滿足實(shí)際應(yīng)用要求（見表4）。

表4 PH值測試結(jié)果表

5 結(jié)語

系統(tǒng)通過STC15F2K60S2單片機(jī)接收超聲模塊數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了容器內(nèi)液位高度的數(shù)據(jù)計(jì)算；通過接收重量傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了容器內(nèi)液體重量的計(jì)算；通過分析水電導(dǎo)率及PH值分辨出不同的液體類型，最后輸出顯示相關(guān)數(shù)據(jù)并創(chuàng)新使用語音模塊進(jìn)行播報(bào)；通過多次測試，該設(shè)計(jì)達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求，能夠在一定范圍內(nèi)推廣。