馬婷，王詠寧，趙展文，李國旺，冶安有布，馬兵

（青海民族大學，青海西寧，810000）

液體密度在科學實驗研究和工業(yè)生產生活中都得到了普遍的應用，但是以往的液體密度測量方法實現(xiàn)具有過程繁瑣、操作復雜和計算麻煩的不足之處，這對于研究設計一款工藝成本低、操作方便、密度可視化的新型液體密度測量儀具有重大的意義。同時，當下正是5G 通信技術和物聯(lián)網技術快速發(fā)展的時期，已經在科學技術研究和人們的生活發(fā)展中逐漸演變?yōu)椴豢苫蛉钡囊徊糠郑诳茖W技術研究中得到了更廣泛的研究與應用；利用物聯(lián)網平臺成熟發(fā)展的技術實現(xiàn)液體密度測量智能化，讓我們的設備使用更加便捷和智能。

1 液體密度測量儀的研究現(xiàn)狀

本設計主要應用于科學技術研究領域，截止目前實驗室中對密度的測量大多還在采用手工操作，測量中要使用天平、刻度尺、量杯等專用工具，測量數(shù)據都靠人工觀測，測量精度因人眼觀測及計算等因素難免會產生一定的誤差，實驗中因危險性液體的不當操作，也會造成不良的后果，隨著數(shù)字電子技術和物聯(lián)網技術的發(fā)展，實驗的數(shù)字化以及智能化已成為研究的熱點。目前國內外在密度測量數(shù)字化方面，已取得了一定的成果，近年來有大量的超聲波測距及電子稱等相關論文及專利產品問世，但將兩者結合起來實現(xiàn)密度測量的成果還相對較少。市場上已有的密度測量儀大多為特殊行業(yè)專用儀器，且價格昂貴；多數(shù)面向固體密度測量，本項目通過對傳統(tǒng)密度測量儀器和測量方法的改進，利用數(shù)字技術和物聯(lián)網技術處理，避免了人工測量或計算中出現(xiàn)的誤差，可提高測量精度，減少誤差，對測得數(shù)據上傳云端物聯(lián)網平臺記憶產品的測量結果便于下一次測量；可應用于實驗、教學及科研等領域；操作簡便、減少接觸、制作成本低，更加安全、高效，減少對人體的傷害，有較好的應用前景。

2 系統(tǒng)硬件設計

本設計核心控制采用STC89C52RC 單片機最小系統(tǒng)，通過對液體液位高度、質量的測量實現(xiàn)對液體密度的顯示和測量數(shù)據遠程傳輸，裝置的組成部分主要是以測量單元、控制單元、顯示單元和通信單元組成；測量模單元由US-015超聲波測距模塊、HX711 模數(shù)轉換器和壓力傳感器模塊組成，控制單元是以按鍵控制電路、硬件外設以及單片機組成，顯示單元由LCD12864 液晶顯示屏構成，對各傳感器獲得的數(shù)據通過單片機實時顯示，通信模塊是利用單片機串口與ESP8266WIFI 模塊進行通信，將測得數(shù)據通過WIFI 模塊聯(lián)網上傳至阿里云物聯(lián)網平臺，云端平臺對收集的數(shù)據進行儲存并且在終端設備上顯示實時數(shù)據圖形模型，借助物聯(lián)網云平臺對裝置有更進一步的控制，加強人機互聯(lián)的能力，達到操作便捷和數(shù)據可視化。

■2.1 STC89C52RC 最小系統(tǒng)及I/O 口擴展設計

圖1 系統(tǒng)設計框圖

本設計是以STC89C52RC 為核心構成了單片機最小系統(tǒng)，該芯片是STC 公司發(fā)布具有51 內核的控制芯片，它擁有低功耗、短周期、運行快和成本低等許多優(yōu)點；在本設計中為防止此款單片機的I/O 口不足使用，同時我們采用了8255 I/O 口擴展芯片，該芯片是并行I/O 接口可編程的芯片，它是存在3 個8 位并行I/O 口，擁有3 個通道3 種工作方式的并行接口可編程芯片；通過軟件選擇每個I/O 工作功能，靈活性高，通用性強；8255 可以用作硬件外部設備連接時與單片機的中間接口電路；從而滿足本設計的I/O 口需要，該款單片機在日常生活中的多個方面得到了廣泛應用。

圖2 STC89C52RC 單片機最小系統(tǒng)

圖3 8255I/O 口擴展設計

■2.2 報警模塊的硬件設計

本設計中當密度測量相關程序完成時，需要發(fā)出提示，報警提示模塊采取了蜂鳴器和LED 燈的設計，同時利用云平臺在移動終端發(fā)出報警提示，當系統(tǒng)在不同模式環(huán)境中，蜂鳴器和LED 燈組成不同的提示狀態(tài)。

■2.3 4×4 矩陣鍵盤設計

為滿足使用的便捷性，我們在設備本機上也采用了4×4 矩陣鍵盤，通過矩陣鍵盤進行相應設置。

■2.4 LCD 顯示模塊

本裝置設計以LCD12864 液晶屏作為顯示單元，此款顯示屏具有中文字庫、功耗低、體積小等優(yōu)點，電路連接如圖6 所示，在3 引腳加裝一個10kΩ 的可調電位器，通過調節(jié)改變液晶屏的亮度，更加有利于對顯示內容的理解，8155I/O 擴展口的PA 口作為數(shù)據輸出端連接到LCD12864顯示屏的D0..7 數(shù)據口，PSB、RS、R/W、EN 端分別接在單片機的P1^3、P1^2、P1^1、P1^0 端口。

圖4 報警模塊的電路設計

圖5 按鍵電路設計

圖6 LCD12864 顯示模塊

■2.5 外設傳感器模塊設計

本設計使用US-015 超聲波測距模塊測量液位高度，壓力傳感器測量液位體積。US-015 超聲波模塊可以發(fā)出聲波并且當被物體反射后接受，通過單片機定時器計算發(fā)送和接受的時間，利用聲速判斷出當下距離，其具有精度高(1mm)、速度快和成本低的優(yōu)點。壓力傳感器是利用HX711 模數(shù)轉換的方式，檢測壓力傳感器相關電阻兩端的電壓，將轉換數(shù)據傳輸至單片機控制核心，最后計算被檢測物體的重量，將檢測數(shù)據讀取并且輸出。

圖7 HX711 模數(shù)轉換器

圖8 HC-SR04 超聲波傳感器

3 系統(tǒng)軟件設計

■3.1 主程序設計

本裝置在設計中采用了多種模式和多級控制來實現(xiàn)研究目的，模式分為測量模式和配制模式，測量模式中輸入杯體底面積，利用超聲波傳感器測得液位高度和壓力傳感器測得液體質量，通過ρ=m/V 計算出液體密度在液晶顯示屏顯示，同時將數(shù)據通過WIFI 模塊發(fā)送至物聯(lián)網平臺；在配制模式中設定所需液體密度，輸入已知液體密度和體積，在配制過程中不斷測量直至配制完成，在程序中對每個變量設置一個標志位，在邏輯上實現(xiàn)一一對應。在裝置開啟后對系統(tǒng)所有變量進行初始化，隨后系統(tǒng)進入循環(huán)判斷狀態(tài)，檢測用戶通過按鍵或者終端設置的各項數(shù)據，單片機將其賦給有關程序參數(shù)，各模塊再根據程序設計的先后順序依次完成濃度測量。

圖9 主程序流程框圖

■3.2 US-015 超聲波測距

本設計中我們液位高度的測量選擇了US-015 超聲波模塊，在軟件方面通過C 語言編程實現(xiàn)相關功能，對主程序相關參數(shù)初始化，打開定時器0 令其處于工作狀態(tài)，將定時器0 置為計數(shù)模式，計算超聲波模塊發(fā)出聲波至遇到液面反射回來所消耗的時間。設定一個中斷標記位，當超聲波模塊完成測距時置1，通過顯示模塊顯示數(shù)據，通過中斷再次置0 讓超聲波模塊重新進入測量程序；超聲波測距是需要通過單片機連續(xù)發(fā)出8 個40kHz 的方波，利用單片機的I/O 口將方波信號傳輸?shù)匠暡K的TRIG 觸發(fā)控制信號端，定時器開始定時和計數(shù)，當超聲波模塊的ECHO 回響控制信號端接收到被液面反射回來的超聲波信號，則使定時器停止定時和計數(shù)，ECHO 端口在超聲波發(fā)出信號后置高電平，接收到信號自動置低電平，判斷ECHO 端持續(xù)高電平的時間，利用聲音在空氣中的傳播速度(340m/s)計算液位高度。

圖10 超聲波測距程序框圖

圖11 稱重傳感器程序框圖

■3.3 壓力傳感器和HX711 模塊

本設計在稱重中應用的是應力式可變電阻傳感器，當稱重物體放置在傳感器裝置上后，所生成的應力就會導致傳感器內部的可變電阻片產生形變，從而電阻片兩端的電壓就會發(fā)生改變。HX711 是一款專為應力式可變電阻傳感器制作高精度電子稱設計的24 位模數(shù)轉換芯片，當物體稱重是時電阻片兩端電壓發(fā)生變化，通過HX711 芯片將電壓值的變化轉換為我們需要的數(shù)字信號，通過主控單元將所獲得的數(shù)據顯示出來；這套裝置結構簡單，應用場景廣泛，穩(wěn)定性強，功耗低，便于量產。

■3.4 無線控制設計

3.4.1 ESP8266 模塊的應用

在物聯(lián)網技術不斷發(fā)展和應用的大背景下，智能化時代已經逐漸在人們的日常生活和科學研究中得到了更加廣泛的應用。在我們的設計中為實現(xiàn)液體密度測量的智能化和便捷化，我們利用單片機的串口通信系統(tǒng)，對ESP8266WIFI模塊發(fā)送控制指令，使其連接到阿里云物聯(lián)網平臺，工作在TCP 多連接模式，將模塊的波特率與單片機串口通信的波特率設置相同均為9600，完成了WIFI 模塊的相關初始化后，通過指令讓ESP8266 連接到無線局域網，進行設備上網并且連接到阿里云物聯(lián)網平臺完成數(shù)據的傳輸和發(fā)送。

圖12 ESP8266WIFI 模塊

3.4.2 物聯(lián)網平臺阿里云的應用

圖13 云端數(shù)據處理流程框圖

阿里云物聯(lián)網平臺與云下設備通信是需要通過Alink 協(xié)議來完成，從而將ESP8266WIFI 通信模塊發(fā)送的數(shù)據利用MQTT 協(xié)議進行嵌套發(fā)送，在阿里云物聯(lián)網平臺通過四元組信息產生不同種類的Topic，完成對數(shù)據的上報和下發(fā)功能。借助數(shù)據的實時流轉協(xié)議AMQP，將云下設備上傳的數(shù)據利用業(yè)務服務器保存到本地數(shù)據庫，保證了數(shù)據的安全。再通過阿里云物聯(lián)網平臺提供的lot Studio 開發(fā)工具開發(fā)對應的API 業(yè)務，設計一款數(shù)據是視圖化的手機APP，實現(xiàn)液體密度測量的智能化，同時也提高了產品使用的效率。

4 結束語

隨著科技的不斷進步和發(fā)展，我們在現(xiàn)有的研究基礎上，結合新的科學技術，研究出了與當下時代發(fā)展更加符合的密度測量裝置。高精度液體密度測量儀的設計包括測距和稱重，相關數(shù)據傳輸至阿里云物聯(lián)網云平臺，創(chuàng)建可視化控制界面利用Lot Studio 開發(fā)手機APP，通過物聯(lián)網技術更好的進行人機交互操作，并且優(yōu)化裝置內部電路使設備結構簡單便攜，更進一步提高液體密度測量的效率。