基于STM32 設計的簡易多功能液體容器

呂佳璐，王 森，楊 琦

（四川輕化工大學，四川 宜賓644000）

1 發展現狀

目前液體鑒別主要發展于化工行業，在日常生活中主要還是靠看狀態、聞氣味和嘗味道。這樣經常會出現鑒別不準確的情況，甚至可能發生事故。隨著人們生活質量的提升，生活中的各種細節越來越被重視。生活中接觸的液體種類慢慢增加，對于各種液體的使用也逐漸增多。因而在以前不被重視的液體鑒別也隨著人們對更美好生活的向往越來越被重視。在此背景下更安全、準確、方便的液體鑒別裝置應運而生，更加貼近人們的日常生活，并且為中國現有的液體測量識別儀器的優化發展提供了有益幫助。

2 研究目的及意義

隨著社會環境的不斷變化，生活中的液體種類也在不斷增加，不能什么液體都靠人的感覺器官來辨別液體種類，因為這樣往往會伴隨著一些不確定的因素。并且，在液體濃度很小時，運用這種鑒別方式不能夠準確辨別出液體種類。因此，迫切需要一種新型的設備來辨別這些液體的種類。對這些新型的液體測量設備最基本的要求就是不會過多占用人們的空間資源和能量資源等。在滿足以上所需的功能之后，也要增加一些比較實用的小功能，為人們的生活帶來一些便利，方便人們日常使用。

3 方案設計

3.1 方案一

采用51/15 單片機作為系統的核心處理來采集數據，進行數據處理；采用浮動式傳感器，進行液體的液位測量；采用壓力傳感器來測量液體的質量；采用光電傳感器和MQ-3氣敏傳感器來分辨液體的種類；通過對算法（密度）的設計，來分辨不同濃度的鹽水，以及純凈水和白糖水的判別，并將測試的數據顯示到LCD 顯示屏上。

3.2 方案二

選用STM32F103C8T6 單片機作為控制電路的核心處理來采集數據，進行數據處理；采用超聲波測距傳感器，進行液體的液位測量；測試的數據顯示到OLED 顯示屏上；其余同方案一。

3.3 方案確定

主控部分，51/15 單片機具有編程簡單，控制方便，成本較低的優點，但存在數據采集的精度不高，運算速度慢、功能少等缺點；而STM32F103 增強型系列的內核是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3 內核，一次處理數據寬度32 位，時鐘頻率達到72 MHz，內部RAM 和ROM（flash）更大，運算能力更為強大，且片上外設資源豐富。考慮超聲波模塊的測量精度及顯示模塊的設計，此次設計決定采用STM32F103C8T6芯片作為中央處理器。

在液體的液位高度采集部分，主要分為直接測量法、浮力法、超聲波法等。其中浮球式水位傳感器價格雖然便宜，但工作原理和采集方法都是傳感技術中較原始、落后的部分，所以可靠性低，穩定性差，極易出現浮子卡死無法動作的現象。浮球式水位傳感器檢測精度低，且因其結構設計原因，容易產生污垢，不易清洗。而超聲波測距模塊超聲波水位傳感器質量小，檢測精度高，非接觸式的檢測，更加衛生，且具有安全、壽命長、可靠性高的特點。因此這一部分選擇用超聲波測距模塊來測量液位。

選擇以STM32F103C8T6 為核心處理器，以壓力傳感器、超聲波測距模塊、光電傳感器、MQ-3 氣敏傳感器為外設，

對不同液體的液位、質量等參數數據進行采集，及液體種類判別，并用（OLED）液晶顯示屏顯示測量結果。

4 理論分析與計算

4.1 超聲波測距模塊測水位

超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據計時器記錄的時間t，可通過公式計算出發射點距障礙物的距離S，計算公式為：S=340 m/s×t/2。

4.2 不同液體種類及不同濃度鹽水的分辨

通過查詢資料，主要可以通過液體密度、透光性、氣味進行液體種類的判斷。

四種液體種類的判斷。可以通過算法來進行純凈水液體密度判斷；白醋獨有的氣味可以通過MQ-3 氣敏傳感器來判斷；牛奶是一種復雜的膠體混合物，是不透明的液體，可以通過光電傳感器測量透光度來判斷；可以通過算法來進行鹽水液體密度判斷。

不同濃度鹽水的區分。不同濃度鹽水的密度不同，通過軟件編程、設計算法實現對液體密度大小的判斷，從而區分不同濃度的鹽水。

純凈水和白糖水的分辨。白糖水的密度比純凈水的密度大。

5 裝置電路與程序設計

5.1 電路設計部分

本設計中多功能液體容器主要由主控制模塊、人機交互模塊、檢測模塊組成。其中主控制模塊STM32F103C8T6 為最小系統板；人機交互模塊采用OLED 顯示屏；測量模塊由超聲波測量、氣敏、光電測量及壓力測量模塊組成。

本模塊包含STM32F103C8T6 最小系統板、人機交互模塊，由OLED 顯示屏和獨立按鍵模塊組成，其原理如圖1所示。

5.1.1 液體質量測量部分

本裝置的液體質量測量采用電阻應變式傳感器和HX711AD 模塊，該傳感器具有良好的線性關系，具有較高的靈敏度。壓力傳感器將壓力信號進行轉換處理后傳送給MCU，MCU 處理信號后，實現對液體的質量的測量。

5.1.2 液位測量部分

本裝置采用的超聲波測距模塊，由超聲波發射電路、超聲波接收電路、信號處理三部分組成，利用STM32F103 單片機來實現對超聲波和超聲波轉換模塊的控制，從而測量出液體的液位數據。

圖1 中央處理器及人機交互模塊原理框圖

5.1.3 辨別種類部分

本裝置采用光電傳感器，實現對牛奶和其他不同液體的分辨，采用MQ-3 氣敏傳感器（氣味傳感器），實現對白醋和其他不同液體的分辨。

5.2 軟件設計部分

本系統的軟件設計采用C 語言對STM32F103C8T6 單片機進行編程，從而實現各模塊的功能。