龔江濤，魏麗君

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲，412001）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活當(dāng)中，有時(shí)需要對(duì)液體參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，甚至進(jìn)行辨別，全靠人工操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此設(shè)計(jì)一個(gè)能自動(dòng)對(duì)液體液位、重量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量及辨別的多功能智能化儀器具有很好的應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)對(duì)純凈水、牛奶、鹽水、白醋和糖水等常見(jiàn)液體樣本進(jìn)行了大量測(cè)量試驗(yàn)，參數(shù)測(cè)量精度高，分辨結(jié)果正確無(wú)誤。

1 測(cè)試方法選擇

根據(jù)功能要求，除了測(cè)量液位、密度、重量等參數(shù)外，還要分辨各種液體，因此需要采用多種檢測(cè)方法進(jìn)行綜合檢測(cè)。

■1.1 密度辨別濃度不同液體的方法

對(duì)于濃度不同的同一種液體（如濃度不同的鹽水），其密度是不同的。通過(guò)液位檢測(cè)傳感器分別測(cè)量裝和不裝鹽水時(shí)的液面高度h1和h2，可獲得測(cè)量液體高度Δh=h2-h1，再通過(guò)稱重模塊可測(cè)得液體的質(zhì)量M，通過(guò)計(jì)算可獲得液體的密度[1-2]：

（其中r為圓柱狀容器的半徑）

將不同濃度液體的密度大小進(jìn)行比較，較大的濃度高，較小的濃度低。

■1.2 電導(dǎo)率檢測(cè)液體方法

不同的液體，導(dǎo)電性能有所差別。測(cè)試樣品中的純凈水導(dǎo)電性最差，白醋的導(dǎo)電性能最好，牛奶的導(dǎo)電性能介于兩者之間，并和鹽水的導(dǎo)電性能接近。通過(guò)電壓檢測(cè)模塊對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)量，可將純凈水、牛奶（鹽水）和白醋區(qū)分開(kāi)來(lái)[3]。牛奶和鹽水的辨別還需要采用其他測(cè)試方法進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)量甄別。

■1.3 透光度檢測(cè)液體方法

考慮到牛奶與其他液體相比，透光度較差，將反射式紅外對(duì)管安裝在距離容器3-6cm左右的位置進(jìn)行檢測(cè)[4]。當(dāng)容器裝有牛奶時(shí)，容器外壁對(duì)紅外光的反射較強(qiáng)，接收管收到的信號(hào)較大，而其他液體因透光度較高，接收信號(hào)微弱。利用一個(gè)電壓比較器，可較方便地將牛奶和其他液體區(qū)分開(kāi)來(lái)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本容器裝置以STM32F103VCT6單片機(jī)為主控制器，在外圍搭建液位傳感器、稱重模塊、電壓檢測(cè)模塊、紅外檢測(cè)模塊、按鍵電路、液晶顯示電路、聲光提示模塊等部分。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

■2.1 主控制器電路

主控制器采用STM32F103VCT6單片機(jī)，其最小系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路及晶振電路，控制器采用3.3V電壓、8MHz晶振，其原理圖如圖2所示。

圖2 主控制器電路原理圖

■2.2 激光傳感器模塊

采用激光測(cè)距傳感器來(lái)檢測(cè)液體高度。國(guó)內(nèi)非浸入式超聲波測(cè)液位的測(cè)量精度最高只能達(dá)到±1 cm，這樣會(huì)導(dǎo)致密度的測(cè)量較大誤差，并對(duì)液體的辨別產(chǎn)生誤判，而高精度的激光測(cè)距傳感器測(cè)量精度可達(dá)±0.5 mm?？紤]到激光會(huì)穿透液面，而導(dǎo)致測(cè)量失準(zhǔn)，因此在液面放置超薄反射薄片（厚度小于0.5 mm），利用激光發(fā)射與接收的時(shí)間分別測(cè)量裝液體時(shí)的液面高度h1和不裝液體時(shí)的高度h2，通過(guò)h2-h1得到液體高度。此方法檢測(cè)速度快，測(cè)量精度可達(dá)±1 mm，且不需接觸液體，可靠性高，比超聲波傳感器和投入式液位傳感器的精度更高。激光模塊采用UART串口通信，可通過(guò)STM32的串口與之相連，設(shè)定其測(cè)量范圍、分辨率等參數(shù)，并可讀取精確的測(cè)量距離值，其實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 激光傳感器模塊實(shí)物圖

■2.3 稱重模塊

采用CS5530帶低噪聲放大器的24位高精度AD芯片配合稱重傳感器實(shí)現(xiàn)高精度稱重，精度完全能滿足精度要求，其電路原理圖如圖4所示。

圖4 CS5530電路原理圖

■2.4 電壓檢測(cè)電路

將串聯(lián)了一個(gè)電位器R1的并連接了電源的金屬探針插入到待測(cè)液體當(dāng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器可改變流過(guò)液體的電流，當(dāng)電流調(diào)節(jié)到合適的大小后，固定電位器阻值，將其兩端電壓送至STM32自帶的AD通道進(jìn)行測(cè)量，獲得電位器兩端電壓。如圖5所示，圖中P2接STM32板上的3.3V電源，P1送至STM32的AD通道。

圖5 電壓檢測(cè)電路原理圖

■2.5 紅外檢測(cè)電路

紅外檢測(cè)主要用于區(qū)分牛奶和其他液體，其電路如圖6所示。圖中D1為發(fā)射管，D2為接收管，LM358組成電壓比較器，當(dāng)為牛奶時(shí)，輸出out為高；當(dāng)為其他液體時(shí)，輸出out為低。

圖6 紅外檢測(cè)電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)題目任務(wù)和硬件電路，設(shè)計(jì)單片機(jī)程序，其程序流程如下：

第一步：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)、鍵盤和液晶模塊等進(jìn)行初始化設(shè)置，液晶顯示初始界面；

第二步：掃描鍵盤，確定任務(wù)模式。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合及要求不同，設(shè)置了三種測(cè)量模式，分別為液位重量測(cè)量模式、濃度比較測(cè)量模式和液體辨別模式；

第三步：進(jìn)入任務(wù)模式，先對(duì)空的容器進(jìn)行去皮操作，顯示重量為0 g；同時(shí)顯示液位高度為 0 mm；

第四步：加入液體后，通過(guò)CS5530稱重模塊獲取容器和液體的總重量；

第五步：減去容器皮重，得到液體重量；

第六步：采集激光傳感器數(shù)據(jù)，獲取液位信息，計(jì)算得到液體高度；

第七步：根據(jù)液體高度，計(jì)算出液體體積；

第八步：通過(guò)液體重量和體積計(jì)算出液體密度，初步判斷出液體為何種成分；

第九步：通過(guò)金屬探針及電壓檢測(cè)電路，獲取液體導(dǎo)體串聯(lián)電阻上的電壓值；

第十步：計(jì)算液體的電導(dǎo)率；

第十一步：通過(guò)紅外檢測(cè)模塊，進(jìn)行液體透光度判斷；

第十二步：根據(jù)液體密度、電導(dǎo)率和透光度最終判斷出液體成分；

最后根據(jù)任務(wù)模式判斷各種液體，通過(guò)液晶顯示液體名稱和相關(guān)參數(shù)，通過(guò)聲光提示當(dāng)前任務(wù)檢測(cè)完成，跳到第二步等待下一次檢測(cè)任務(wù)。程序流程圖如圖7所示。

4 測(cè)量結(jié)果及分析

■4.1 測(cè)試方法儀器

(1)測(cè)試方法：給多功能容器裝置上電，按下功能選擇鍵，進(jìn)行測(cè)試功能選擇，選定后，按啟動(dòng)鍵啟動(dòng)測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果顯示在液晶顯示屏上。完成一項(xiàng)測(cè)試后，按下功能選擇鍵，進(jìn)入其他測(cè)試項(xiàng)目，如此循環(huán)。

(2)測(cè)試儀器：萬(wàn)用表、比重計(jì)，電子天平。

■4.2 測(cè)試結(jié)果

(1)液位重量測(cè)量模式：開(kāi)機(jī)后，將空的容器和激光用的發(fā)射薄片，放在秤盤上。在主界面按功能選擇，選擇測(cè)試模式1：液位重量測(cè)量。按啟動(dòng)鍵，按先后順序依次倒入純凈水、鹽水、牛奶，測(cè)試結(jié)果如表1所示。結(jié)論：經(jīng)多次測(cè)量，水位偏差<1mm，重量偏差<0.5g。

表1 液位及重量測(cè)量數(shù)據(jù)

(2)濃度比較測(cè)量模式：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位后，在主界面按功能選擇，選擇測(cè)試模式2：濃度比較測(cè)量模式。按啟動(dòng)鍵，按先后順序依次倒入15%的鹽水和10%的鹽水，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 濃度比較測(cè)量數(shù)據(jù)

(3)液體辨別模式：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位后，在主界面按功能選擇，選擇測(cè)試模式3：液體辨別模式。按啟動(dòng)鍵，按先后順序依次倒入鹽水、牛奶、白醋和純凈水，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 液體辨別測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為主控芯片，采用多種傳感器通過(guò)對(duì)待測(cè)液體的密度、電導(dǎo)率及透光度等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，能正確識(shí)別題目中涉及的各種液體，并顯示檢測(cè)結(jié)果和相關(guān)參數(shù)，具有一鍵測(cè)試、響應(yīng)速度快、低功耗、界面友好等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)多次試驗(yàn)檢測(cè)，液體識(shí)別裝置辨別給定液體的成功率達(dá)100%，液位誤差小于1mm，重量誤差小于0.5 g。