基于壓電感應(yīng)發(fā)光的不透明容器儲(chǔ)量顯示

趙英杰，郝惠姣，沈月，李宏

(1.華北理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，河北 唐山 063000；2.華北理工大學(xué) 理學(xué)院，河北 唐山 063000)

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基于壓電感應(yīng)發(fā)光的不透明容器儲(chǔ)量顯示

趙英杰1，郝惠姣1，沈月1，李宏2

(1.華北理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，河北 唐山 063000；2.華北理工大學(xué) 理學(xué)院，河北 唐山 063000)

儲(chǔ)量測(cè)量；壓力傳感器；單片機(jī)

針對(duì)化工廠大量使用不透明容器存儲(chǔ)物料，而不透明容器又不易準(zhǔn)確測(cè)量儲(chǔ)量問題，采用壓電感應(yīng)與控制技術(shù)對(duì)不透明容器內(nèi)液體儲(chǔ)量進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)量裝置由壓電式壓力傳感器、信號(hào)傳輸電路、顯示裝置、單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)具有自動(dòng)的儲(chǔ)量顯示和實(shí)時(shí)檢測(cè)功能。

0 引言

隨著我國科技的不斷發(fā)展，化工廠對(duì)試劑的保存要求日益嚴(yán)格，儲(chǔ)存容器防止陽光照射及室溫偏高造成試劑變質(zhì)、失效的作用至關(guān)重要[1]。透明容器在化工廠中不具有良好保存化學(xué)物質(zhì)的功能，因此不透明密閉容器在化工廠中成為不可或缺的工具之一，但不透明容器不易測(cè)量物質(zhì)儲(chǔ)量，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，測(cè)量不透明容器儲(chǔ)量成為當(dāng)前一大難題。

在我國，有采用傳感器外貼與被測(cè)液體非接觸測(cè)量方式的雷達(dá)回波測(cè)距的超聲波液位計(jì)[2 3]，是液位測(cè)量史的一項(xiàng)重大革新。但超聲波液位計(jì)具有體積較大、操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴、不易維修的特點(diǎn)，且測(cè)量有局限性，不易得到普及。

該項(xiàng)目進(jìn)行了基于壓電感應(yīng)發(fā)光的不透明容器儲(chǔ)量顯示的研究，提出了液位測(cè)量新方法，即一種可廣泛應(yīng)用的壓電感應(yīng)技術(shù)[4]，可以方便準(zhǔn)確地測(cè)出不透明容器中物質(zhì)儲(chǔ)量，并具有成本低、易于普及和應(yīng)用前景廣闊的特點(diǎn)。

1 測(cè)量原理

基于壓電感應(yīng)發(fā)光的不透明容器儲(chǔ)量顯示的研究是通過向不透明容器中加物質(zhì)(固態(tài)或液態(tài))對(duì)壓電材料施加壓力，從而使傳感器發(fā)生形變，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會(huì)產(chǎn)生電荷，這樣會(huì)使激勵(lì)電壓發(fā)生改變，從而輸出一個(gè)不斷變化的模擬信號(hào)。如圖1所示，此信號(hào)再經(jīng)由放大電路放大之后輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成方便進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)(壓電材料產(chǎn)生的電荷量與壓力大小成正比)。通過單片機(jī)，對(duì)壓電感應(yīng)器傳來數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，以此來調(diào)控不同顏色的LED燈亮滅，來顯示容器內(nèi)物質(zhì)的儲(chǔ)量(該項(xiàng)目以測(cè)量液體為主)。通過計(jì)算機(jī)編程，控制不同顏色的LED燈，例如紅燈，對(duì)應(yīng)發(fā)出提示音，提示音為該物質(zhì)的儲(chǔ)量。通過對(duì)本試驗(yàn)的研究，可以準(zhǔn)確地測(cè)出不透明容器中物質(zhì)的儲(chǔ)量，推廣到化工領(lǐng)域用于測(cè)量不透明容器的物質(zhì)儲(chǔ)量。

圖1　測(cè)量原理框圖

2 研究方案

2.1總體方案

基于壓電感應(yīng)原理測(cè)量不透明容器儲(chǔ)量，在精準(zhǔn)和實(shí)用的前提條件下采用如下方案實(shí)現(xiàn)最終效果：

(1)采用壓力傳感器在施加壓力發(fā)生形變的情況下產(chǎn)生電信號(hào)的特性；

(2)電流放大器放大微弱電流；

(3)AD 轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

(4)通過單片機(jī)編程控制不同顏色LED燈發(fā)光，來顯示容器內(nèi)物質(zhì)儲(chǔ)量。

2.2詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1硬件設(shè)計(jì)

硬件由HL-8型傳感器、HX711 AD轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)STC89C52RC控制系統(tǒng)組成。

(1)HL-8型傳感器

采用HL-8型傳感器,其參數(shù)如表1所示：

表1　HL-8型傳感器的主要參數(shù)

圖2所示為HL-8型傳感器受力方式。

圖2　HL-8型傳感器受力方式

圖3所示為HL-8型傳感器連接方式。

紅+(輸入+)、白-(輸出-)、黑-(輸入-)、綠+(輸出+)，引出線為四芯，為確保精度，一般不要調(diào)整線長。

圖3　線路連接圖

(2)HX711 AD轉(zhuǎn)換芯片

HX711是一款專為高精度傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，HX711內(nèi)部方框圖如圖4所示。該芯片集成包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可降低成本，并可提高整體的性能和可靠性。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程簡單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)在通道A或通道B中可任意選擇，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64。通道B為固定的32增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)。芯片可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)壓電源，無需在系統(tǒng)板上另外設(shè)置模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡化了開機(jī)的初始化過程。

圖4　HX711內(nèi)部方框圖

(3)單片機(jī)STC89C52RC

單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘機(jī)器周期和6時(shí)鐘機(jī)器周期可以任意選擇。它的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

a.支持STC的2線制下載方式，下載程序更方便，無需使用ISP下載器；

b.支持6T模式(在6T模式下，6個(gè)時(shí)鐘周期就是一個(gè)機(jī)器周期)；

c.片內(nèi)集成了4 kB容量的EEPROM；

d.帶有P4口，具有更多的I/O口；

e.程序存儲(chǔ)器擁有更多的擦寫壽命；

f.適合初學(xué)者學(xué)習(xí)，價(jià)格便宜。

2.2.2軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，對(duì)于傳感器有：

Q=kSp

(1)

式(1)中Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；

S為作用面積；p為壓力。

由(1)式可得：

u=kM

(2)

式(2)中u為傳感器的輸出電壓；M為物質(zhì)質(zhì)量。由(2)式知：u與M成線性關(guān)系，如圖5所示。

圖5　u與M的線性關(guān)系

考慮到運(yùn)算放大器有：

U=A*u

(3)

式(3)中A為運(yùn)算放大器放大倍數(shù)；U為運(yùn)算放大器的輸出電壓。

M=ρ*V

(4)

式(4)中M為物質(zhì)質(zhì)量；ρ為物質(zhì)密度；V為物質(zhì)體積。

綜合(1)～(4)式可得：

V=U/(A*k*ρ)=u/(k*ρ) (5)

當(dāng)0

u2

根據(jù)上述理論，給出測(cè)試程序圖如圖6所示。

圖6　測(cè)試程序圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

(1)實(shí)驗(yàn)裝置及電路連接

該測(cè)量裝置由壓電式壓力傳感器、AD轉(zhuǎn)換裝置、信號(hào)傳輸電路、顯示裝置、單片機(jī)控制系統(tǒng)組成，如圖7所示。

圖7　實(shí)驗(yàn)裝置及電路連接圖

(2)電壓與壓力(物質(zhì)質(zhì)量)關(guān)系

表2所示為電壓與壓力(物質(zhì)質(zhì)量)的測(cè)試結(jié)果。

表2　電壓與壓力(物質(zhì)質(zhì)量)的測(cè)試結(jié)果

由于測(cè)量精度不夠，以及測(cè)量時(shí)電信號(hào)跳變，僅出現(xiàn)了跳變數(shù)值1～2個(gè)?？傮w看來，傳感器所受壓力與產(chǎn)生電信號(hào)符合線性變化。

(3)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)計(jì)劃

a.實(shí)驗(yàn)中各變量之間關(guān)系計(jì)算較粗糙，具體到實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，還需根據(jù)具體情況再作精確測(cè)量和計(jì)算；

b.本實(shí)驗(yàn)中各元器件較為精簡，也可換作更加先進(jìn)、功能更加全面的部件；

c.實(shí)驗(yàn)中測(cè)量梯度設(shè)置較少，工廠實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)設(shè)定更多、更精確的度量值；

d.可以通過另加一些器件來實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)越的功能，如加1個(gè)液晶顯示器來精確顯示當(dāng)前液體的體積；

e.因?yàn)闆]有經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)以及繁瑣的數(shù)據(jù)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)可能存在一些誤差，故需加以改進(jìn)。

4 結(jié)論

(1)本項(xiàng)目采用壓電感應(yīng)與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不透明容器儲(chǔ)量的測(cè)量和顯示。

(2)鑒于該項(xiàng)成果可望應(yīng)用于化工廠等領(lǐng)域，故還需要進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)研究，以保證整個(gè)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和精確度。

[1]徐鳳芹. 常用化學(xué)試劑的安全存放及分類管理[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 01: 53.

[2]蘇菲，李競武. 微波(雷達(dá))液位計(jì)的比較與工程選用[J].石油化工自動(dòng)化, 2009,(4): 19-22.

[3]John M Bacon.The Changing World of Level Measurement[J].Intech,1996,(6): 37-39.

[4]葉湘濱，熊飛麗，張文娜，等. 傳感器與測(cè)試技術(shù)[M].第一版，北京，國防工業(yè)出版社，2007: 166.

Reserves Display of Opaque Container Based on Electroluminesence of Piezoelectric Sensors

ZHAO Ying-jie1, HAO Hui-jiao1, SHEN Yue1, LI Hong2

(1.College of Information Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009,China;2.College of Science, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009,China)

reserves measurement; pressure sensor; singlechip

Aiming at the problem of the extensive use of opaque containers in chemical plants to storage material and the difficulty of accurate measurement of reserves. Liquid reserves in opaque container was measured by piezoelectric sensors control technology. The measuring device is composed of a piezoelectric pressure sensor, signal transmission circuit, a display device and single-chip microcomputer control system. The system has functions of automatic reserves display and real-time detection.

2095-2716(2016)03-0070-06

TH715.3

A