李穎華 徐云龍 李 強(qiáng)

（1、西安明德理工學(xué)院信息工程學(xué)院，陜西 西安 710124 2、九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，江西 九江 332007）

隨著智能化產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，許多智能電器已經(jīng)步入尋常百姓家，如智能電視、智能空調(diào)、智能廚具等。自動測定、顯示液體的液位和重量，并判別液體種類的智能容器，也是智能化生活中必不可少的。高端智能液體容器的研發(fā)在國外起步較早，當(dāng)前亟需探索本土化日用液體測量裝置，滿足操作簡單、可后續(xù)擴(kuò)展的需求。智能液體容器的控制核心是微控制器，通過重量傳感器、液位傳感器、酸堿度傳感器、電阻率傳感器、光電傳感器等采集液體數(shù)據(jù)，再由主控芯片處理并實時顯示，實現(xiàn)自動測量；通過微處理器程序控制算法，識別液體種類。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

多功能液體容器測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

本系統(tǒng)主要由五大模塊構(gòu)成：電源模塊、系統(tǒng)控制模塊、液體測量模塊、鍵盤輸入模塊和顯示模塊。選用容量1L、高22cm、有液位標(biāo)記的透明塑料容器，通過鍵盤輸入模塊啟動自動測量并顯示純凈水、白糖水、鹽水、牛奶、白醋的液位、重量及液體種類。其中，電源模塊采用7805 和7812 穩(wěn)壓塊實現(xiàn)穩(wěn)壓供電；控制模塊采用新唐N76E885 微控制器實現(xiàn)系統(tǒng)主控及信號處理；液體測量模塊利用液位傳感器、壓力傳感器、pH值傳感器、電阻傳感器等測量液體參數(shù)，并通過液晶顯示模塊顯示。軟件部分采用Keil C 程序語言開發(fā)和調(diào)試。

2 理論分析與計算

2.1 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計要能檢測不同液體的液位、重量參數(shù)，并顯示檢測結(jié)果。液體容器中分別裝載200ml～500ml 不同種類的溶液，溶液的濃度定義為質(zhì)量百分比濃度，鹽水濃度0%～30%，白醋酸度為9° 市售白醋，牛奶為市售純牛奶，白砂糖糖水濃度為10%。

溶液濃度=（溶質(zhì)質(zhì)量/溶液質(zhì)量）× 100%

測量液體重量時先去皮，測試重量m 實際值為液體凈重，液位h 實際值為容器標(biāo)記讀數(shù)。液體參數(shù)的實際值與測量值之差為測量絕對誤差，液位測量絕對誤差的絕對值≤2mm，重量測量絕對誤差的絕對值≤1g，即：

測量鹽水時，系統(tǒng)能夠區(qū)分不同濃度的鹽水，并顯示“濃鹽水”或“淡鹽水”。

2.2 理論分析與計算

本系統(tǒng)選用超聲波探頭實現(xiàn)液位測量。利用超聲波的反射特性和回波測距原理計算液位，檢測原理如圖2 所示。首先測量超聲波速度v、傳播時間t 及容器高度H，然后根據(jù)超聲波速度和傳播時間的關(guān)系，計算出被測液位h：

圖2 超聲波檢測液位原理

系統(tǒng)控制核心產(chǎn)生頻率為40kHz、持續(xù)時間為0.1ms 的周期脈沖信號，經(jīng)發(fā)射驅(qū)動電路加至超聲波探頭。當(dāng)?shù)? 個脈沖發(fā)射后，控制核心開始計數(shù)，在檢測到第1 個回波脈沖的瞬間停止計數(shù)，得到發(fā)射到接收的時間間隔t。信號采集的關(guān)鍵是放大傳感器輸出的弱信號，系統(tǒng)選用NE5532 實現(xiàn)運(yùn)放功能，運(yùn)放工作原理如圖3 所示，其正、負(fù)輸入端電壓分別記作u+、u_，運(yùn)放輸入信號ui，輸出信號uo，則：

圖3 放大電路

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路中，以7805、7812 為主的電源模塊為單片機(jī)提供直流穩(wěn)壓電源，主控核心新唐N76E885 單片機(jī)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的8 路PWM波，引入10 個外部中斷用于實現(xiàn)彩屏顯示和按鍵切換功能；鍵盤輸入模塊為獨立按鍵輸入；顯示模塊選用小體積、低功耗的LCD12864 液晶顯示器，其內(nèi)置128 個16× 8 點陣ASCII 字符及漢字字庫，顯示分辨率為128× 64。液晶采用并行方式顯示，數(shù)據(jù)端、控制端、RS 端、R/W 端、E 端接口方便，可顯示液位、重量、液體種類三項測量數(shù)據(jù)；液體測量模塊采用液位傳感器測量液位參數(shù)，用壓力傳感器測量重量參數(shù)，通過電阻、壓力、pH 值、光電和超聲波五種傳感器電路測量純凈水、白糖水、鹽水、牛奶、白醋的液位及重量，并判別液體種類。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計原理如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)硬件電路原理圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

硬件電路模塊化的設(shè)計簡化了軟件設(shè)計，液位測量采用微控制器內(nèi)部計數(shù)器T0 完成，系統(tǒng)軟件設(shè)計分為主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序完成初始化、液位和重量測量、液體種類辨別、結(jié)果顯示，中斷服務(wù)子程序完成時間值讀取。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖5 所示。

圖5 程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

一鍵啟動多功能液體容器，分別檢測市售純牛奶、9° 白醋、10%和30%鹽水、純凈水、10%糖水的液位、重量、種類，并實時顯示。要求液位測量絕對誤差的絕對值≤2mm，重量測量絕對誤差的絕對值≤1g；另外，在液體檢測過程中，由于每測試一次，都需要對容器進(jìn)行清洗、烘干、移裝等操作，所以通過中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)用戶自由設(shè)置時間間隔，保證液體換裝時間充足。在液體容器中分別裝載200ml～500ml 不同種類的溶液，經(jīng)過反復(fù)多次檢測，確定最佳參數(shù)。任意一組的測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 所示的測試選取了五種液體，對空容器進(jìn)行清洗操作后，加裝牛奶，數(shù)據(jù)顯示34mm 液位（實際35.1mm，絕對誤差1.1mm）、液體重量顯示266.1g（實際265.5g，絕對誤差0.6g），顯示的液體名稱為“牛奶”。對容器進(jìn)行清洗、加裝液體、移除牛奶、去除殘留牛奶操作后，再依次測試白醋、鹽水、純凈水、白糖水，數(shù)據(jù)顯示的液位、重量及名稱均達(dá)到基本要求。

表1 測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本系統(tǒng)檢測5kg 內(nèi)液體液位200ml～500ml，參數(shù)均符合基本要求，液位測量絕對誤差低于2mm，重量測量絕對誤差低于1g。系統(tǒng)測試時能迅速區(qū)分不同濃度的鹽水，并顯示鹽水相對濃度；能分辨純凈水、鹽水、牛奶、白醋、白糖水5 種液體的種類。系統(tǒng)設(shè)計考慮了后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化，液體容器通過外貼式的超聲液位傳感器對液體進(jìn)行實時監(jiān)控，可擴(kuò)展溫度測量模塊來補(bǔ)償超聲波隨溫度變化而引起的波速變化；還可擴(kuò)展報警功能，容器有液體殘留時或液體即將溢出時報警（如蜂鳴器、發(fā)光管）。