基于STM32的液體識別裝置設(shè)計

龔江濤，魏麗君

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲，412001）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活當(dāng)中，有時需要對液體參數(shù)進(jìn)行測量，甚至進(jìn)行辨別，全靠人工操作，費時費力。因此設(shè)計一個能自動對液體液位、重量等參數(shù)進(jìn)行測量及辨別的多功能智能化儀器具有很好的應(yīng)用前景。本設(shè)計對純凈水、牛奶、鹽水、白醋和糖水等常見液體樣本進(jìn)行了大量測量試驗，參數(shù)測量精度高，分辨結(jié)果正確無誤。

1 測試方法選擇

根據(jù)功能要求，除了測量液位、密度、重量等參數(shù)外，還要分辨各種液體，因此需要采用多種檢測方法進(jìn)行綜合檢測。

■1.1 密度辨別濃度不同液體的方法

對于濃度不同的同一種液體（如濃度不同的鹽水），其密度是不同的。通過液位檢測傳感器分別測量裝和不裝鹽水時的液面高度h1和h2，可獲得測量液體高度Δh=h2-h1，再通過稱重模塊可測得液體的質(zhì)量M，通過計算可獲得液體的密度[1-2]：

（其中r為圓柱狀容器的半徑）

將不同濃度液體的密度大小進(jìn)行比較，較大的濃度高，較小的濃度低。

■1.2 電導(dǎo)率檢測液體方法

不同的液體，導(dǎo)電性能有所差別。測試樣品中的純凈水導(dǎo)電性最差，白醋的導(dǎo)電性能最好，牛奶的導(dǎo)電性能介于兩者之間，并和鹽水的導(dǎo)電性能接近。通過電壓檢測模塊對電導(dǎo)率的測量，可將純凈水、牛奶（鹽水）和白醋區(qū)分開來[3]。牛奶和鹽水的辨別還需要采用其他測試方法進(jìn)行進(jìn)一步測量甄別。

■1.3 透光度檢測液體方法

考慮到牛奶與其他液體相比，透光度較差，將反射式紅外對管安裝在距離容器3-6cm左右的位置進(jìn)行檢測[4]。當(dāng)容器裝有牛奶時，容器外壁對紅外光的反射較強(qiáng)，接收管收到的信號較大，而其他液體因透光度較高，接收信號微弱。利用一個電壓比較器，可較方便地將牛奶和其他液體區(qū)分開來。

2 硬件設(shè)計

本容器裝置以STM32F103VCT6單片機(jī)為主控制器，在外圍搭建液位傳感器、稱重模塊、電壓檢測模塊、紅外檢測模塊、按鍵電路、液晶顯示電路、聲光提示模塊等部分。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

■2.1 主控制器電路

主控制器采用STM32F103VCT6單片機(jī)，其最小系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路及晶振電路，控制器采用3.3V電壓、8MHz晶振，其原理圖如圖2所示。

圖2 主控制器電路原理圖

■2.2 激光傳感器模塊

采用激光測距傳感器來檢測液體高度。國內(nèi)非浸入式超聲波測液位的測量精度最高只能達(dá)到±1 cm，這樣會導(dǎo)致密度的測量較大誤差，并對液體的辨別產(chǎn)生誤判，而高精度的激光測距傳感器測量精度可達(dá)±0.5 mm。考慮到激光會穿透液面，而導(dǎo)致測量失準(zhǔn)，因此在液面放置超薄反射薄片（厚度小于0.5 mm），利用激光發(fā)射與接收的時間分別測量裝液體時的液面高度h1和不裝液體時的高度h2，通過h2-h1得到液體高度。此方法檢測速度快，測量精度可達(dá)±1 mm，且不需接觸液體，可靠性高，比超聲波傳感器和投入式液位傳感器的精度更高。激光模塊采用UART串口通信，可通過STM32的串口與之相連，設(shè)定其測量范圍、分辨率等參數(shù)，并可讀取精確的測量距離值，其實物圖如圖3所示。

圖3 激光傳感器模塊實物圖

■2.3 稱重模塊

采用CS5530帶低噪聲放大器的24位高精度AD芯片配合稱重傳感器實現(xiàn)高精度稱重，精度完全能滿足精度要求，其電路原理圖如圖4所示。

圖4 CS5530電路原理圖

■2.4 電壓檢測電路

將串聯(lián)了一個電位器R1的并連接了電源的金屬探針插入到待測液體當(dāng)中，通過調(diào)節(jié)電位器可改變流過液體的電流，當(dāng)電流調(diào)節(jié)到合適的大小后，固定電位器阻值，將其兩端電壓送至STM32自帶的AD通道進(jìn)行測量，獲得電位器兩端電壓。如圖5所示，圖中P2接STM32板上的3.3V電源，P1送至STM32的AD通道。

圖5 電壓檢測電路原理圖

■2.5 紅外檢測電路

紅外檢測主要用于區(qū)分牛奶和其他液體，其電路如圖6所示。圖中D1為發(fā)射管，D2為接收管，LM358組成電壓比較器，當(dāng)為牛奶時，輸出out為高；當(dāng)為其他液體時，輸出out為低。

圖6 紅外檢測電路圖

3 軟件設(shè)計

根據(jù)題目任務(wù)和硬件電路，設(shè)計單片機(jī)程序，其程序流程如下：

第一步：對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)、鍵盤和液晶模塊等進(jìn)行初始化設(shè)置，液晶顯示初始界面；

第二步：掃描鍵盤，確定任務(wù)模式。根據(jù)應(yīng)用場合及要求不同，設(shè)置了三種測量模式，分別為液位重量測量模式、濃度比較測量模式和液體辨別模式；

第三步：進(jìn)入任務(wù)模式，先對空的容器進(jìn)行去皮操作，顯示重量為0 g；同時顯示液位高度為 0 mm；

第四步：加入液體后，通過CS5530稱重模塊獲取容器和液體的總重量；

第五步：減去容器皮重，得到液體重量；

第六步：采集激光傳感器數(shù)據(jù)，獲取液位信息，計算得到液體高度；

第七步：根據(jù)液體高度，計算出液體體積；

第八步：通過液體重量和體積計算出液體密度，初步判斷出液體為何種成分；

第九步：通過金屬探針及電壓檢測電路，獲取液體導(dǎo)體串聯(lián)電阻上的電壓值；

第十步：計算液體的電導(dǎo)率；

第十一步：通過紅外檢測模塊，進(jìn)行液體透光度判斷；

第十二步：根據(jù)液體密度、電導(dǎo)率和透光度最終判斷出液體成分；

最后根據(jù)任務(wù)模式判斷各種液體，通過液晶顯示液體名稱和相關(guān)參數(shù)，通過聲光提示當(dāng)前任務(wù)檢測完成，跳到第二步等待下一次檢測任務(wù)。程序流程圖如圖7所示。

4 測量結(jié)果及分析

■4.1 測試方法儀器

(1)測試方法：給多功能容器裝置上電，按下功能選擇鍵，進(jìn)行測試功能選擇，選定后，按啟動鍵啟動測試，將測試結(jié)果顯示在液晶顯示屏上。完成一項測試后，按下功能選擇鍵，進(jìn)入其他測試項目，如此循環(huán)。

(2)測試儀器：萬用表、比重計，電子天平。

■4.2 測試結(jié)果

(1)液位重量測量模式：開機(jī)后，將空的容器和激光用的發(fā)射薄片，放在秤盤上。在主界面按功能選擇，選擇測試模式1：液位重量測量。按啟動鍵，按先后順序依次倒入純凈水、鹽水、牛奶，測試結(jié)果如表1所示。結(jié)論：經(jīng)多次測量，水位偏差<1mm，重量偏差<0.5g。

表1 液位及重量測量數(shù)據(jù)

(2)濃度比較測量模式：單片機(jī)復(fù)位后，在主界面按功能選擇，選擇測試模式2：濃度比較測量模式。按啟動鍵，按先后順序依次倒入15%的鹽水和10%的鹽水，測試結(jié)果如表2所示。

表2 濃度比較測量數(shù)據(jù)

(3)液體辨別模式：單片機(jī)復(fù)位后，在主界面按功能選擇，選擇測試模式3：液體辨別模式。按啟動鍵，按先后順序依次倒入鹽水、牛奶、白醋和純凈水，測試結(jié)果如表3所示。

表3 液體辨別測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本設(shè)計以STM32單片機(jī)為主控芯片，采用多種傳感器通過對待測液體的密度、電導(dǎo)率及透光度等多個參數(shù)進(jìn)行測量，能正確識別題目中涉及的各種液體，并顯示檢測結(jié)果和相關(guān)參數(shù)，具有一鍵測試、響應(yīng)速度快、低功耗、界面友好等優(yōu)點。經(jīng)多次試驗檢測，液體識別裝置辨別給定液體的成功率達(dá)100%，液位誤差小于1mm，重量誤差小于0.5 g。