基于压电感应发光的不透明容器储量显示

赵英杰，郝惠姣，沈月，李宏

(1.华北理工大学 信息工程学院，河北 唐山 063000；2.华北理工大学 理学院，河北 唐山 063000)



基于压电感应发光的不透明容器储量显示

赵英杰1，郝惠姣1，沈月1，李宏2

(1.华北理工大学 信息工程学院，河北 唐山 063000；2.华北理工大学 理学院，河北 唐山 063000)

储量测量；压力传感器；单片机

针对化工厂大量使用不透明容器存储物料，而不透明容器又不易准确测量储量问题，采用压电感应与控制技术对不透明容器内液体储量进行测量。该测量装置由压电式压力传感器、信号传输电路、显示装置、单片机控制系统组成。该系统具有自动的储量显示和实时检测功能。

0 引言

随着我国科技的不断发展，化工厂对试剂的保存要求日益严格，储存容器防止阳光照射及室温偏高造成试剂变质、失效的作用至关重要[1]。透明容器在化工厂中不具有良好保存化学物质的功能，因此不透明密闭容器在化工厂中成为不可或缺的工具之一，但不透明容器不易测量物质储量，导致生产效率低下，测量不透明容器储量成为当前一大难题。

在我国，有采用传感器外贴与被测液体非接触测量方式的雷达回波测距的超声波液位计[2 3]，是液位测量史的一项重大革新。但超声波液位计具有体积较大、操作复杂、价格昂贵、不易维修的特点，且测量有局限性，不易得到普及。

该项目进行了基于压电感应发光的不透明容器储量显示的研究，提出了液位测量新方法，即一种可广泛应用的压电感应技术[4]，可以方便准确地测出不透明容器中物质储量，并具有成本低、易于普及和应用前景广阔的特点。

1 测量原理

基于压电感应发光的不透明容器储量显示的研究是通过向不透明容器中加物质(固态或液态)对压电材料施加压力，从而使传感器发生形变，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷，这样会使激励电压发生改变，从而输出一个不断变化的模拟信号。如图1所示，此信号再经由放大电路放大之后输入模数转换器，转换成方便进行处理的数字信号(压电材料产生的电荷量与压力大小成正比)。通过单片机，对压电感应器传来数字信号进行处理，以此来调控不同颜色的LED灯亮灭，来显示容器内物质的储量(该项目以测量液体为主)。通过计算机编程，控制不同颜色的LED灯，例如红灯，对应发出提示音，提示音为该物质的储量。通过对本试验的研究，可以准确地测出不透明容器中物质的储量，推广到化工领域用于测量不透明容器的物质储量。

图1　测量原理框图

2 研究方案

2.1总体方案

基于压电感应原理测量不透明容器储量，在精准和实用的前提条件下采用如下方案实现最终效果：

(1)采用压力传感器在施加压力发生形变的情况下产生电信号的特性；

(2)电流放大器放大微弱电流；

(3)AD 转换器把模拟信号转换为数字信号；

(4)通过单片机编程控制不同颜色LED灯发光，来显示容器内物质储量。

2.2详细设计

2.2.1硬件设计

硬件由HL-8型传感器、HX711 AD转换芯片、单片机STC89C52RC控制系统组成。

(1)HL-8型传感器

采用HL-8型传感器,其参数如表1所示：

表1　HL-8型传感器的主要参数

图2所示为HL-8型传感器受力方式。

图2　HL-8型传感器受力方式

图3所示为HL-8型传感器连接方式。

红+(输入+)、白-(输出-)、黑-(输入-)、绿+(输出+)，引出线为四芯，为确保精度，一般不要调整线长。

图3　线路连接图

(2)HX711 AD转换芯片

HX711是一款专为高精度传感器而设计的24位A/D转换器芯片，HX711内部方框图如图4所示。该芯片集成包括稳压电源、片内时钟振荡器等外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点，可降低成本，并可提高整体的性能和可靠性。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关在通道A或通道B中可任意选择，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64。通道B为固定的32增益，用于系统参数检测。芯片可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供稳压电源，无需在系统板上另外设置模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。

图4　HX711内部方框图

(3)单片机STC89C52RC

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟机器周期和6时钟机器周期可以任意选择。它的主要优点如下：

a.支持STC的2线制下载方式，下载程序更方便，无需使用ISP下载器；

b.支持6T模式(在6T模式下，6个时钟周期就是一个机器周期)；

c.片内集成了4 kB容量的EEPROM；

d.带有P4口，具有更多的I/O口；

e.程序存储器拥有更多的擦写寿命；

f.适合初学者学习，价格便宜。

2.2.2软件设计

程序设计的理论依据，对于传感器有：

Q=kSp

(1)

式(1)中Q为电荷量；k为压电常数；

S为作用面积；p为压力。

由(1)式可得：

u=kM

(2)

式(2)中u为传感器的输出电压；M为物质质量。由(2)式知：u与M成线性关系，如图5所示。

图5　u与M的线性关系

考虑到运算放大器有：

U=A*u

(3)

式(3)中A为运算放大器放大倍数；U为运算放大器的输出电压。

M=ρ*V

(4)

式(4)中M为物质质量；ρ为物质密度；V为物质体积。

综合(1)～(4)式可得：

V=U/(A*k*ρ)=u/(k*ρ) (5)

当0

u2

根据上述理论，给出测试程序图如图6所示。

图6　测试程序图

3 实验测试

(1)实验装置及电路连接

该测量装置由压电式压力传感器、AD转换装置、信号传输电路、显示装置、单片机控制系统组成，如图7所示。

图7　实验装置及电路连接图

(2)电压与压力(物质质量)关系

表2所示为电压与压力(物质质量)的测试结果。

表2　电压与压力(物质质量)的测试结果

由于测量精度不够，以及测量时电信号跳变，仅出现了跳变数值1～2个。总体看来，传感器所受压力与产生电信号符合线性变化。

(3)实验改进计划

a.实验中各变量之间关系计算较粗糙，具体到实践应用时，还需根据具体情况再作精确测量和计算；

b.本实验中各元器件较为精简，也可换作更加先进、功能更加全面的部件；

c.实验中测量梯度设置较少，工厂实际应用时应设定更多、更精确的度量值；

d.可以通过另加一些器件来实现更加优越的功能，如加1个液晶显示器来精确显示当前液体的体积；

e.因为没有经过实践检验以及繁琐的数据测量，实验可能存在一些误差，故需加以改进。

4 结论

(1)本项目采用压电感应与控制技术，实现了对不透明容器储量的测量和显示。

(2)鉴于该项成果可望应用于化工厂等领域，故还需要进一步开展实验研究，以保证整个系统性能的稳定性和精确度。

[1]徐凤芹. 常用化学试剂的安全存放及分类管理[J].赤峰学院学报(自然科学版), 2008, 01: 53.

[2]苏菲，李竞武. 微波(雷达)液位计的比较与工程选用[J].石油化工自动化, 2009,(4): 19-22.

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

[4]叶湘滨，熊飞丽，张文娜，等. 传感器与测试技术[M].第一版，北京，国防工业出版社，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