基于單片機(jī)的簡易未知液體判斷容器的設(shè)計(jì)

楊玲玲 付厚奎

(武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢：430205)

日常生活、公共場所安檢以及某些專用場合，經(jīng)常會遇到不明液體。在對不明液體化學(xué)成分不清楚的前提下，不能貿(mào)然對其采用聞、嘗、觸等方式進(jìn)行鑒別，因此能夠快速對未知液體進(jìn)行非破壞性鑒別就顯得尤為重要。

本文目標(biāo)為設(shè)計(jì)制作一個能夠快速精確測量液體質(zhì)量、液位以及判斷其類型的簡易多功能液體容器。該容器為容量不小于0.5L、高于20cm、帶有(或自制)液位標(biāo)記的透明塑料容器；可以自動測量給定液體的液位(檢測液位的誤差絕對值≤2mm)、重量等參數(shù)(重量測量絕對誤差的絕對值≤1g)；可判別給定液體的種類(如純凈水、鹽水、牛奶、白醋等)；可顯示測量數(shù)據(jù)。針對以上要求，很好地完成了對多功能液體容器的設(shè)計(jì)，且測試結(jié)果達(dá)到要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用SCT15單片機(jī)作為主控芯片，該芯片相比傳統(tǒng)51單片機(jī)有更多的外設(shè)資源，同時價(jià)格比STM32便宜，且完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，因此性價(jià)比最高，具有更好的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，容器中待測液體的液位和質(zhì)量分別由對應(yīng)的探測器測得后，將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)主控系統(tǒng)。單片機(jī)主控系統(tǒng)通過算法計(jì)算判斷待測液的種類，最后經(jīng)由單片機(jī)輸出結(jié)果到顯示器上，顯示位置液體的液位、質(zhì)量及種類。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 稱重測量電路設(shè)計(jì)

液體稱重測量電路如圖2所示，主要由橋式壓力傳感器和24位精密AD轉(zhuǎn)換器芯片HX711組成。由于橋式傳感器輸出的信號很微弱，因此將其差分輸出信號接入可編程增益最大為128的通道A。串口通訊線PD_SCK和DOUT與主控芯片相連，用來輸出數(shù)據(jù)，選擇輸入通道和增益。當(dāng)數(shù)據(jù)輸出管腳DOUT為高電平時，表明A/D轉(zhuǎn)換器還未準(zhǔn)備好輸出數(shù)據(jù)，此時串口鐘輸入信號PD_SCK應(yīng)為低電平。當(dāng)DOUT從電平變低電平后，PD_SCK應(yīng)輸入25至27個不等的時鐘脈沖。其中第一個時鐘脈沖的上升沿將讀出輸出24位數(shù)據(jù)的最高位(MSB)，直至第24個時鐘脈沖完成，24位輸出數(shù)據(jù)從最高位至最低位逐位輸出完成。第25至27個時鐘脈沖用來選擇下一次A/D轉(zhuǎn)換的輸入通道和增益。此外，電路中的三極管Q1主要用于關(guān)斷傳感器和ADC電源。

圖2 液體稱重電路及接口設(shè)計(jì)

2.2 液位測量電路設(shè)計(jì)

液位的測量無論是在工業(yè)生產(chǎn)中還是在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中，應(yīng)用都極為廣泛[1]。目前，液位的測量的方法可分為接觸式和非接觸式兩種[2]。非接觸式測量方法典型傳感器為超聲波液位計(jì)[2-5]和激光液位計(jì)[6-8]?？紤]到系統(tǒng)還需要測量液體質(zhì)量，且檢測液位的誤差絕對值≤2mm，因此本設(shè)計(jì)選用精度高、體積小的激光測距模塊實(shí)現(xiàn)液位的測量。通過對激光相位差的測量，感知液位的距離，測量精度可達(dá)1mm。

激光測量液位模型如圖3所示，激光測距模塊固定安裝在量筒正上方，先測得激光器距離量筒底的距離L1，待量筒倒入待測液后再測得激光器距離液面的距離L2，即可得到液面高度L=L1-L2。

圖3 激光測液位模型

激光測距模塊與主芯片的接口設(shè)計(jì)如圖4所示。TXD數(shù)據(jù)發(fā)送連接主芯片P1.1口，RXD數(shù)據(jù)接收連接主芯片P1.2口。激光測距對透明液體的測量具有局限性，解決方案為在待測液上放置不透明漂浮物，只要在程序中對漂浮物的厚度進(jìn)行修正即可。

圖4 激光測距模塊與主芯片的連接

2.3 總電路設(shè)計(jì)

多功能液體容器的總電路圖如圖5所示。液位、液重和液體類型顯示選用LCD12864，剛好安裝在所設(shè)計(jì)的PCB板上，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)模塊電路的最小化。

圖5 總電路圖

3 理論分析與軟件設(shè)計(jì)

3.1 不同液體區(qū)分設(shè)計(jì)

簡易多功能液體容器要求能區(qū)分不同濃度的鹽水，表1為實(shí)驗(yàn)測得相同質(zhì)量不同濃度的鹽水在同一容器中的液位高度，從表中數(shù)據(jù)可以看出200克不同濃度的鹽水高度差達(dá)1mm，對于本設(shè)計(jì)中使用的激光測距模塊而言，其精度能夠?qū)?mm進(jìn)行辨識。因此，只要合理設(shè)計(jì)軟件程序便可對不同濃度的鹽水進(jìn)行自動識別，并顯示在屏幕上。

表1 室溫下相同質(zhì)量不同濃度的鹽水在同一容器中的液位高度(單位：cm)

本系統(tǒng)還要求能分辨純凈水、鹽水、牛奶、白醋四種溶液。由于不同種類的物質(zhì)其密度一般也不同，所以可以認(rèn)為物質(zhì)種類與其密度是一一對應(yīng)的，通過測量液體密度能夠大致推測其種類。

密度表達(dá)式為

其中，m為液體的質(zhì)量，v為液體的體積，由于v=Sh(S為容器的橫截面積，h為液體高度)，在多功能液體容器橫截面積固定的前提下，對液體密度的測量轉(zhuǎn)換為求m/h的比值。

結(jié)合上所述，先用實(shí)驗(yàn)的測量得到不同液體以及不同濃度的液體質(zhì)量與高度值，即可擬合得到液體質(zhì)量與高度的關(guān)系，最后通過軟件編程即可實(shí)現(xiàn)對這四種溶液的類型判斷。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原理分析及設(shè)計(jì)好的硬件電路，在KEIL MDK5.0環(huán)境下使用C語言進(jìn)行軟件編程，對系統(tǒng)進(jìn)行軟件調(diào)試。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。電源接通后稱重傳感器首先去毛重，測試按鍵按下開始測量，稱重傳感器和激光測距儀將數(shù)據(jù)傳遞給主控芯片，主控芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷液體濃度和類型，最終在顯示屏上顯示液位、液重和液體類型。顯示完后結(jié)束主程序，等待下次按鍵測量。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)物制作及測試

完成整個系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后，自制核心電路印制電路板，實(shí)現(xiàn)的簡易多功能液體容器實(shí)物如圖7所示。該系統(tǒng)有兩個開關(guān)，一個是電源開關(guān)，安裝在測量裝置的背面，正面的開關(guān)為測試按鈕，通電后只需要按下該按鈕便可直接從顯示屏中得到液重、液位高度和液體類型等參數(shù)，測試方法簡便快捷。

圖7 簡易多功能液體容器實(shí)物

表2為不同液體不同參考值下的測試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值的對比。從表2中可以看出，液重測量的絕對誤差不超過±0.7g，液位測量的絕對誤差控制在±0.8mm。結(jié)果顯示界面如圖8所示。

表2 不同液體不同參考值下的測試結(jié)果

圖8 顯示屏顯示結(jié)果

經(jīng)過對簡易多功能液體容器實(shí)物進(jìn)行測試，很好地實(shí)現(xiàn)了對項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各個功能要求，且誤差控制在指標(biāo)內(nèi)。

5 結(jié)語

本文基于SCT15單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個簡易多功能液體容器，能夠快速對液體的質(zhì)量和液位進(jìn)行精確測量，并將結(jié)果直接顯示在顯示屏上。整個測量和鑒別對液體沒有任何破壞且無需人體直接接觸，能夠有效解決日常生活、公共場所安檢以及某些專用場合中對不明液體進(jìn)行無接觸、非破壞測量和判別的應(yīng)用需求。