基于单片机的多功能液体测量装置设计*

常 乐，张少文，郜少康，赵晓茹

(山西职业技术学院，电子与通信工程系，山西 太原 030006)

应用电子专业核心技能培养和与时俱进，需要提炼实用型生产项目，以研究典型任务实现动态调整的方式方法。很多典型任务与生产实际密切结合，而实际生产很多都涉及到各种集成芯片、传感器的应用，以实现具体功能。在工业生产过程中，对液体容器参数的测量，是十分常见的操作需求，所以，选定这一典型任务进行设计实施，对液位、重量、密度、PH值、电导率进行采集计算，设计一个简易的基于单片机的多功能液体测量装置，进行测试研究。

1 系统组成框图

该简易多功能液体容器装置主要由电源部分、主控系统、采集模块、显示模块、安装模块组成，其系统框图如图1所示。

图1 简易多功能液体容器组成框图

2 功能模块选择

2.1 主控制器件的选择

采用STC15W4K56S4单片机[1]。该单片机是宏晶科技设计生产的单时钟、机器周期(1T)的单片机，具有高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰能力强，指令代码完全兼容传统8051,且速度快6～12倍。

2.2 电源的选择

采用输出为DC5V、12V供电的开关电源，其中单片机、压力传感器、液晶显示屏为5V供电，超声波传感器和PH值传感器为12V供电。

2.3 传感器的选用

2.3.1 测量液体水位

采用超声波传感器，在给予高电平触发的状态下，循环发出8个40kHz超声波脉冲，利用其遇到障碍物被反射回波的原理，获取时间差，实际距离为由单片机测算出具体液位[2]。

2.3.2 测量液体重量

采用电阻应变式压力传感器，利用其弹性敏感元器件形变，桥式电阻应变片在未受重力影响时的平衡状态变成失衡状态，电桥输出端输出电压差，传感器转化出称重信号，通过HX711内部的AD转换器转化为数字信号。HX711内部集成了24位AD转换器、时钟振荡和稳压源，控制方便。

2.3.3 区别液体性质

采用PH值传感器，白醋PH值在2～3之间，牛奶PH值大约为6.5，纯净水PH值在6.5～8.5之间，盐水PH值在6.5～7.5之间，测量溶液的PH值，区别出白醋和其它液体。然后利用光电传感器，光线强弱直接影响阻值电流值变化的特性，将透光性不及其它液体的牛奶区别出来。水溶液的电导率是溶质浓度测量的一种重要方法，糖水是有机物溶液，分子结构，不导电，在容器中加入极板，给极板加正弦波信号，测量极板电导率，区分糖水和浓淡盐水。

2.4 显示部分选择

采用12864液晶显示器实现显示模块，它自带中文自控，其分辨率为128*64，内置8192个16*16点汉字，与单片机并行连接。

3 硬件设计

硬件电路主要是以STC15W4K56S4单片机[4]为核心单片机最小系统、串口通信、电流电压转化电路、开关电路、液晶显示电路、超声波电路(图2)和压力测试电路(图3)为主[3]。电路将溶液的高度、重量、PH值这些非电量信号通过传感器转化成电量信号，然后由单片机对采集到的电量信号进行分析计算，最终通过显示部分，将测量结果显示出来，明确液体成分。系统主控电路图如图4所示。

图2 超声波电路图

图3 压力传感器电路图

图4 主控系统电路图

4 程序设计

整个程序设计需要满足以下功能，启动开始检测按键后，系统可以自动检测被测液体的液位、重量等参数。系统加入了限重报警装置，重量超过1千克，蜂鸣器报警，以保护称重传感器。主程序流程图设计如图5。

图5 主程序流程图

5 测试与分析

5.1 液位检测数据结果

超声波传感器采用电平触发测量[5]，电平触发测距的时序如图6所示。超声波传感器需要为Trig/TX管脚输入一个10μs以上的高电平，系统便可发出8个40 kHz的超声波脉冲，然后检测回波信号，当检测到回波信号后，结果通过Echo/RX管脚输出。由于声速选择340 m/s，超声波测距仪测得高电平时间为t/μs，则所测距离S=vt/2。

图6 电平触发测距时序图

液位检测数据结果如表1所示。

表1 液位检测数据表

超声波在传输时受液体种类、温度、压强等因素影响，速度会有所变化，其中温度影响较大，所以液位测量绝对误差的绝对值≦2 mm。

5.2 重量检测数据结果

压力传感器供电为5V且自带AD芯片，将液体重量转换为质量与电压间的关系，通过单片机计算处理得出液体的重量，经过多次测试，本装置可以将液体重量测量的绝对误差值降到0.1g，测量结果如表2所示。

表2 重量检测数据表

6 结论

该简易多功能液体容器装置设计简单，容易实现，常用功能经过检验测试，性能优良，数据准确，具有一定的实用性。