多功能液體容器的設(shè)計與實現(xiàn)

王冉 孟磊

摘 要：設(shè)計基于STC12單片機的多功能液體容器，系統(tǒng)利用稱重模塊、超聲波和PH值傳感器計算出容器中液體的重量、液位高度和PH值，并通過oled顯示液位和重量等數(shù)據(jù)的顯示，通過超聲波傳感器模塊測量液位高度并計算出液體體積，再利用液體的重量和體積計算出液體比重值，最后通過液體比重值和PH值判斷液體成分。文章采用透射式光電傳感器實現(xiàn)分辨牛奶、通過導(dǎo)電性分辨鹽水等功能，根據(jù)測試結(jié)果，多功能液體容器系統(tǒng)液位誤差小于1mm，重量誤差小于0.5g。

關(guān)鍵詞：多功能;傳感器;單片機;數(shù)據(jù)顯示

中圖分類號：TH122 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-81-03

Abstract： Multifunctional liquid container， system design based on STC12 single chip using weighing module， ultrasonic and PH sensor to calculate the container liquid， the liquid level height and the weight of the PH value， and through the oled display data such as liquid level， and weight， measuring liquid level height by ultrasonic sensor module and calculate the liquid volume， using the weight and volume of liquid to calculate the liquid density value， finally through the liquid weight value and the PH value judgment. In this paper， the transmission type photoelectric sensor is used to distinguish milk and brine through electric conductivity. According to the test results， the liquid level error of the multifunctional liquid container system is less than 1mm， and the weight error is less than 0.5g.

Keywords： Multifunction; The sensor; Single chip microcomputer; According to data

CLC NO.： TH122 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-81-03

前言

多功能液體容器包括電子稱重、液位測量、密度計算、PH值測試，可以分辨液體的種類，在化工領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價值[1]，本文設(shè)計一種多功能液體容器，設(shè)計要求包括能夠自動測量給定液體的重量及液位，并能夠判斷出給定液體的種類（純凈水、白糖水、鹽水、牛奶以及白醋等）。

首先通過壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，再次將該信號經(jīng)信號處理電路進行準確的線性放大，放大后的模擬電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量被送入到主控電路的單片機中[2]，再經(jīng)過單片機控制OLED顯示，從而顯示出被測液體的重量、液位等信息。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照設(shè)計的基本要求，本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要完成稱重模塊、超聲波測距模塊、激光對射模塊、OLED顯示模塊等相關(guān)模塊的設(shè)計及測試，其中稱重模塊包括數(shù)據(jù)采集、信號放大及AD轉(zhuǎn)換。OLED顯示模塊包括液體重量、液位等的顯示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 主控模塊

本系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機最小開發(fā)系統(tǒng)作為主控，該系列單片機片內(nèi)具有大容量的FLASH程序存儲器[3]。

2.2 稱重模塊

HX711輸入選擇開關(guān)可任意選取通道A 或通道B，與其內(nèi)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。電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器[4]。

2.3 US-015 超聲波測距模塊

本文采用US-015超聲波測距模塊其，可實現(xiàn) 2cm～4m 的非接觸測距功能[5]，US-015超聲波測距模塊在測距過程中需要在Trig/TX管腳輸入一個10μs以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個40KHz的超聲波脈沖，然后檢測回波信號[6]。當檢測到回波信號后，通過Echo管腳輸出，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.4 激光對射檢測模塊

本文采用的激光對射傳感器包括發(fā)送器，接收器和檢測電路，使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號[7]。因為牛奶具有不透光的特點，激光對射傳感器在檢測牛奶的時候無法接收到信號，而純凈水、白醋淡鹽水等是透明的，因此可以判斷出牛奶。

2.5 PH值檢測模塊

PH值檢測采用PH值傳感器，在該傳感器內(nèi)部的PH值放大器可以通過數(shù)據(jù)采集檢測有標準PH電極的電路，在PH值為7的緩沖液中，產(chǎn)生一個1.75V的電壓，根據(jù)液體的PH值不同可判斷液體種類[8]，白醋的PH值約是2.4，而鹽水與純凈水的pH值基本一致為7左右，因此可以判斷出白醋。

2.6 OLED顯示

顯示模塊采用0.96寸的OLED顯示屏，其接口定義為（1）GND電源地;（2）VCC 電源正（3～5.5V）;（3）SCL OLED的D0腳，在IIC通信中為時鐘管腳;（4）SDA OLED的D1腳，在IIC通信中為數(shù)據(jù)管腳[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求具有以下功能：按下啟動按鈕，進行一次去皮處理后，整個系統(tǒng)即可自動檢測出被測物體的液位、重量等參數(shù)，并進行顯示，進一步可判斷牛奶及白醋等，程序設(shè)計流程如圖2所示。

顯示部分程序代碼如下：

void main（void）

{

char jian;

InitUART（）; //串行口初始化

GapValue = 386.0; //實際測得基準值

OLED_Init（）;//初始化OLED

OLED_ShowCHinese（8，0，0）;//多

OLED_ShowCHinese（24，0，1）;//功

OLED_ShowCHinese（40，0，2）;//能

OLED_ShowCHinese（56，0，3）;//液

OLED_ShowCHinese（72，0，4）;//體

OLED_ShowCHinese（88，0，5）;//容

OLED_ShowCHinese（104，0，6）;//器

OLED_ShowCHinese（0，2，7）;//重

OLED_ShowCHinese（16，2，8）;//量

OLED_ShowCHinese（0，4，9）;//液

OLED_ShowCHinese（16，4，10）;//位

while（1）

{jian = KEY_SAN（）;

if（jian == 0）

Get_Maopi（）;

if（jian == 1）

GapValue+=0.5;

celiang = Get_Weight（）*100;

UartSendUlong（"GapValue："，（unsigned long）GapValue*10，" | "）;

}

}

4 測試方案與測試結(jié)果

線路連接正常，利用砝碼對電子秤進行校準，其測試數(shù)據(jù)如表2所示，進而逐漸加入液體進行數(shù)據(jù)的測試進過反復(fù)測試及調(diào)整。本系統(tǒng)實現(xiàn)以下功能（1）液體的重量絕對誤差的絕對值≤1g;（2）液位測量絕對誤差的絕對值≤2mm;（3）可區(qū)分牛奶及白醋的液體種類。

5 總結(jié)與展望

本文通過設(shè)計多功能液體容器，實現(xiàn)了多種液體的重量、液位的測量以及液體種類的區(qū)分。隨著人工智能、自動控制技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的有毒有害液體的檢測將逐步實現(xiàn)機器代替人工，有效避免接觸有毒有害液體對人身造成的損害[10]，綜合多學(xué)科的研究探索科技創(chuàng)新產(chǎn)品的實用價值。

參考文獻

[1] 張杰.模擬電路項目教程[M].北京：北京交通大學(xué)出版社.2014.

[2] 王靜霞.單片機應(yīng)用技術(shù)（C語言版）（第3版）[M].北京：電子工業(yè)出版社.2015.

[3] 張彥宇.基于MSP430的高精密電子秤設(shè)計與研究[J].工業(yè)控制與應(yīng)用.2019.

[4] 吳恩儀，陳凌君.基于STC89C52單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計[J].機械裝備研發(fā).2020.

[5] 魯可，張曉東，馬宏旭.基于單片機的超聲波液位檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].機電工程技術(shù)，2014.

[6] 肖榮榮.液體內(nèi)部壓強探究演示儀：中小學(xué)實驗與裝備，2019.

[7] 趙廣平.孫雯萍電子稱重技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].儀表技術(shù)傳感器， 2017.

[8] 羅及紅.一種高精度的電子秤設(shè)計[J].計算機測量與控制，2010.

[9] 工仲夏，馬萬國，張濤.基于單片機高精度電子天平設(shè)計[J].電子測試，2017.

[10] 楊慧英.容器液位視覺檢測方法研究[J].裝備制造技術(shù)，2018.