多功能液体容器的设计与实现

王冉 孟磊

摘 要：设计基于STC12单片机的多功能液体容器，系统利用称重模块、超声波和PH值传感器计算出容器中液体的重量、液位高度和PH值，并通过oled显示液位和重量等数据的显示，通过超声波传感器模块测量液位高度并计算出液体体积，再利用液体的重量和体积计算出液体比重值，最后通过液体比重值和PH值判断液体成分。文章采用透射式光电传感器实现分辨牛奶、通过导电性分辨盐水等功能，根据测试结果，多功能液体容器系统液位误差小于1mm，重量误差小于0.5g。

关键词：多功能;传感器;单片机;数据显示

中图分类号：TH122  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）21-81-03

Abstract： Multifunctional liquid container， system design based on STC12 single chip using weighing module， ultrasonic and PH sensor to calculate the container liquid， the liquid level height and the weight of the PH value， and through the oled display data such as liquid level， and weight， measuring liquid level height by ultrasonic sensor module and calculate the liquid volume， using the weight and volume of liquid to calculate the liquid density value， finally through the liquid weight value and the PH value judgment. In this paper， the transmission type photoelectric sensor is used to distinguish milk and brine through electric conductivity. According to the test results， the liquid level error of the multifunctional liquid container system is less than 1mm， and the weight error is less than 0.5g.

Keywords： Multifunction; The sensor; Single chip microcomputer; According to data

CLC NO.： TH122  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）21-81-03

前言

多功能液體容器包括电子称重、液位测量、密度计算、PH值测试，可以分辨液体的种类，在化工领域有一定的应用价值[1]，本文设计一种多功能液体容器，设计要求包括能够自动测量给定液体的重量及液位，并能够判断出给定液体的种类（纯净水、白糖水、盐水、牛奶以及白醋等）。

首先通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号，再次将该信号经信号处理电路进行准确的线性放大，放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中[2]，再经过单片机控制OLED显示，从而显示出被测液体的重量、液位等信息。

1 系统整体结构设计

按照设计的基本要求，本系统整体结构设计如图1所示，主要完成称重模块、超声波测距模块、激光对射模块、OLED显示模块等相关模块的设计及测试，其中称重模块包括数据采集、信号放大及AD转换。OLED显示模块包括液体重量、液位等的显示。

2 系统硬件电路设计

2.1 主控模块

本系统使用STC12C5A60S2单片机最小开发系统作为主控，该系列单片机片内具有大容量的FLASH程序存储器[3]。

2.2 称重模块

HX711输入选择开关可任意选取通道A 或通道B，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。电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器[4]。

2.3 US-015 超声波测距模块

本文采用US-015超声波测距模块其，可实现 2cm～4m 的非接触测距功能[5]，US-015超声波测距模块在测距过程中需要在Trig/TX管脚输入一个10μs以上的高电平，系统便可发出8个40KHz的超声波脉冲，然后检测回波信号[6]。当检测到回波信号后，通过Echo管脚输出，其主要技术参数如表1所示。

2.4 激光对射检测模块

本文采用的激光对射传感器包括发送器，接收器和检测电路，使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号[7]。因为牛奶具有不透光的特点，激光对射传感器在检测牛奶的时候无法接收到信号，而纯净水、白醋淡盐水等是透明的，因此可以判断出牛奶。

2.5 PH值检测模块

PH值检测采用PH值传感器，在该传感器内部的PH值放大器可以通过数据采集检测有标准PH电极的电路，在PH值为7的缓冲液中，产生一个1.75V的电压，根据液体的PH值不同可判断液体种类[8]，白醋的PH值约是2.4，而盐水与纯净水的pH值基本一致为7左右，因此可以判断出白醋。

2.6 OLED显示

显示模块采用0.96寸的OLED显示屏，其接口定义为（1）GND电源地;（2）VCC 电源正（3～5.5V）;（3）SCL OLED的D0脚，在IIC通信中为时钟管脚;（4）SDA OLED的D1脚，在IIC通信中为数据管脚[9]。

3 系统软件设计

本系统根据设计要求具有以下功能：按下启动按钮，进行一次去皮处理后，整个系统即可自动检测出被测物体的液位、重量等参数，并进行显示，进一步可判断牛奶及白醋等，程序设计流程如图2所示。

显示部分程序代码如下：

void main（void）

{

char jian;

InitUART（）; //串行口初始化

GapValue = 386.0; //实际测得基准值

OLED_Init（）;//初始化OLED

OLED_ShowCHinese（8，0，0）;//多

OLED_ShowCHinese（24，0，1）;//功

OLED_ShowCHinese（40，0，2）;//能

OLED_ShowCHinese（56，0，3）;//液

OLED_ShowCHinese（72，0，4）;//体

OLED_ShowCHinese（88，0，5）;//容

OLED_ShowCHinese（104，0，6）;//器

OLED_ShowCHinese（0，2，7）;//重

OLED_ShowCHinese（16，2，8）;//量

OLED_ShowCHinese（0，4，9）;//液

OLED_ShowCHinese（16，4，10）;//位

while（1）

{jian = KEY_SAN（）;

if（jian == 0）

Get_Maopi（）;

if（jian == 1）

GapValue+=0.5;

celiang = Get_Weight（）*100;

UartSendUlong（"GapValue："，（unsigned long）GapValue*10，" | "）;

}

}

4 測试方案与测试结果

线路连接正常，利用砝码对电子秤进行校准，其测试数据如表2所示，进而逐渐加入液体进行数据的测试进过反复测试及调整。本系统实现以下功能（1）液体的重量绝对误差的绝对值≤1g;（2）液位测量绝对误差的绝对值≤2mm;（3）可区分牛奶及白醋的液体种类。

5 总结与展望

本文通过设计多功能液体容器，实现了多种液体的重量、液位的测量以及液体种类的区分。随着人工智能、自动控制技术的发展，工业领域的有毒有害液体的检测将逐步实现机器代替人工，有效避免接触有毒有害液体对人身造成的损害[10]，综合多学科的研究探索科技创新产品的实用价值。

参考文献

[1] 张杰.模拟电路项目教程[M].北京：北京交通大学出版社.2014.

[2] 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.

[3] 张彦宇.基于MSP430的高精密电子秤设计与研究[J].工业控制与应用.2019.

[4] 吴恩仪，陈凌君.基于STC89C52单片机的超声波测距系统设计[J].机械装备研发.2020.

[5] 鲁可，张晓东，马宏旭.基于单片机的超声波液位检测系统设计[J].机电工程技术，2014.

[6] 肖荣荣.液体内部压强探究演示仪：中小学实验与装备，2019.

[7] 赵广平.孙雯萍电子称重技术现状及发展趋势[J].仪表技术传感器， 2017.

[8] 罗及红.一种高精度的电子秤设计[J].计算机测量与控制，2010.

[9] 工仲夏，马万国，张涛.基于单片机高精度电子天平设计[J].电子测试，2017.

[10] 杨慧英.容器液位视觉检测方法研究[J].装备制造技术，2018.