人体健康饮水量计量仪

牛建辉 洪海慧 朱学森 高佳欢 孟紫腾

摘要：随着人民生活水平的日益提高，专注生活高质量水平的一系列产品不断涌现，一些电子类的产品被广泛应用到我们的日常生活当中，间接式超声波液位传感器便是其中之一。从人体健康摄水量出发，采用间接式超声波液位传感器进行液位采集并通过STC89C52系列控制芯片控制SSD1303驱动OLED显示人体每天的摄水量，使之更有效的使用于保护人体健康上。

關键词：间接式超声波液位传感器;STC89C52控制芯片;SSD1303

根据医学报告，人体每天的直接摄水量应该是在两千到两千五百毫升左右才能够保证人体正常的新陈代谢，然而现在人们处于快节奏的生活时代，绝大多数人群不仅饮水很不规律而且对每天自己摄入的水量也没有概念，所以很大一部分的人每天摄入的水量都不达标，这样就会造成人体的水盐平衡失调，导致疾病的发生。所以我们设计了一款水杯式人体健康摄水量计量仪，它具有携带方便，简单易用的特点，能够从微小处为快生活的人群提供健康保障。

1外形设计

设计是以水杯的形态来实现人体健康饮水量计量，将间接超声波液位传感器、OLED显示器、控制芯片STC89C52系列和电源集中封装成杯盖，间接超声波液位传感器安装在下表面，STC89C52安装在中间，OLED安装在上表面。总体实现数据的采集处理和显示。

2硬件设计

采用STC89C52系列控制芯片、间接超声波液位传感器、SSD1303和OLED实现饮水量的计算显示。硬件模块有：核心控制模块、电源电路模块、液位采集模块、提示模块及OLED显示模块。

2.1核心控制模块

本文采用STC89C52作为核心控制芯片作为核心控制模块来完成数据的运算处理。STC89C52是STC公司生产的一种具有低功耗、高性能CMOS8位微控制器，电压要求DC5v电源便于实现，掉电保护等优点。实现采集数据的处理计算和OLED显示控制。

2.2电源电路模块

本文采用LM7805的稳压器，输出电压误差精度可以分为±3%和±5%，性能十分稳定。电源采用4块电压为3V的纽扣电池作为供电电源。电源模块电路如图2.1。

通过LM7805的稳压器将电源电压为DC 12v的电压稳定成DC 5V作为核心控制模块、液位采集模块及提示模块的供电单元。再通过TL431稳压器将5V电压稳压成2.7V，结合12V电源共同给显示模块供电。

2.3液位采集模块

设计采用间接式声波液位传感器HC_SR04进行液位的采集，HC_SR04具有采集精度高、测量距离可调节、探测角度可调节、静态工作电流小等优点。

采集电路工作原理：电路采用IO触发测距的方式，给出最小为10us的高电平信号，并自动发送8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回，当检测到有信号返回时，电路通过IO输出一高电平，通过高电平持续的时间得到测试距离。计算方法：测试距离（S）=（高电平时间*声速（340M/S））/2。测试距离的大小可以通过R3的阻值大小进行调节，当R3 阻值为 392R时，测试距离最大可达 4.5M 左右，探测角度小于 15 度;当R3 阻值为 472R时，测试距离最大可达 7M 左右，探测角度小于 30 度;本设计是便携式水杯设计，测试距离相对较小所以采用R3阻值为392R即可满足设计需求。

2.4提示模块

提示模块采用LED闪烁作为提示信号给用户进行需要饮水的提示，内部采用晶振进行计时，每隔一个小时计时器输出一个高电平信号，当饮水量小于预定值时，就把高电平信号给LED进行闪烁提醒。

2.5显示模块

整个显示模块由单片机STC89C52、控制驱动电路SSD1303和OLED显示屏三部分组成，进行液位和饮水量计量值的显示。OLED具备色彩表现显眼、对比度高、响应时间短等优势，在小尺寸屏幕占据优势。SSD1303芯片主要由命令译码器、显示时序发生器、MCU接口、电压控制与电流控制、区颜色译码器、振荡器、和图形显示数据存储器（GDDRAM）、行驱动和列驱动组成。它专用于OLED驱动方案使OLED显示性能达到最佳并降低了功耗。

工作流程：控制芯片STC89C52处理对采集模块传来的数据进行处理后控制SSD1303芯片驱动OLED进行液位值和计量值显示。

3 系统软件设计

系统主程序逻辑，首先初始化外设模块，然后将间接式声波传感器HC_SR04采集到的液位值通过STC89C52控制芯片进行处理，处理过程：（1）通过语言首先将杯体半径R和高度L写入寄存器。（2）将HC_SR04采集的测试距离S送入STC89C52控制芯片。（3）液位值，水量值。（4）液位判断，通过比较算法对采集到的液位进行比较，输出比较结果，实现水位的重新设定和水量计量。

水量计量分为两个阶段：1.首先间接式声波液位传感器进行多次液位采集，然后进行进行液位实时采集比对，当有连续超过五次采集的液位值相相差±0.5mm时对这五次液位求平均值，将该平均液位作为实际液位进行显。通过多次测量求平均值的方法，可以极大的减小测量误差，提高系统的准确性。2.运用语言编代码，进行每次采集数据的比较，若大于设定液位将实际液位作为设定液位，若小于设定液位则进行差值运算将差值与原计量值进行相加得到新的水量计量值并显示。

4 结论

经过实验分析，可以得出以下结论：采用间接式超声波液位传感器和STC89C52系列芯片能够实现液位的精准测量和摄水量的计量且便于随设携带，完全能够实现人体日常健康摄水量计量需求。不足：本设计虽然对液位进行多次采集比对但是对动荡液位测量仍存在误差，后期需进一步优化设计。

参考文献

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