基于MSP430控制的简易多功能液体检测仪设计*

张桂红

(武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065)

液体检测在很多领域都有应用，目前市面上的检测仪大多可以检测易燃易爆液体，被广泛应用于车站、地铁、机场、公检法政府机构、大型运动会等场所的安检工作[1]。国际上有多种液体检测技术，如拉曼光谱法，即发射一束激光到液体，根据不同物质反射回来的光谱特征不同来区分液体种类。目前我国地铁应用最为广泛的是“准静态计算机断层扫描技术”，它通过测定待测液体的介电常数和电导率，来判断该液体是否具有易燃易爆性，安全液体和危险液体的介电常数和电导率相差较大。本项目则采用TI公司的MSP430单片机作为核心控制部件，设计了一个多功能液体检测仪，可自动测量液体的液位、重量，可判别液体的种类，也可对液体是否安全做出判断，具有一定的应用价值。

1 系统方案

本文介绍了一种基于MSP430控制简易多功能液体检测系统的可行方案。本系统采用超声波测距模块检测液体液位，重量传感模块检测液体重量，PT100温度传感模块对液体特征检测模块进行温度补给，结合光电传感器分辨液体种类，数据经过ADS1220AD转换，送到单片机处理，按键启动后，通过传感器检测相关信号，可以在单片机实时显示液位、重量等信息，并可判别液体种类。系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2 理论分析与计算

2.1 液位检测分析与计算

液位检测部分采用HC-SR04超声波测距模块。该模块自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回；一旦有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间T，高电平时间与液位高度S成正比，即：

液位高度S=(高电平时间*声速/2)=170*T

误差分析：超声波测距的误差是由超声波的传播速度和时间引起的，是不可避免的，但可以在软件上利用递推中位值法消除超声波的误差，此方法使检测液位更精准。

2.2 液体重量测量分析

采用应变片双臂半桥检测液体重量，如图2所示。双臂半桥由4个电阻构成，当相邻桥臂电阻发生变化，且在电桥输出端的负载电阻无限大时，电桥输出电压可表示为：

(1)

图2 双臂半桥结构

采用HX711A/D转换芯片。HX711是一款高精度的24位A/D转换器芯片，该芯片集成了稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点，降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。

2.3 液体特征分析与计算

TDS(Total Dissolved Solids)，中文名为总溶解固体，表明1升水中溶有多少毫克溶解性固体。一般来说，TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多，说明液体特征不同。因此，TDS值的大小，可以作为分辨纯净水、盐水、牛奶、白醋、白糖水的依据之一。溶液电导率不同[2]，被测溶液电极输出电压不同。通过测试电极对应电压与NTU值，可以拟合出TDS标准曲线，如图3所示。

拟合公式为：

Y=66.71X3-127.93X2+428.7X

(2)

图3 标准TDS曲线图

将所测的TDS值送入ADS1220AD采集模块中，ADS1220是一款精密24位模数转换器(ADC)，所集成的多种特性能够降低系统成本，并减少小型传感器信号测量应用中的组件数量。此器件能够以高达2000次/秒(SPS)采样数据速率执行转换。ADS1220抗干扰能力强，环境因素影响小，可在-40～125℃温度范围内正常工作。其不仅集成度高，而且还具有1.8～5.5V较宽的工作电压，并集成了一个精密温度传感器，通过将配置寄存器的TS位置1可使能温度传感器模式。在温度传感器模式下，配置寄存器0的设置不产生任何影响，该器件使用内部基准进行测量。

3 液体检测仪主要硬件电路设计

3.1液体特征检测电路

电源经过芯片CD4060内部振荡产生方波(交流信号)，由芯片7号脚输出，信号进入LM324①运放的反相输入端，略微放大后，输出信号经过电极检测溶液电导率，检测完后输出信号进入LM324②运放的反相输入端，放大后接由LM324③④运放构成的整流电路[3]，将方波交流信号转变为只有正半轴的半方波信号，后经过二阶低通滤波消除干扰信号，转化为可供单片机采集的直流信号。液体特征检测电路如图4所示。

液体检测通过测量液体中的溶解性固体含量差异来判别液体种类。液体的溶解性固体含量的测量原理是将相互平行且距离是固定值L的两块极板(或圆柱电极)放到被测溶液中，在极板的两端加上一定的电势，为了防止探头极化，延长探头寿命，同时也为了增加输出信号的稳定性，激励源通常采用交流电压，频率为 1～5 kHz。在本设计中，通过ME206A30M3G低压差线性稳压管将输入电压降为3V，由于CD4060BM及运放需要双电源供电，所以采用TPS60400DBVR将3V电压转换为-3V提供双供电。在电路设计中选用CD4060产生2.84KHz方波信号经运放衰减后驱动TDS传感器。由CD4060器件手册知：

图4 液体特征检测电路

R12=2R11～10R11

故选择R11=10K，C10=1nF,R12=100K输出信号由CD4060的7号管脚分频输出，输出峰峰值为6V、频率为2.84KHz的方波到LM324，再经反相比例电路衰减，输出峰峰值为 500mV的方波信号经测量电极一端到溶液中。交流方波信号经溶液后，从电极另一端输入到由LM324运放构成的反相比例放大电路中，溶液不同，输入到 LM324 的信号大小不同，且溶液电导率越大，电压越小。然后信号经过半波整流和滤波电路，将交流方波信号转换为直流电压信号，根据该直流电压大小判断电导率大小，进而判断溶液种类。

3.2 PT100温度传感电路

温度传感器利用热敏元件的电阻参数随温度的变化而变化的特性，温度变化转换为电压变化，单片机只需检测热敏电阻的阻值变化达到测量温度的目的。热敏电阻两端电压送到同相比例放大电路[4]放大后，送到单片机进行处理。电路结构如图5所示。

由于液体的溶解性固体含量的测量中受温度影响较大，故增加温度测量模块，本模块采用Pt100热敏电阻电阻值随着温度的变化而变化的特征，测量由固定电阻R1和Pt1000串联电路中，Pt100上电压值的大小换算出实际温度。在本设计中，选用的固定电阻R1为1k，当温度从0～50℃范围内变化时，Pt100电阻变化范围为100～119.5Ω，电压变化范围为0.3～0.35V。为了适应单片机AD最大3.3V输入电压量程范围，设计了同相放大电路放大9倍。

图5 PT100温度传感电路

4 系统软件设计

单片机MSP430F5529上电后，系统进行初始化，按下测量启动按键，先经温度传感器检测水温，进行温度补偿，后经超声波检测液体液位，再经重量传感器检测液体重量，若按键值为1，则分辨液体种类并显示液体液位、重量及种类，若不为1，直接显示液位和重量。程序流程图如图6所示。

5 测试方案与测试结果

5.1 测试仪器

测试仪器如表1所示。

5.2 测试方案

(1)上电前检查：通过目测检查电路是否连接正确，再利用万用表检查电路是否虚焊，并且检查电源和地之间是否短路。

(2)通电调试：连接电源，利用万用表检查芯片各管脚的直流电位是否正确，并可用手触摸芯片是否有发热现象。

(3)启动单片机，用codecamputerstuden8.0.0检查软件编程是否正确，按照设计要求逐步进行功能测试。

图6 程序流程框图

表1测试仪器表

仪器名称型号参数用途直流电源GPS-3303C3.3V为单片机和模块提供电源数字示波器GDS-2102E带宽200MHz,四通道5GS/S采样用于测量液体特征检测电路,比较不同液体经过电路产生的波形数字万用表UT151F200mV～1000V测量芯片管脚电压值

5.3 测试结果

不同液体液位、液重测试数据如表2所示，液体特征分辨测试数据如表3所示。

由表2和表3可知，本设计可检测200～500mL的不同液体的液位和重量，液位测量绝对误差值小于2mm，重量测量绝对误差值小于1g；同时能够区分不同浓度的盐水，且可显示盐水浓淡；还能根据液体特征分辨出纯净水、盐水、牛奶、白醋和白糖水的种类，并能实时显示液体名称。

表2 不同液体液位、液重测试数据

表3 液体特征分辨测试数据

6 总结

本设计制作了一个简单、新颖的简易多功能液体检测仪。该检测仪可以一键测量，同时可在OLED显示屏实时显示被测液体的液位、重量、种类等信息，具有反应速度快、测量准确、体积小、功耗低等优点，可应用于旅游、餐饮、交通安检等行业。