基于51單片機的多傳感器智能液體容器

宋團

摘要：該智能液體容器以STC89C52單片機為控制核心，利用壓力傳感器、超聲波模塊和諧振電路采集數據。由HX711A/D轉換器對檢測的壓力信號進行轉換，再經過單片機對數據進行處理運算和分析，得到被測溶液的密度參數。設計555定時器電路測量液體的電導率，詳細區分液體性質，進一步確定液體的種類。經過多次仿真試驗和實踐，本系統可利用多傳感器實現對液體性質的判斷，成本低，可一鍵實現液體的識別判斷并顯示。

Abstract： The intelligent liquid container uses STC89C52 single-chip microcomputer as the control core， and uses pressure sensors， ultrasonic modules and resonant circuits to collect data. The detected pressure signal is converted by the HX711A/D converter， and then the data is processed， calculated and analyzed by the single-chip microcomputer to obtain the density parameter of the measured solution. It designs the 555 timer circuit to measure the conductivity of the liquid， distinguishes the liquid properties in detail， and further determines the type of liquid. After many simulation experiments and practice， this system can use multiple sensors to realize the judgment of the liquid properties， the cost is low， and the identification， judgment and display of the liquid can be realized with one click.

關鍵詞：單片機;多傳感器;智能;液體容器

Key words： single chip microcomputer;multi-sensor;intelligence;liquid container

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0194-03

0? 引言

隨著電子技術的迅速發展，智能化的簡易測量設備越來越受人關注。多傳感器液體智能容器能實現對糖水、鹽水、純凈水、酒精、白醋等液體質量、密度、性質的判定，可應用于水質判斷、產品檢驗、環境監測等許多方面。

1? 系統方案

其硬件系統主要由單片機、壓力傳感器模塊、超聲波模塊、電導率測試模塊、按鍵、顯示模塊及電源等組成。

該方案使用粗細均勻的塑料量杯作為容器，用超聲波模塊、壓力傳感器、555定時器等傳感器進行測量，51單片機為處理單元，實現對測量的結果進行計算、分析并交給OLED顯示。

超聲波傳感器測量液體的高度，計算出其體積V=s·h。壓力傳感器可以測量被測液體的重量，根據密度公式ρ=m/V，計算出密度，初步確定液體的性質。對于密度比較接近，無法準確通過密度進行判斷的液體，借助于555諧振電路間接測量其電導率，進一步確認該液體的性質。測量重量的過程中，分別設置“去皮”功能鍵和“一鍵測量”鍵，實現一鍵智能化測量，最后通過OLED屏幕對測量結果進行顯示。（圖1）

1.1 體積測量

液體體積為底面積和高的乘積。該方案采用的容器是均勻的圓筒型容器，底面積已知，因此只需要測量出液體高度即可計算出體積。方案采用超聲波模塊測量液體高度。

超聲波遇到障礙物會產生顯著反射形成反射回波，利用超聲波傳輸中距離與時間的關系，精確測出液體的高度。超聲波在空氣中的速度v和計時器記錄的時間t，計算出發射位置和水面之間的距離（s），測量的公式可表示為：

s=vt/2

液體的高度（x）即為：超聲波發射器距離容器底部的高度（H）與h之間的差值，公式可表示為：x=H-h（x=H-vt/2）

超聲波探頭固定，H為固定值，系統只需要精確測出液體高度即可求出體積，液體體積為：V=底面積×高=s·（H-vt/2）

本方案采用HC-SR04型超聲波模塊，有VCC、GND、TRIG、ECHO四個引腳。超聲波傳感器模塊工作時，需要在TRIG端接入至少10μs的高電平信號，模塊便自動發送8個40kHz的方波信號，聲波信號遇到障礙物反射后由ECHO端接收，同時產生相應時間的高電平，通過單片機檢測其高電平的時間便算出聲波往返的總時間t，根據s=vt/2從而得到高度x。

1.2? 檢測液體重量

液體重量通過電阻應變式壓力傳感器進行測量。其主要由彈性體、電阻應變片電纜線等組成，內部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產生變形時，電阻應變片（轉換元件）受到拉伸或壓縮應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），從而使電橋失去平衡，產生相應的差動信號，供后續電路測量和處理。原理圖如圖3所示。

因傳感器測量的是模擬量，需要把輸入模擬信號轉換成與它相關的數字量，本方案采用的是HX711，是一款專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換器芯片。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程相對簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器編程。電路原理圖如圖4所示。

1.3 電導率測量

電導率反映的是導體導電能力，與本身的自由電荷在電場作用下的運動有關，也就是與導體的性質及它的長度和導體的橫截面積有關。電導的公式為：

測量液體的導電率時，由探針的長和橫截面積均保持不變，電導率K為：

由于TDS與電導率之間存在顯著地相關關系，由資料[5]可知，溶解固體與電導之間的關系可用下面的經驗公式估算：

式中：TDS為水中溶解固體（mg/L）;K為25℃時水的電導率（S/m）。

本方案使用555諧振電路來測量電導率，原理圖如圖5所示。

探針、被測溶液和電容C2組成多諧振蕩器，當兩根探針插入被測溶液，形成了一個電極，使整個電路構成封閉的諧振電路，而由該諧振電路產生的與被測溶液電導率有關的頻率f由555芯片的3引腳輸出，向單片機P3.2口輸入。

將兩探針之間的被測溶液也視為電阻，可確定f與K的線性關系，K=f·3.24×10-5，即推算出TDS=（0.55-0.70）×3.24×10-5f。

1.4 判斷液體性質

1.4.1 密度

查閱資料，根據密度值判斷液體種類。常見液體的密度如表1所示。

1.4.2 電導率

對于密度比較接近的液體，例如糖水和10%的鹽水，可通過計算電導率進一步確定其種類。采用的電極尺寸為：L=1.5cm，S為4cm×1.5mm=0.6cm2，所以L/S=2.5cm-1=250m-1。將兩探針之間的被測溶液也視為電阻，可確定f與K的線性關系，即可算出電導率的值。

2? 軟件設計

根據簡易多功能液體容器設計總方案，系統需要三個端口來分別測量高度、重量和電導率。測量到高度后可算出體積，結合測得的重量，進而算出密度，初步判斷出液體性質。當液體密度比較接近時，結合電導率最終確定液體的種類。系統設置一鍵測試功能，同時保留稱重時的“去皮”功能。上述物理量的測量采用中斷的方式進行。（圖6）

3? 實驗與調試

程序開始執行，首先對各引腳、OLED、超聲波等模塊定義及初始化，OLED顯示初始界面，實時顯示液面高度與溶液重量參數，與此同時按鍵掃描程序不斷循環運行，此按鍵掃描程序有兩種功能，第一個功能可檢測KEY1的按下，對重量進行去皮操作，第二個功能可據測得的液面高度、溶液重量推算出液體質量，再結合電導率測量模塊推算出液體的種類，并在OLED顯示。其中程序對鹽水的密度有比較功能，可與下一次所測的鹽水濃度比較，進而顯示出下一次所測鹽水相對于上一次的濃淡。

①首先用電子天平（高精度電子秤）量出量筒重量m0，然后用量筒裝入200ml純凈水，測出水和量筒的總重量m1，計算出密度：ρ=（m1-m0）/200。將量筒內的200ml純凈水倒入多功能容器內，用單片機測量測量其液面高度h、重量。容器底面積常數s0=200/h，計算密度并記錄。將測得的密度與相關密度表比較，確定屬性。

②在多功能容器內裝入大約200ml濃度為10%的鹽水，用單片機測量其液面高度h和質量m（去皮后）。鹽水體積v=h×s0，密度為ρ=m/（h×s0）。

③查找、對比密度表，確定溶液性質。

通過測量結果可知，誤差相對值小于0.051，且能準確判斷溶液性質，可實現對常見液體的識別、判斷和顯示。

4? 總結

該方案選題來源于2019年全國大學生電子設計大賽的K題，論文作者帶領的團隊獲省賽三等獎。

本方案基本能準確測量出特定液體的高度、重量，并結合測得的電導率判斷、顯示出液體種類。但在精度方面需要不斷提高。為提高超聲波的測量精度，可以增加溫度傳感器，根據溫度修正超聲波速度，使密度的測量計算更加精確。

參考文獻：

[1]湯鍇杰，栗燦，王迪，張琴.基于DS18B20的數字式溫度采集報警系統設計[J].傳感器與微系統，2014，33（3）：99-102.

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[3]張發亮，郭茂林，陳偉.電導率測量中應注意的幾個問題[J].山西化工，1995（4）：41-44.

[4]張蓉蓉.基于STC89C52的智能溫度控制系統硬件設計[J].機電信息，2014（15）：130-131.

[5]王學艷，張忠萍.基于電導率與TDS及全鹽量的關系研究[J].黑龍江水利科技，2008，36（1）：7.

作者簡介：宋團（1981-），男，河南南陽人，實驗師，碩士研究生，研究方向為交通信息工程及控制。