基于51单片机的多传感器智能液体容器

宋团

摘要：该智能液体容器以STC89C52单片机为控制核心，利用压力传感器、超声波模块和谐振电路采集数据。由HX711A/D转换器对检测的压力信号进行转换，再经过单片机对数据进行处理运算和分析，得到被测溶液的密度参数。设计555定时器电路测量液体的电导率，详细区分液体性质，进一步确定液体的种类。经过多次仿真试验和实践，本系统可利用多传感器实现对液体性质的判断，成本低，可一键实现液体的识别判断并显示。

Abstract： The intelligent liquid container uses STC89C52 single-chip microcomputer as the control core， and uses pressure sensors， ultrasonic modules and resonant circuits to collect data. The detected pressure signal is converted by the HX711A/D converter， and then the data is processed， calculated and analyzed by the single-chip microcomputer to obtain the density parameter of the measured solution. It designs the 555 timer circuit to measure the conductivity of the liquid， distinguishes the liquid properties in detail， and further determines the type of liquid. After many simulation experiments and practice， this system can use multiple sensors to realize the judgment of the liquid properties， the cost is low， and the identification， judgment and display of the liquid can be realized with one click.

關键词：单片机;多传感器;智能;液体容器

Key words： single chip microcomputer;multi-sensor;intelligence;liquid container

中图分类号：TP212                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）22-0194-03

0  引言

随着电子技术的迅速发展，智能化的简易测量设备越来越受人关注。多传感器液体智能容器能实现对糖水、盐水、纯净水、酒精、白醋等液体质量、密度、性质的判定，可应用于水质判断、产品检验、环境监测等许多方面。

1  系统方案

其硬件系统主要由单片机、压力传感器模块、超声波模块、电导率测试模块、按键、显示模块及电源等组成。

该方案使用粗细均匀的塑料量杯作为容器，用超声波模块、压力传感器、555定时器等传感器进行测量，51单片机为处理单元，实现对测量的结果进行计算、分析并交给OLED显示。

超声波传感器测量液体的高度，计算出其体积V=s·h。压力传感器可以测量被测液体的重量，根据密度公式ρ=m/V，计算出密度，初步确定液体的性质。对于密度比较接近，无法准确通过密度进行判断的液体，借助于555谐振电路间接测量其电导率，进一步确认该液体的性质。测量重量的过程中，分别设置“去皮”功能键和“一键测量”键，实现一键智能化测量，最后通过OLED屏幕对测量结果进行显示。（图1）

1.1 体积测量

液体体积为底面积和高的乘积。该方案采用的容器是均匀的圆筒型容器，底面积已知，因此只需要测量出液体高度即可计算出体积。方案采用超声波模块测量液体高度。

超声波遇到障碍物会产生显著反射形成反射回波，利用超声波传输中距离与时间的关系，精确测出液体的高度。超声波在空气中的速度v和计时器记录的时间t，计算出发射位置和水面之间的距离（s），测量的公式可表示为：

s=vt/2

液体的高度（x）即为：超声波发射器距离容器底部的高度（H）与h之间的差值，公式可表示为：x=H-h（x=H-vt/2）

超声波探头固定，H为固定值，系统只需要精确测出液体高度即可求出体积，液体体积为：V=底面积×高=s·（H-vt/2）

本方案采用HC-SR04型超声波模块，有VCC、GND、TRIG、ECHO四个引脚。超声波传感器模块工作时，需要在TRIG端接入至少10μs的高电平信号，模块便自动发送8个40kHz的方波信号，声波信号遇到障碍物反射后由ECHO端接收，同时产生相应时间的高电平，通过单片机检测其高电平的时间便算出声波往返的总时间t，根据s=vt/2从而得到高度x。

1.2  检测液体重量

液体重量通过电阻应变式压力传感器进行测量。其主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。原理图如图3所示。

因传感器测量的是模拟量，需要把输入模拟信号转换成与它相关的数字量，本方案采用的是HX711，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程相对简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。电路原理图如图4所示。

1.3 电导率测量

电导率反映的是导体导电能力，与本身的自由电荷在电场作用下的运动有关，也就是与导体的性质及它的长度和导体的横截面积有关。电导的公式为：

测量液体的导电率时，由探针的长和横截面积均保持不变，电导率K为：

由于TDS与电导率之间存在显著地相关关系，由资料[5]可知，溶解固体与电导之间的关系可用下面的经验公式估算：

式中：TDS为水中溶解固体（mg/L）;K为25℃时水的电导率（S/m）。

本方案使用555谐振电路来测量电导率，原理图如图5所示。

探针、被测溶液和电容C2组成多谐振荡器，当两根探针插入被测溶液，形成了一个电极，使整个电路构成封闭的谐振电路，而由该谐振电路产生的与被测溶液电导率有关的频率f由555芯片的3引脚输出，向单片机P3.2口输入。

将两探针之间的被测溶液也视为电阻，可确定f与K的线性关系，K=f·3.24×10-5，即推算出TDS=（0.55-0.70）×3.24×10-5f。

1.4 判断液体性质

1.4.1 密度

查阅资料，根据密度值判断液体种类。常见液体的密度如表1所示。

1.4.2 电导率

对于密度比较接近的液体，例如糖水和10%的盐水，可通过计算电导率进一步确定其种类。采用的电极尺寸为：L=1.5cm，S为4cm×1.5mm=0.6cm2，所以L/S=2.5cm-1=250m-1。将两探针之间的被测溶液也视为电阻，可确定f与K的线性关系，即可算出电导率的值。

2  软件设计

根据简易多功能液体容器设计总方案，系统需要三个端口来分别测量高度、重量和电导率。测量到高度后可算出体积，结合测得的重量，进而算出密度，初步判断出液体性质。当液体密度比较接近时，结合电导率最终确定液体的种类。系统设置一键测试功能，同时保留称重时的“去皮”功能。上述物理量的测量采用中断的方式进行。（图6）

3  实验与调试

程序开始执行，首先对各引脚、OLED、超声波等模块定义及初始化，OLED显示初始界面，实时显示液面高度与溶液重量参数，与此同时按键扫描程序不断循环运行，此按键扫描程序有两种功能，第一个功能可检测KEY1的按下，对重量进行去皮操作，第二个功能可据测得的液面高度、溶液重量推算出液体质量，再结合电导率测量模块推算出液体的种类，并在OLED显示。其中程序对盐水的密度有比较功能，可与下一次所测的盐水浓度比较，进而显示出下一次所测盐水相对于上一次的浓淡。

①首先用电子天平（高精度电子秤）量出量筒重量m0，然后用量筒装入200ml纯净水，测出水和量筒的总重量m1，计算出密度：ρ=（m1-m0）/200。将量筒内的200ml纯净水倒入多功能容器内，用单片机测量测量其液面高度h、重量。容器底面积常数s0=200/h，计算密度并记录。将测得的密度与相关密度表比较，确定属性。

②在多功能容器内装入大约200ml浓度为10%的盐水，用单片机测量其液面高度h和质量m（去皮后）。盐水体积v=h×s0，密度为ρ=m/（h×s0）。

③查找、对比密度表，确定溶液性质。

通过测量结果可知，误差相对值小于0.051，且能准确判断溶液性质，可实现对常见液体的识别、判断和显示。

4  总结

该方案选题来源于2019年全国大学生电子设计大赛的K题，论文作者带领的团队获省赛三等奖。

本方案基本能准确测量出特定液体的高度、重量，并结合测得的电导率判断、显示出液体种类。但在精度方面需要不断提高。为提高超声波的测量精度，可以增加温度传感器，根据温度修正超声波速度，使密度的测量计算更加精确。

参考文献：

[1]汤锴杰，栗灿，王迪，张琴.基于DS18B20的数字式温度采集报警系统设计[J].传感器与微系统，2014，33（3）：99-102.

[2]刘轶群.TDS检测电路探讨[C].2013年中国家用电器技术大会论文集，2013（S1）：874-878.

[3]张发亮，郭茂林，陈伟.电导率测量中应注意的几个问题[J].山西化工，1995（4）：41-44.

[4]张蓉蓉.基于STC89C52的智能温度控制系统硬件设计[J].机电信息，2014（15）：130-131.

[5]王学艳，张忠萍.基于电导率与TDS及全盐量的关系研究[J].黑龙江水利科技，2008，36（1）：7.

作者简介：宋團（1981-），男，河南南阳人，实验师，硕士研究生，研究方向为交通信息工程及控制。