基于壓電感應發光的不透明容器儲量顯示

趙英杰，郝惠姣，沈月，李宏

(1.華北理工大學 信息工程學院，河北 唐山 063000；2.華北理工大學 理學院，河北 唐山 063000)

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基于壓電感應發光的不透明容器儲量顯示

趙英杰1，郝惠姣1，沈月1，李宏2

(1.華北理工大學 信息工程學院，河北 唐山 063000；2.華北理工大學 理學院，河北 唐山 063000)

儲量測量；壓力傳感器；單片機

針對化工廠大量使用不透明容器存儲物料，而不透明容器又不易準確測量儲量問題，采用壓電感應與控制技術對不透明容器內液體儲量進行測量。該測量裝置由壓電式壓力傳感器、信號傳輸電路、顯示裝置、單片機控制系統組成。該系統具有自動的儲量顯示和實時檢測功能。

0 引言

隨著我國科技的不斷發展，化工廠對試劑的保存要求日益嚴格，儲存容器防止陽光照射及室溫偏高造成試劑變質、失效的作用至關重要[1]。透明容器在化工廠中不具有良好保存化學物質的功能，因此不透明密閉容器在化工廠中成為不可或缺的工具之一，但不透明容器不易測量物質儲量，導致生產效率低下，測量不透明容器儲量成為當前一大難題。

在我國，有采用傳感器外貼與被測液體非接觸測量方式的雷達回波測距的超聲波液位計[2 3]，是液位測量史的一項重大革新。但超聲波液位計具有體積較大、操作復雜、價格昂貴、不易維修的特點，且測量有局限性，不易得到普及。

該項目進行了基于壓電感應發光的不透明容器儲量顯示的研究，提出了液位測量新方法，即一種可廣泛應用的壓電感應技術[4]，可以方便準確地測出不透明容器中物質儲量，并具有成本低、易于普及和應用前景廣闊的特點。

1 測量原理

基于壓電感應發光的不透明容器儲量顯示的研究是通過向不透明容器中加物質(固態或液態)對壓電材料施加壓力，從而使傳感器發生形變，其內部將發生極化現象，而在其某些表面上會產生電荷，這樣會使激勵電壓發生改變，從而輸出一個不斷變化的模擬信號。如圖1所示，此信號再經由放大電路放大之后輸入模數轉換器，轉換成方便進行處理的數字信號(壓電材料產生的電荷量與壓力大小成正比)。通過單片機，對壓電感應器傳來數字信號進行處理，以此來調控不同顏色的LED燈亮滅，來顯示容器內物質的儲量(該項目以測量液體為主)。通過計算機編程，控制不同顏色的LED燈，例如紅燈，對應發出提示音，提示音為該物質的儲量。通過對本試驗的研究，可以準確地測出不透明容器中物質的儲量，推廣到化工領域用于測量不透明容器的物質儲量。

圖1　測量原理框圖

2 研究方案

2.1總體方案

基于壓電感應原理測量不透明容器儲量，在精準和實用的前提條件下采用如下方案實現最終效果：

(1)采用壓力傳感器在施加壓力發生形變的情況下產生電信號的特性；

(2)電流放大器放大微弱電流；

(3)AD 轉換器把模擬信號轉換為數字信號；

(4)通過單片機編程控制不同顏色LED燈發光，來顯示容器內物質儲量。

2.2詳細設計

2.2.1硬件設計

硬件由HL-8型傳感器、HX711 AD轉換芯片、單片機STC89C52RC控制系統組成。

(1)HL-8型傳感器

采用HL-8型傳感器,其參數如表1所示：

表1　HL-8型傳感器的主要參數

圖2所示為HL-8型傳感器受力方式。

圖2　HL-8型傳感器受力方式

圖3所示為HL-8型傳感器連接方式。

紅+(輸入+)、白-(輸出-)、黑-(輸入-)、綠+(輸出+)，引出線為四芯，為確保精度，一般不要調整線長。

圖3　線路連接圖

(2)HX711 AD轉換芯片

HX711是一款專為高精度傳感器而設計的24位A/D轉換器芯片，HX711內部方框圖如圖4所示。該芯片集成包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點，可降低成本，并可提高整體的性能和可靠性。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器編程。輸入選擇開關在通道A或通道B中可任意選擇，與其內部的低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64。通道B為固定的32增益，用于系統參數檢測。芯片可以直接向外部傳感器和芯片內的A/D轉換器提供穩壓電源，無需在系統板上另外設置模擬電源。芯片內的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程。

圖4　HX711內部方框圖

(3)單片機STC89C52RC

單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能(可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統。STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘機器周期和6時鐘機器周期可以任意選擇。它的主要優點如下：

a.支持STC的2線制下載方式，下載程序更方便，無需使用ISP下載器；

b.支持6T模式(在6T模式下，6個時鐘周期就是一個機器周期)；

c.片內集成了4 kB容量的EEPROM；

d.帶有P4口，具有更多的I/O口；

e.程序存儲器擁有更多的擦寫壽命；

f.適合初學者學習，價格便宜。

2.2.2軟件設計

程序設計的理論依據，對于傳感器有：

Q=kSp

(1)

式(1)中Q為電荷量；k為壓電常數；

S為作用面積；p為壓力。

由(1)式可得：

u=kM

(2)

式(2)中u為傳感器的輸出電壓；M為物質質量。由(2)式知：u與M成線性關系，如圖5所示。

圖5　u與M的線性關系

考慮到運算放大器有：

U=A*u

(3)

式(3)中A為運算放大器放大倍數；U為運算放大器的輸出電壓。

M=ρ*V

(4)

式(4)中M為物質質量；ρ為物質密度；V為物質體積。

綜合(1)～(4)式可得：

V=U/(A*k*ρ)=u/(k*ρ) (5)

當0

u2

根據上述理論，給出測試程序圖如圖6所示。

圖6　測試程序圖

3 實驗測試

(1)實驗裝置及電路連接

該測量裝置由壓電式壓力傳感器、AD轉換裝置、信號傳輸電路、顯示裝置、單片機控制系統組成，如圖7所示。

圖7　實驗裝置及電路連接圖

(2)電壓與壓力(物質質量)關系

表2所示為電壓與壓力(物質質量)的測試結果。

表2　電壓與壓力(物質質量)的測試結果

由于測量精度不夠，以及測量時電信號跳變，僅出現了跳變數值1～2個?？傮w看來，傳感器所受壓力與產生電信號符合線性變化。

(3)實驗改進計劃

a.實驗中各變量之間關系計算較粗糙，具體到實踐應用時，還需根據具體情況再作精確測量和計算；

b.本實驗中各元器件較為精簡，也可換作更加先進、功能更加全面的部件；

c.實驗中測量梯度設置較少，工廠實際應用時應設定更多、更精確的度量值；

d.可以通過另加一些器件來實現更加優越的功能，如加1個液晶顯示器來精確顯示當前液體的體積；

e.因為沒有經過實踐檢驗以及繁瑣的數據測量，實驗可能存在一些誤差，故需加以改進。

4 結論

(1)本項目采用壓電感應與控制技術，實現了對不透明容器儲量的測量和顯示。

(2)鑒于該項成果可望應用于化工廠等領域，故還需要進一步開展實驗研究，以保證整個系統性能的穩定性和精確度。

[1]徐鳳芹. 常用化學試劑的安全存放及分類管理[J].赤峰學院學報(自然科學版), 2008, 01: 53.

[2]蘇菲，李競武. 微波(雷達)液位計的比較與工程選用[J].石油化工自動化, 2009,(4): 19-22.

[3]John M Bacon.The Changing World of Level Measurement[J].Intech,1996,(6): 37-39.

[4]葉湘濱，熊飛麗，張文娜，等. 傳感器與測試技術[M].第一版，北京，國防工業出版社，2007: 166.

Reserves Display of Opaque Container Based on Electroluminesence of Piezoelectric Sensors

ZHAO Ying-jie1, HAO Hui-jiao1, SHEN Yue1, LI Hong2

(1.College of Information Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009,China;2.College of Science, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009,China)

reserves measurement; pressure sensor; singlechip

Aiming at the problem of the extensive use of opaque containers in chemical plants to storage material and the difficulty of accurate measurement of reserves. Liquid reserves in opaque container was measured by piezoelectric sensors control technology. The measuring device is composed of a piezoelectric pressure sensor, signal transmission circuit, a display device and single-chip microcomputer control system. The system has functions of automatic reserves display and real-time detection.

2095-2716(2016)03-0070-06

TH715.3

A