一种基于STC8单片机的多功能容器设计

2022-03-19张大为葛宝川

船电技术 2022年3期

毕涛，张大为，刘迪，葛宝川

一种基于STC8单片机的多功能容器设计

毕涛，张大为，刘迪，葛宝川

（海军航空大学航空基础学院，山东烟台 264001）

本文设计一种以STC8为控制核心的多功能液体容器。由压力传感器、液位传感器、TDS传感器、PH传感器、报警电路、显示电路、存储模块、键盘输入电路等模块组成。利用A/D模块HX711、ADS1115分别将压力传感器、PH传感器采集的模拟信号转换为数字信号，实现对液体的重量和PH值的检测；利用超声波传感器实现对溶液液位检测，能够计算溶液的体积，结合重量计算出液体的密度；利用TDS传感器可对液体TDS进行检测；利用DS18B20温度传感器能够对液体温度实时检测；该装置具有学习功能，能够记录液体的特征参数，可对液体种类进行识别。还可通过蓝牙连接手机，实时监测数据与控制仪器运行。

STC8 压力传感器液位传感器 TDS传感器 PH传感器 A/D 串口通信

0 引言

在工业生产、生物医学和日常生活中，经常需要对液体的相关参数进行测量，例如重量、液位、浓度、种类、温度等，以实现生产智能化和自动化的需要。

本设计要求容器的容量大于600 ml，液位高度大于20 cm，能够自动测量容器中液体的重量、液位，能够准确地判别液体的种类（白醋、牛奶、纯净水、盐水等），能够准确区分淡盐水和浓盐水。具备学习功能，能够存储不同种类的液体，可通过蓝牙将所测数据上传到手机并通过手机控制仪器工作。

本设计的系统结构如图1所示，该系统以STC8单片机为控制核心。该单片机是1T时钟单片机，指令代码完美兼容STC51单片机，且运行速度快10倍以上，适合大多数工程师拓展。

该系统的硬件电路主要包括：压力传感器、液位传感器、TDS传感器、PH传感器、报警电路、显示电路、存储模块、键盘输入电路等模块组成。

1 系统结构

多功能容器的系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 系统具体实施方案

2.1 主控模块

采用STC8单片机为控制核心，该系列单片机是不需要外部晶振和外部复位的单片机，是以超强抗干扰、超低价、高速度、低功耗为目标的51单片机。在相同工作频率下，STC8系列单片机比传统的51单片机约快12倍，它是单时钟/机器周期（1T）的单片机，指令代码完全兼容传统51单片机。

2.2 压力测量方案设计

本系统采用了一款专为高精度电子秤而设计的24 位A/D 转换器芯片HX711。与同类型芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强、成本低等优点，硬件电路如图2所示，软件流程图如图3所示。

图2 称重硬件电路图

物体放到压力传感器上会有不同的形变程度，会输出几毫伏的差分信号，该信号通过HX711模块进行电压放大，输出信号送给单片机控制。称重前，首先进行“去皮”即去除溶体本身的重量，然后倒入被测液体，即可测量其净重。

图3 称重软件流程图

2.3 液位测量方案设计

本设计采用超声波液位探测传感器进行液位测距，它具有波长短、绕射现象小、方向性好、定向传播等特点。超声波对液体、固体有很强的穿透力，超声波碰到液体分界面会产生显著反射形成回波，产生多普勒效应。超声波测距有较高的准确性，测量误差小于2毫米。

该传感器型号DS1603，利用超声波穿透技术，把传感器放在容器底部，可穿透8 mm厚度钢板容器，可实现对容器内的液体高度非接触探测，把液体高度值转化成电信号串口输出。与安放在容器上端超声波传感器测量相比，具有测量精度高，实时输出液体高度值，已经广泛应用于饮料生产、家用电器、医疗设备、饮水设备、化工设备、工业自动化、各行业危险液体物品探测。测量原理如图4所示。

图4 液位测量原理

2.4 学习模式设计

液体容器可以记录任意指定溶液TDS、PH值。学习完毕后，可以判断待测溶液的种类，存储数据核心代码如图所示。所测溶液TDS、PH值与已经记录的9组指定溶液依次比较。若TDS误差在50 PPM以内，同时PH误差在0.5以内，则认为是同种液体。存储TDS、PH数据程序如图5所示。自动识别液体种类程序如图6所示。

图5 存储TDS、PH数据程序

图6 自动识别液体种类程序

2.5 TDS测量方案设计

不同溶液的TDS是不同的，所以采用TDS传感器可以对不用的溶液TDS进行采集，通过E2PROM对TDS进行存储，当有液体倒入容器时，只要液体满足存储TDS一定范围之内，会自动显示该液体的种类。

为了避免同种液体采集TDS数值相差过大，系统会在1秒内采集5次TDS数值，对这5次数据进行加权计算，最终得出液体TDS数值。

TDS传感器采用UART串口通信协议，主机连续发送三次“0xFD”，从机回复“0xFD+TDS低字节+TDS高字节+0xFC+0xFD”。TDS数值计算方法：TDS高字节*256 +TDS低字节。

串口2通信核心程序如图7所示，兼容51单片机，包含串口2的初始化和中断程序，主函数发送指令程序。读取TDS流程如图8所示。

图7 串口2程序

图8 读取TDS流程

2.6 盐水浓度测量计算与分析

通过超声波液位传感器、压力传感器模块可以读出溶液的液位和溶液的质量，通过游标卡尺能够读出容器的直径，根据

公式（1）可计算出溶液的密度：

根据公式（2）可以计算出溶液的浓度：

虽然溶质质量不能直接测量，但是经过大量反复的实验，可以得出盐水的密度与浓度成正相关。所以通过对比前后两次溶液的密度值就可以分辨前后两次溶液的浓淡。

为了降低系统误判的概率，还可以同步对前后两次溶液的TDS测量。经过反复测试得出结论，TDS值越高，则溶液浓度越大。如果第一次测量溶液的密度和TDS值均大于第二次，则说明第二次测量的溶液是淡盐水。如果第一次测量溶液的密度大于第二次测量，而第一次测量溶液TDS值小于第二次测量，则系统重新对数据进行采集。

2.7 显示电路

OLED显示模块：本身具有自发光、可视角度大、功耗低的特性。显示区域是128×64的点阵，每个点都能自己发光而不需要背光。可显示汉字、ASCII、图案等，对比度很高，十分美观。支持3 V～5 V直流宽电压供电，采用SPI通信方式，只要4个I/O口就能驱动。

2.8 低功耗休眠模式

STC8休眠模式有采用空闲模式与断电模式，在断电模式下程序指令与定时器同时被冻结，而在空闲模式下程序指令被冻结但定时器不会被冻结。为了实现在低功耗下既保持内部中断不停又准确无误地计时，就需要保证程序指令不被冻结。采用单片机控制OLED字符显示来抑制输出，从而降低整机功耗以达到系统设计的需求。

2.9 水温测量电路设计

本设计采用具有防水结构的水温传感器DS18B20，能够实时测出水温。与此同时，如果水温超过指定温度后可通过继电器切断电路，具有保护功能，如图9所示。本蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于电子产品中作发声器件。本系统所采用的报警模块为5 V有源蜂鸣器模块，电路中采用三极管9012来驱动，只要单片机控制引脚为低电平，蜂鸣器就会鸣叫报警，反之则不鸣叫。

图9 蜂鸣器控制线路

2.10 PH测量方案设计

PH电极通过同轴细缆接口(BNC)输出毫伏信号，然后通过放大电路模块实现信号的放大。电压读取可以选用单片机或者万用表测量。选用标准溶液，记录对应的输出电压，绘制电压与PH值对应关系的标准曲线，如图10所示。将PH电极放入待测溶液中，采集输出电压，根据标准曲线，将输出电压计算为待测溶液的PH值。输出为模拟量信号，转换精度受制于A/D芯片的转换精度，可以采用16位A/D芯片，精度可达0.001。

图10 电压与PH值对应关系的曲线

3 系统软件设计和实验结果

液体容器的主要功能是通过软件编程实现的。该系统先要测量溶液的重量，算出溶液的密度，结合TDS来判断溶液的浓淡。通过记录TDS、PH数值来判断溶液的种类，测量水温来控制溶液的温度。通过学习装置可以自行学习指定溶液种类。系统流程图如图10所示。

图10 系统软件实施方案

该容器调试完毕后，经过测量可以得到以下的测试结果，如表1所示。误差分析：由于溶液不同位置TDS值有所差异，所以误差在0～50 PPM浮动属于正常现象。同时，还要保证TDS传感器清洁，混入其他液体或者杂质均会影响TDS值测量。重量、PH要实现高精度测量，至少选取16位以上A/D转换芯片，例如ADS1110。液位测量要用热熔胶将传感器固定到容器底部，容器底部厚度要小于8 mm，否则影响测量精度。

表1 实验结果

4 结论

在工业自动化生产、生物医学和日常生活中，经常需要对液体重量、液位、密度、浓度、PH、TDS、温度进行测量以满足需求。同时具备一定的学习功能，以便于识别种类功能拓展。本设计采用STC8单片机是高级版本的51单片机，其指令代码完美兼容51单片机，利于工程师后续开发。例如，可利用串口3拓展接入蓝牙模块，通过手机app控制容器的开启与关断，也可将所测数据上传至手机app，实时监测数据，实现物联网功能。

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