多功能液體容器系統設計

蔡立娜

（云南能源職業技術學院，云南 曲靖 655000）

0 引言

隨著科技的不斷發展進步,單片機技術日益發展成熟,在實時檢測和自動控制等領域得到了廣泛的應用,為我們的生產和生活做出了極大的貢獻，本文以STC89C52單片機為主控芯片[1-2]，設計多功能液體容器，實踐檢測可以準確識別出液體種類，測量出液體重量和液位高度，并輔助以語音播報，為單片機在電子產品中的應用奠定了基礎。

1 總體設計要求

1.1 基本要求

（1）能檢測液體液位、重量等參數，可顯示檢測結果。

（2）裝載一定量（200-500mL）的不同液體進行測量，要求液位測量絕對誤差的絕對值≤2mm；重量測量絕對誤差的絕對值≤1g；

（3）在（2）的測量基礎上，能夠區分不同濃度的鹽水。要求顯示第二次測量液體的名稱（根據兩次測量鹽水的濃度，相對顯示是濃鹽水或淡鹽水）。

1.2 擴展功能

（1）根據液體特征可分辨純凈水、鹽水、牛奶、白醋四種液體種類（限定采用電子測量技術，傳感器與測量方法不限，可同時采用多種測量方法）；

（2）根據液體特征可分辨出純凈水和白糖水的種類。

2 系統方案

2.1 主控芯片選擇

（1）STM32F407ZGT6。該芯片為32位MCU+FPU，210MIPS，高達1MB Flash/192+4KB RAM，USB OTG HS/FS，以太網，17個TIM，3個ADC，15個通信接口，其適用于需要浮點運算或DSP處理的應用；

（2）STC89C52。是基于8051內核的新一代增強型單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，速度快8-12倍，3個定時器，一個串口，8個中斷源，加密性好，抗干擾強。

系統主要對重量以及液位進行數據采集，在簡單、快速開發的要求下，STC89C52的內部資源完全能夠滿足本系統開發的需求，所以最終確定采用STC89C52為主控芯片[3-4]。

2.2 液位傳感器選擇

（1）諧振式液位傳感器。該傳感器為投入式傳感器，采用串口輸出深度值，兼容5V、3.3V控制系統，同時自帶校準數據存儲功能，存儲校準數據值，掉電不丟失；

（2）超聲波傳感器。其為非接觸式測距，體積小，電路簡單，探測距離為0-450cm，探測精度高，穩定性較強。

由于系統需要辨別不同的液體，而本設計方案主要根據密度值來區別不同的液體，所以液位的精確度對于本設計至關重要。由于諧振式液位傳感器針對不同的液體有不同的補償值，無法實現高精度。而超聲波傳感器不容易受到各種液體干擾，測試精度高，完全滿足該方案的測試精度。所以綜合比較，采用超聲波傳感器作為系統的液位傳感器[5-7]。

2.3 語音模塊選擇

（1）WTN3語音芯片為單芯片，CMOS語音合成IC,40秒和80秒（6K采樣）。具有1個Input腳和2個I/O腳，一組PWM輸出，提供最大語音段數32段；

（2）WT588D提供了多種接口可以通過單片機來控制播放，語音內容及接口方式是通過上位機軟件來下載和設置的。WT588D內部有SPI-FLASH，SPI-FLASH的容量決定了可播放文件的長度，并且提供最大語音段數232段。

由于本設計需要對語音進行編輯、合成和現場燒寫，而WT588D滿足這些要求，故采用WT588D為語音播放模塊。

3 系統理論分析與計算

3.1 水位的計算

提前算出超聲波模塊到盛水裝置地面的距離為H1，測量盛水后的距離為H2，H=H1-H2。通過兩次測量的值加權取值計算得到實際的水位值。

3.2 AD值反向轉換重力值的參數計算

滿量程輸出電壓=激勵電壓*靈敏度，例如：供電電壓是5V乘以靈敏度=滿量程10 。相當于有10Kg重力產生時候產生10 的電壓。

假設重力為XKg，測量出來的A D 值為y，1 0Kg傳感器輸出，發送給A D 模塊的電壓為XKg×8.6 m V/1 0Kg=0.8 6Xmv，經過1 2 8 倍增益后為1 2 8×0.86X=11 0.0 8Xmv，轉換為2 4 b i t 數字信號為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，所以得出程序中計算公式重量=重量/4.30+0.05。

3.3 液體密度的計算

液體密度為?=m/H*S，其中容器底面積為S，液體質量為m，液體高度為H。程序設計中根據液體的密度來判斷不同的液體溶液。

4 系統硬件電路

本設計采用STC公司的STC89C52單片機為主控芯片，重量數據采集部分由稱重傳感器、信號放大和A/D轉換部分組成，信號放大和A/D轉換部分主要由專用型高精度24位AD轉換芯片HX711實現；超聲波傳感器輸出數據給單片機處理，語音播報模塊由WT588D芯片實現，可完成語音播報開機功能介紹以及電子秤重量等內容，人機交互界面為點陣式12864顯示屏，可直觀地顯示數據。系統總體框圖如圖1所示。各模塊電路如圖2所示。

圖1 系統總體框圖

圖2 各模塊電路設計圖

5 軟件設計與分析

軟件部分主要實現數據的讀取和顯示。

（1）數據讀取功能：精確讀取重量、水位值；

（2）顯示部分：顯示系統名稱、重量值、水位值以及對應的液體種類；

（3）語音播報：播放設備功能及相關的重量值、水位值。

以需要實現的功能為出發點，先分析及配置出實現功能所需使用的寄存器，完成系統功能初始化，然后進去循環讀取，讀取數據采用多次取值，去掉最大、最小的部分值，留下中間值取平均數，盡量保持數據讀取的穩定性及精度，循環部分遵循先讀取后顯示的思路，高度模塊化，結構嚴謹、算法高效。軟件系統流程圖如圖3所示。

圖3 系統程序流程圖

6 測試方案與測試結果

使用高精度的電子秤、鋼尺、密度計等測量儀器進行多次測量，測試數據分布均勻，覆蓋到量程的分布范圍。測試結果如表1至表3所示。

表1 重量測試數據 單位：g

表2 液位測試數據 單位：mm

表3 溶液類型測試

圖4 系統成品圖

根據上述測試數據，通過分析計算，發現所測試數據的誤差均未超過允許誤差，可以得到以下結論：

（1）重量值測量精度高，滿足系統設計要求；

（2）液位測量精度高，滿足系統設計要求；

（3）可以正確顯示多種液體，滿足系統設計要求。

7 結語

多功能液體容器系統采用單片機為控制核心，構建單片機最小應用系統，增加稱重傳感器部分功能電路，實現液體重量測量，測量誤差可控制在1g范圍內；增加超聲波傳感器，實現液位測量功能，液位測量誤差可控制在2mm范圍內；根據測量結果計算溶液密度，與標準溶液密度比對，能夠正確識別出溶液種類，很好地實現了系統設計要求。