多功能液体容器系统设计

蔡立娜

（云南能源职业技术学院，云南 曲靖 655000）

0 引言

随着科技的不断发展进步,单片机技术日益发展成熟,在实时检测和自动控制等领域得到了广泛的应用,为我们的生产和生活做出了极大的贡献，本文以STC89C52单片机为主控芯片[1-2]，设计多功能液体容器，实践检测可以准确识别出液体种类，测量出液体重量和液位高度，并辅助以语音播报，为单片机在电子产品中的应用奠定了基础。

1 总体设计要求

1.1 基本要求

（1）能检测液体液位、重量等参数，可显示检测结果。

（2）装载一定量（200-500mL）的不同液体进行测量，要求液位测量绝对误差的绝对值≤2mm；重量测量绝对误差的绝对值≤1g；

（3）在（2）的测量基础上，能够区分不同浓度的盐水。要求显示第二次测量液体的名称（根据两次测量盐水的浓度，相对显示是浓盐水或淡盐水）。

1.2 扩展功能

（1）根据液体特征可分辨纯净水、盐水、牛奶、白醋四种液体种类（限定采用电子测量技术，传感器与测量方法不限，可同时采用多种测量方法）；

（2）根据液体特征可分辨出纯净水和白糖水的种类。

2 系统方案

2.1 主控芯片选择

（1）STM32F407ZGT6。该芯片为32位MCU+FPU，210MIPS，高达1MB Flash/192+4KB RAM，USB OTG HS/FS，以太网，17个TIM，3个ADC，15个通信接口，其适用于需要浮点运算或DSP处理的应用；

（2）STC89C52。是基于8051内核的新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快8-12倍，3个定时器，一个串口，8个中断源，加密性好，抗干扰强。

系统主要对重量以及液位进行数据采集，在简单、快速开发的要求下，STC89C52的内部资源完全能够满足本系统开发的需求，所以最终确定采用STC89C52为主控芯片[3-4]。

2.2 液位传感器选择

（1）谐振式液位传感器。该传感器为投入式传感器，采用串口输出深度值，兼容5V、3.3V控制系统，同时自带校准数据存储功能，存储校准数据值，掉电不丢失；

（2）超声波传感器。其为非接触式测距，体积小，电路简单，探测距离为0-450cm，探测精度高，稳定性较强。

由于系统需要辨别不同的液体，而本设计方案主要根据密度值来区别不同的液体，所以液位的精确度对于本设计至关重要。由于谐振式液位传感器针对不同的液体有不同的补偿值，无法实现高精度。而超声波传感器不容易受到各种液体干扰，测试精度高，完全满足该方案的测试精度。所以综合比较，采用超声波传感器作为系统的液位传感器[5-7]。

2.3 语音模块选择

（1）WTN3语音芯片为单芯片，CMOS语音合成IC,40秒和80秒（6K采样）。具有1个Input脚和2个I/O脚，一组PWM输出，提供最大语音段数32段；

（2）WT588D提供了多种接口可以通过单片机来控制播放，语音内容及接口方式是通过上位机软件来下载和设置的。WT588D内部有SPI-FLASH，SPI-FLASH的容量决定了可播放文件的长度，并且提供最大语音段数232段。

由于本设计需要对语音进行编辑、合成和现场烧写，而WT588D满足这些要求，故采用WT588D为语音播放模块。

3 系统理论分析与计算

3.1 水位的计算

提前算出超声波模块到盛水装置地面的距离为H1，测量盛水后的距离为H2，H=H1-H2。通过两次测量的值加权取值计算得到实际的水位值。

3.2 AD值反向转换重力值的参数计算

满量程输出电压=激励电压*灵敏度，例如：供电电压是5V乘以灵敏度=满量程10 。相当于有10Kg重力产生时候产生10 的电压。

假设重力为XKg，测量出来的A D 值为y，1 0Kg传感器输出，发送给A D 模块的电压为XKg×8.6 m V/1 0Kg=0.8 6Xmv，经过1 2 8 倍增益后为1 2 8×0.86X=11 0.0 8Xmv，转换为2 4 b i t 数字信号为110.08A×224/4.3V=429496.7296X，所以y=429496.7296A/100=4294.967296X。因此得出X=y/4294.967296Kg≈y/4.30g，所以得出程序中计算公式重量=重量/4.30+0.05。

3.3 液体密度的计算

液体密度为ℓ=m/H*S，其中容器底面积为S，液体质量为m，液体高度为H。程序设计中根据液体的密度来判断不同的液体溶液。

4 系统硬件电路

本设计采用STC公司的STC89C52单片机为主控芯片，重量数据采集部分由称重传感器、信号放大和A/D转换部分组成，信号放大和A/D转换部分主要由专用型高精度24位AD转换芯片HX711实现；超声波传感器输出数据给单片机处理，语音播报模块由WT588D芯片实现，可完成语音播报开机功能介绍以及电子秤重量等内容，人机交互界面为点阵式12864显示屏，可直观地显示数据。系统总体框图如图1所示。各模块电路如图2所示。

图1 系统总体框图

图2 各模块电路设计图

5 软件设计与分析

软件部分主要实现数据的读取和显示。

（1）数据读取功能：精确读取重量、水位值；

（2）显示部分：显示系统名称、重量值、水位值以及对应的液体种类；

（3）语音播报：播放设备功能及相关的重量值、水位值。

以需要实现的功能为出发点，先分析及配置出实现功能所需使用的寄存器，完成系统功能初始化，然后进去循环读取，读取数据采用多次取值，去掉最大、最小的部分值，留下中间值取平均数，尽量保持数据读取的稳定性及精度，循环部分遵循先读取后显示的思路，高度模块化，结构严谨、算法高效。软件系统流程图如图3所示。

图3 系统程序流程图

6 测试方案与测试结果

使用高精度的电子秤、钢尺、密度计等测量仪器进行多次测量，测试数据分布均匀，覆盖到量程的分布范围。测试结果如表1至表3所示。

表1 重量测试数据 单位：g

表2 液位测试数据 单位：mm

表3 溶液类型测试

图4 系统成品图

根据上述测试数据，通过分析计算，发现所测试数据的误差均未超过允许误差，可以得到以下结论：

（1）重量值测量精度高，满足系统设计要求；

（2）液位测量精度高，满足系统设计要求；

（3）可以正确显示多种液体，满足系统设计要求。

7 结语

多功能液体容器系统采用单片机为控制核心，构建单片机最小应用系统，增加称重传感器部分功能电路，实现液体重量测量，测量误差可控制在1g范围内；增加超声波传感器，实现液位测量功能，液位测量误差可控制在2mm范围内；根据测量结果计算溶液密度，与标准溶液密度比对，能够正确识别出溶液种类，很好地实现了系统设计要求。