一种多功能液体容器的设计与实现

李颖华 徐云龙 李 强

（1、西安明德理工学院信息工程学院，陕西 西安 710124 2、九江职业技术学院电气工程学院，江西 九江 332007）

随着智能化产业的飞速发展，许多智能电器已经步入寻常百姓家，如智能电视、智能空调、智能厨具等。自动测定、显示液体的液位和重量，并判别液体种类的智能容器，也是智能化生活中必不可少的。高端智能液体容器的研发在国外起步较早，当前亟需探索本土化日用液体测量装置，满足操作简单、可后续扩展的需求。智能液体容器的控制核心是微控制器，通过重量传感器、液位传感器、酸碱度传感器、电阻率传感器、光电传感器等采集液体数据，再由主控芯片处理并实时显示，实现自动测量；通过微处理器程序控制算法，识别液体种类。

1 系统总体设计

多功能液体容器测量系统的总体结构如图1 所示。

本系统主要由五大模块构成：电源模块、系统控制模块、液体测量模块、键盘输入模块和显示模块。选用容量1L、高22cm、有液位标记的透明塑料容器，通过键盘输入模块启动自动测量并显示纯净水、白糖水、盐水、牛奶、白醋的液位、重量及液体种类。其中，电源模块采用7805 和7812 稳压块实现稳压供电；控制模块采用新唐N76E885 微控制器实现系统主控及信号处理；液体测量模块利用液位传感器、压力传感器、pH值传感器、电阻传感器等测量液体参数，并通过液晶显示模块显示。软件部分采用Keil C 程序语言开发和调试。

2 理论分析与计算

2.1 系统相关参数设计

系统设计要能检测不同液体的液位、重量参数，并显示检测结果。液体容器中分别装载200ml～500ml 不同种类的溶液，溶液的浓度定义为质量百分比浓度，盐水浓度0%～30%，白醋酸度为9° 市售白醋，牛奶为市售纯牛奶，白砂糖糖水浓度为10%。

溶液浓度=（溶质质量/溶液质量）× 100%

测量液体重量时先去皮，测试重量m 实际值为液体净重，液位h 实际值为容器标记读数。液体参数的实际值与测量值之差为测量绝对误差，液位测量绝对误差的绝对值≤2mm，重量测量绝对误差的绝对值≤1g，即：

测量盐水时，系统能够区分不同浓度的盐水，并显示“浓盐水”或“淡盐水”。

2.2 理论分析与计算

本系统选用超声波探头实现液位测量。利用超声波的反射特性和回波测距原理计算液位，检测原理如图2 所示。首先测量超声波速度v、传播时间t 及容器高度H，然后根据超声波速度和传播时间的关系，计算出被测液位h：

图2 超声波检测液位原理

系统控制核心产生频率为40kHz、持续时间为0.1ms 的周期脉冲信号，经发射驱动电路加至超声波探头。当第1 个脉冲发射后，控制核心开始计数，在检测到第1 个回波脉冲的瞬间停止计数，得到发射到接收的时间间隔t。信号采集的关键是放大传感器输出的弱信号，系统选用NE5532 实现运放功能，运放工作原理如图3 所示，其正、负输入端电压分别记作u+、u_，运放输入信号ui，输出信号uo，则：

图3 放大电路

3 系统实现

3.1 系统硬件电路设计

系统硬件电路中，以7805、7812 为主的电源模块为单片机提供直流稳压电源，主控核心新唐N76E885 单片机产生系统所需的8 路PWM波，引入10 个外部中断用于实现彩屏显示和按键切换功能；键盘输入模块为独立按键输入；显示模块选用小体积、低功耗的LCD12864 液晶显示器，其内置128 个16× 8 点阵ASCII 字符及汉字字库，显示分辨率为128× 64。液晶采用并行方式显示，数据端、控制端、RS 端、R/W 端、E 端接口方便，可显示液位、重量、液体种类三项测量数据；液体测量模块采用液位传感器测量液位参数，用压力传感器测量重量参数，通过电阻、压力、pH 值、光电和超声波五种传感器电路测量纯净水、白糖水、盐水、牛奶、白醋的液位及重量，并判别液体种类。系统硬件电路设计原理如图4 所示。

图4 系统硬件电路原理图

3.2 系统软件设计

硬件电路模块化的设计简化了软件设计，液位测量采用微控制器内部计数器T0 完成，系统软件设计分为主程序和中断服务子程序。主程序完成初始化、液位和重量测量、液体种类辨别、结果显示，中断服务子程序完成时间值读取。系统软件设计流程如图5 所示。

图5 程序流程图

4 系统测试

一键启动多功能液体容器，分别检测市售纯牛奶、9° 白醋、10%和30%盐水、纯净水、10%糖水的液位、重量、种类，并实时显示。要求液位测量绝对误差的绝对值≤2mm，重量测量绝对误差的绝对值≤1g；另外，在液体检测过程中，由于每测试一次，都需要对容器进行清洗、烘干、移装等操作，所以通过中断服务子程序实现用户自由设置时间间隔，保证液体换装时间充足。在液体容器中分别装载200ml～500ml 不同种类的溶液，经过反复多次检测，确定最佳参数。任意一组的测试数据如表1 所示。

表1 所示的测试选取了五种液体，对空容器进行清洗操作后，加装牛奶，数据显示34mm 液位（实际35.1mm，绝对误差1.1mm）、液体重量显示266.1g（实际265.5g，绝对误差0.6g），显示的液体名称为“牛奶”。对容器进行清洗、加装液体、移除牛奶、去除残留牛奶操作后，再依次测试白醋、盐水、纯净水、白糖水，数据显示的液位、重量及名称均达到基本要求。

表1 测试数据

5 结论

本系统检测5kg 内液体液位200ml～500ml，参数均符合基本要求，液位测量绝对误差低于2mm，重量测量绝对误差低于1g。系统测试时能迅速区分不同浓度的盐水，并显示盐水相对浓度；能分辨纯净水、盐水、牛奶、白醋、白糖水5 种液体的种类。系统设计考虑了后续进一步优化，液体容器通过外贴式的超声液位传感器对液体进行实时监控，可扩展温度测量模块来补偿超声波随温度变化而引起的波速变化；还可扩展报警功能，容器有液体残留时或液体即将溢出时报警（如蜂鸣器、发光管）。