基于STC 單片機(jī)高精度液體密度測量儀的設(shè)計

馬婷，王詠寧，趙展文，李國旺，冶安有布，馬兵

（青海民族大學(xué)，青海西寧，810000）

液體密度在科學(xué)實驗研究和工業(yè)生產(chǎn)生活中都得到了普遍的應(yīng)用，但是以往的液體密度測量方法實現(xiàn)具有過程繁瑣、操作復(fù)雜和計算麻煩的不足之處，這對于研究設(shè)計一款工藝成本低、操作方便、密度可視化的新型液體密度測量儀具有重大的意義。同時，當(dāng)下正是5G 通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的時期，已經(jīng)在科學(xué)技術(shù)研究和人們的生活發(fā)展中逐漸演變?yōu)椴豢苫蛉钡囊徊糠郑诳茖W(xué)技術(shù)研究中得到了更廣泛的研究與應(yīng)用；利用物聯(lián)網(wǎng)平臺成熟發(fā)展的技術(shù)實現(xiàn)液體密度測量智能化，讓我們的設(shè)備使用更加便捷和智能。

1 液體密度測量儀的研究現(xiàn)狀

本設(shè)計主要應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域，截止目前實驗室中對密度的測量大多還在采用手工操作，測量中要使用天平、刻度尺、量杯等專用工具，測量數(shù)據(jù)都靠人工觀測，測量精度因人眼觀測及計算等因素難免會產(chǎn)生一定的誤差，實驗中因危險性液體的不當(dāng)操作，也會造成不良的后果，隨著數(shù)字電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，實驗的數(shù)字化以及智能化已成為研究的熱點。目前國內(nèi)外在密度測量數(shù)字化方面，已取得了一定的成果，近年來有大量的超聲波測距及電子稱等相關(guān)論文及專利產(chǎn)品問世，但將兩者結(jié)合起來實現(xiàn)密度測量的成果還相對較少。市場上已有的密度測量儀大多為特殊行業(yè)專用儀器，且價格昂貴；多數(shù)面向固體密度測量，本項目通過對傳統(tǒng)密度測量儀器和測量方法的改進(jìn)，利用數(shù)字技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)處理，避免了人工測量或計算中出現(xiàn)的誤差，可提高測量精度，減少誤差，對測得數(shù)據(jù)上傳云端物聯(lián)網(wǎng)平臺記憶產(chǎn)品的測量結(jié)果便于下一次測量；可應(yīng)用于實驗、教學(xué)及科研等領(lǐng)域；操作簡便、減少接觸、制作成本低，更加安全、高效，減少對人體的傷害，有較好的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計核心控制采用STC89C52RC 單片機(jī)最小系統(tǒng)，通過對液體液位高度、質(zhì)量的測量實現(xiàn)對液體密度的顯示和測量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，裝置的組成部分主要是以測量單元、控制單元、顯示單元和通信單元組成；測量模單元由US-015超聲波測距模塊、HX711 模數(shù)轉(zhuǎn)換器和壓力傳感器模塊組成，控制單元是以按鍵控制電路、硬件外設(shè)以及單片機(jī)組成，顯示單元由LCD12864 液晶顯示屏構(gòu)成，對各傳感器獲得的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)實時顯示，通信模塊是利用單片機(jī)串口與ESP8266WIFI 模塊進(jìn)行通信，將測得數(shù)據(jù)通過WIFI 模塊聯(lián)網(wǎng)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，云端平臺對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存并且在終端設(shè)備上顯示實時數(shù)據(jù)圖形模型，借助物聯(lián)網(wǎng)云平臺對裝置有更進(jìn)一步的控制，加強(qiáng)人機(jī)互聯(lián)的能力，達(dá)到操作便捷和數(shù)據(jù)可視化。

■2.1 STC89C52RC 最小系統(tǒng)及I/O 口擴(kuò)展設(shè)計

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

本設(shè)計是以STC89C52RC 為核心構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)，該芯片是STC 公司發(fā)布具有51 內(nèi)核的控制芯片，它擁有低功耗、短周期、運行快和成本低等許多優(yōu)點；在本設(shè)計中為防止此款單片機(jī)的I/O 口不足使用，同時我們采用了8255 I/O 口擴(kuò)展芯片，該芯片是并行I/O 接口可編程的芯片，它是存在3 個8 位并行I/O 口，擁有3 個通道3 種工作方式的并行接口可編程芯片；通過軟件選擇每個I/O 工作功能，靈活性高，通用性強(qiáng)；8255 可以用作硬件外部設(shè)備連接時與單片機(jī)的中間接口電路；從而滿足本設(shè)計的I/O 口需要，該款單片機(jī)在日常生活中的多個方面得到了廣泛應(yīng)用。

圖2 STC89C52RC 單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖3 8255I/O 口擴(kuò)展設(shè)計

■2.2 報警模塊的硬件設(shè)計

本設(shè)計中當(dāng)密度測量相關(guān)程序完成時，需要發(fā)出提示，報警提示模塊采取了蜂鳴器和LED 燈的設(shè)計，同時利用云平臺在移動終端發(fā)出報警提示，當(dāng)系統(tǒng)在不同模式環(huán)境中，蜂鳴器和LED 燈組成不同的提示狀態(tài)。

■2.3 4×4 矩陣鍵盤設(shè)計

為滿足使用的便捷性，我們在設(shè)備本機(jī)上也采用了4×4 矩陣鍵盤，通過矩陣鍵盤進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

■2.4 LCD 顯示模塊

本裝置設(shè)計以LCD12864 液晶屏作為顯示單元，此款顯示屏具有中文字庫、功耗低、體積小等優(yōu)點，電路連接如圖6 所示，在3 引腳加裝一個10kΩ 的可調(diào)電位器，通過調(diào)節(jié)改變液晶屏的亮度，更加有利于對顯示內(nèi)容的理解，8155I/O 擴(kuò)展口的PA 口作為數(shù)據(jù)輸出端連接到LCD12864顯示屏的D0..7 數(shù)據(jù)口，PSB、RS、R/W、EN 端分別接在單片機(jī)的P1^3、P1^2、P1^1、P1^0 端口。

圖4 報警模塊的電路設(shè)計

圖5 按鍵電路設(shè)計

圖6 LCD12864 顯示模塊

■2.5 外設(shè)傳感器模塊設(shè)計

本設(shè)計使用US-015 超聲波測距模塊測量液位高度，壓力傳感器測量液位體積。US-015 超聲波模塊可以發(fā)出聲波并且當(dāng)被物體反射后接受，通過單片機(jī)定時器計算發(fā)送和接受的時間，利用聲速判斷出當(dāng)下距離，其具有精度高(1mm)、速度快和成本低的優(yōu)點。壓力傳感器是利用HX711 模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式，檢測壓力傳感器相關(guān)電阻兩端的電壓，將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)控制核心，最后計算被檢測物體的重量，將檢測數(shù)據(jù)讀取并且輸出。

圖7 HX711 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

圖8 HC-SR04 超聲波傳感器

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■3.1 主程序設(shè)計

本裝置在設(shè)計中采用了多種模式和多級控制來實現(xiàn)研究目的，模式分為測量模式和配制模式，測量模式中輸入杯體底面積，利用超聲波傳感器測得液位高度和壓力傳感器測得液體質(zhì)量，通過ρ=m/V 計算出液體密度在液晶顯示屏顯示，同時將數(shù)據(jù)通過WIFI 模塊發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺；在配制模式中設(shè)定所需液體密度，輸入已知液體密度和體積，在配制過程中不斷測量直至配制完成，在程序中對每個變量設(shè)置一個標(biāo)志位，在邏輯上實現(xiàn)一一對應(yīng)。在裝置開啟后對系統(tǒng)所有變量進(jìn)行初始化，隨后系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)判斷狀態(tài)，檢測用戶通過按鍵或者終端設(shè)置的各項數(shù)據(jù)，單片機(jī)將其賦給有關(guān)程序參數(shù)，各模塊再根據(jù)程序設(shè)計的先后順序依次完成濃度測量。

圖9 主程序流程框圖

■3.2 US-015 超聲波測距

本設(shè)計中我們液位高度的測量選擇了US-015 超聲波模塊，在軟件方面通過C 語言編程實現(xiàn)相關(guān)功能，對主程序相關(guān)參數(shù)初始化，打開定時器0 令其處于工作狀態(tài)，將定時器0 置為計數(shù)模式，計算超聲波模塊發(fā)出聲波至遇到液面反射回來所消耗的時間。設(shè)定一個中斷標(biāo)記位，當(dāng)超聲波模塊完成測距時置1，通過顯示模塊顯示數(shù)據(jù)，通過中斷再次置0 讓超聲波模塊重新進(jìn)入測量程序；超聲波測距是需要通過單片機(jī)連續(xù)發(fā)出8 個40kHz 的方波，利用單片機(jī)的I/O 口將方波信號傳輸?shù)匠暡K的TRIG 觸發(fā)控制信號端，定時器開始定時和計數(shù)，當(dāng)超聲波模塊的ECHO 回響控制信號端接收到被液面反射回來的超聲波信號，則使定時器停止定時和計數(shù)，ECHO 端口在超聲波發(fā)出信號后置高電平，接收到信號自動置低電平，判斷ECHO 端持續(xù)高電平的時間，利用聲音在空氣中的傳播速度(340m/s)計算液位高度。

圖10 超聲波測距程序框圖

圖11 稱重傳感器程序框圖

■3.3 壓力傳感器和HX711 模塊

本設(shè)計在稱重中應(yīng)用的是應(yīng)力式可變電阻傳感器，當(dāng)稱重物體放置在傳感器裝置上后，所生成的應(yīng)力就會導(dǎo)致傳感器內(nèi)部的可變電阻片產(chǎn)生形變，從而電阻片兩端的電壓就會發(fā)生改變。HX711 是一款專為應(yīng)力式可變電阻傳感器制作高精度電子稱設(shè)計的24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，當(dāng)物體稱重是時電阻片兩端電壓發(fā)生變化，通過HX711 芯片將電壓值的變化轉(zhuǎn)換為我們需要的數(shù)字信號，通過主控單元將所獲得的數(shù)據(jù)顯示出來；這套裝置結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用場景廣泛，穩(wěn)定性強(qiáng)，功耗低，便于量產(chǎn)。

■3.4 無線控制設(shè)計

3.4.1 ESP8266 模塊的應(yīng)用

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用的大背景下，智能化時代已經(jīng)逐漸在人們的日常生活和科學(xué)研究中得到了更加廣泛的應(yīng)用。在我們的設(shè)計中為實現(xiàn)液體密度測量的智能化和便捷化，我們利用單片機(jī)的串口通信系統(tǒng)，對ESP8266WIFI模塊發(fā)送控制指令，使其連接到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，工作在TCP 多連接模式，將模塊的波特率與單片機(jī)串口通信的波特率設(shè)置相同均為9600，完成了WIFI 模塊的相關(guān)初始化后，通過指令讓ESP8266 連接到無線局域網(wǎng)，進(jìn)行設(shè)備上網(wǎng)并且連接到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺完成數(shù)據(jù)的傳輸和發(fā)送。

圖12 ESP8266WIFI 模塊

3.4.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺阿里云的應(yīng)用

圖13 云端數(shù)據(jù)處理流程框圖

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺與云下設(shè)備通信是需要通過Alink 協(xié)議來完成，從而將ESP8266WIFI 通信模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)利用MQTT 協(xié)議進(jìn)行嵌套發(fā)送，在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通過四元組信息產(chǎn)生不同種類的Topic，完成對數(shù)據(jù)的上報和下發(fā)功能。借助數(shù)據(jù)的實時流轉(zhuǎn)協(xié)議AMQP，將云下設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)利用業(yè)務(wù)服務(wù)器保存到本地數(shù)據(jù)庫，保證了數(shù)據(jù)的安全。再通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的lot Studio 開發(fā)工具開發(fā)對應(yīng)的API 業(yè)務(wù)，設(shè)計一款數(shù)據(jù)是視圖化的手機(jī)APP，實現(xiàn)液體密度測量的智能化，同時也提高了產(chǎn)品使用的效率。

4 結(jié)束語

隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，我們在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合新的科學(xué)技術(shù)，研究出了與當(dāng)下時代發(fā)展更加符合的密度測量裝置。高精度液體密度測量儀的設(shè)計包括測距和稱重，相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺，創(chuàng)建可視化控制界面利用Lot Studio 開發(fā)手機(jī)APP，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更好的進(jìn)行人機(jī)交互操作，并且優(yōu)化裝置內(nèi)部電路使設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單便攜，更進(jìn)一步提高液體密度測量的效率。