简易多功能液体容器的分析与设计

王然升

摘 要：工业生产和日常生活中经常需要实现对容器中的液体参数进行测量，如液体重量、液体液面高度、液体种类、液体浓度等，以实现生产自动化和智能化的需要。本文从2019年全国大学生电子设计竞赛的K题出发对多功能液体容器进行分析与设计，本论文以STC89C52RC为单片机，利用变阻应变式压力传感器对液体进行称重，利用超声波传感器测量液面高度、再利用PH传感器、光电传感器中的光电对管对液体种类进行区分，文中进行了详细的系统分析和方案论证，以及各种传感器的工作原理和工作方法，在生产生活中有一定的借鉴意义。

关键词：STC89C52RC;超声波传感器;PH值传感器

1 系统分析

本设计要求的容器需要具备一定的容量（容量≥0.5L、液位高度≥20cm），并能够自动测量给定容器中液体的重量、液面高度，并能判别出给定液体的种类（纯净水、白糖水、盐水、牛奶、白醋等），并要求系统能检测出浓盐水和淡盐水，容器中液体重量可以利用电阻应变式压力传感器和AD转换芯片进行测量，电阻应变式压力传感器和AD转换芯片是构成电子称的重要部件，设计时可以通过编程控制单片机和这两个部件来制作一个精度较高的电子秤实现对液体的称重。AD转换芯片HX711是一个24位高精度芯片，专门为精密电子秤设计的，特点是具有两路模拟通道输入，内部集成可编程增益放大器达128倍，能够为设计高精度的电子秤提供条件。经实验验证超声波不仅遇到固体表面能发生发射，遇到液体也能发生反射，液面高度测量正是利用超声波遇到容器内容液體表面发生发射这个特点进行测量的。液体种类的分辨需要用到多个传感器。从外观上看牛奶区别于其他几种液体的特点是不透光，可以采用光电传感器中的光电对管进行检测，光电对管是红外线发射二极管与光敏接收二极管的总称，红外线发射二极管发射红外线如果光敏接收二极管接收不到则表明该液体是牛奶。再分析纯净水、白糖水、盐水、白醋这四种液体的特性，其中白醋的PH值范围为2～3，纯净水、盐水和白糖水的PH值接近都大约为7，可以利用PH值传感器测量液体PH值的办法辨别出白醋来。纯净水、盐水和糖水的区别是液体密度不同，可以利用容器中液体的重量和液位高度判断出出液体的密度，进一步分辨出不同的液体，经过上述分析可得系统框图如图1所示：

2 硬件选取

系统设计中对各类单片机和各类传感器进行了分析比较，最终确定利用具备在线编程的STC89C52RC作为该系统的单片机，此单片机是8位机，内部集成了256字节RAM和4K字节ROM，具备这些资源对于本设计来说已经够用。

系统采用 LCD12864 作为显示器，其特点是体积小、功耗低、不仅能显示字符，还能显示汉字。电阻应变式压力传感器用于称重，传感器采集到的模拟信号经24位A/D转换器芯片HX711转换成数字信号经单片机数据处理后就能得到被称液体的重量，采用这种方能较好的提高系统的可靠性。US-100超声波模块用于测距，可实现最小2cm，最大4.5m的非接触距离的测量，输入电压范围为2.4-5.5V，静态功耗小，自带的温度传感器可以对测距结果进行检验，同时具有GPIO、串口等多种通信费方式，自带看门狗，工作稳定可靠。

3 各传感器的工作原理分析

3.1 称重传感器

压力传感器上下表面各有一个电阻应变片，每个应变片里有2个压力电阻，一共4个压力电阻，组成全桥式电路，这样能够保证所测的精度，见上图2。

3.2 超声波传感器

超声波传感器模块的电气参数如表1所示：

液位高度的测量采用的是间接法。如图3所示，设超声波传感器与容器底部的距离为H，这是一个预先测量值，超声波传感器可以测量出自身与液面的距离为L，进而计算出液面高度为h=H-L。超声波传感器的换能器发出高频超声波脉冲遇到被测液体表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。超声波脉冲的传播速度为声速，从发射到接受到超声波脉冲所需时间与换能器到液面的距离成正比。此距离值L与声速C和传输时间T之间的关系表示为：L=C×T/2。

因超声波测距要经过超声波的反射过程，该液体容器的结构是圆柱形的，圆柱形的内壁反射的超声波会干扰传感器的测量结果，使测量误差较大。在放置超声波传感器时要选择合适的位置。经验证将传感器放在液体容易上口边沿的位置效果较理想。

3.3 光电传感器

红外对管是红外线发射管与光敏接收管的总称。因牛奶是混合物，具有不透光的特点，红外线发射管发射的红外线经过牛奶后无法让光敏接收管接收，而其他液体是透明的，光敏接受管能够接受到红外线，据此能判断出牛奶。

3.4 PH值传感器

在PH值传感器内部的放大器是一个能通过数据采集器检测PH电极的标准电路。传感器连接线的末端是一个BTA插头或5针的DIN插头与数据采集器连接，在PH缓冲液中，它将产生一个1.75伏特的电压。PH值每增加1，电压增加0.25伏。白醋的PH值为2～3通过PH值传感器得到的电压值小于1.75伏，可以判断该溶液为醋。

4 软件设计思路

系统要实现的功能为：（1）显示液面高度、液体重量、液体的浓度。（2）判断液体的种类。（3）区分高低浓度的盐水。（4）区分纯净水、盐水、牛奶、白醋。（5）区分纯净水和糖水。可以基于此要求设计系统工作流程。

5 测试方案与测试结果

5.1 测试条件与仪器

测试条件：反复检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图吻合，且检查无误，硬件电路无漏焊、虚焊现象。

仪器选择：高精度电子称、钢尺。

5.2 测试过程及测试结果，见表2、表3

根据测试数据，可以得出以下结论：

（1）重量测量绝对误差的绝对值≤1g。（2）加入液体后，可以完成水位测量并显示，误差≤2mm。（3）能够区分盐水的浓度高低，并显示第二次测量液体的名称。（4）能够区分液体的种类。（5）能够区分纯净水和糖水。

参考文献：

[1]一种简易多功能液体容器测量装置的设计 电子设计 2019.

[2]张杰.模拟电路项目教程[M].北京：北京交通大学出版社.2014.

[3]王静霞.单片机应用技术（C语言版）（第3版）[M].北京：电子工业出版社.2015.