基于STM32 設(shè)計(jì)的簡易多功能液體容器

呂佳璐，王 森，楊 琦

（四川輕化工大學(xué)，四川 宜賓644000）

1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前液體鑒別主要發(fā)展于化工行業(yè)，在日常生活中主要還是靠看狀態(tài)、聞氣味和嘗味道。這樣經(jīng)常會出現(xiàn)鑒別不準(zhǔn)確的情況，甚至可能發(fā)生事故。隨著人們生活質(zhì)量的提升，生活中的各種細(xì)節(jié)越來越被重視。生活中接觸的液體種類慢慢增加，對于各種液體的使用也逐漸增多。因而在以前不被重視的液體鑒別也隨著人們對更美好生活的向往越來越被重視。在此背景下更安全、準(zhǔn)確、方便的液體鑒別裝置應(yīng)運(yùn)而生，更加貼近人們的日常生活，并且為中國現(xiàn)有的液體測量識別儀器的優(yōu)化發(fā)展提供了有益幫助。

2 研究目的及意義

隨著社會環(huán)境的不斷變化，生活中的液體種類也在不斷增加，不能什么液體都靠人的感覺器官來辨別液體種類，因?yàn)檫@樣往往會伴隨著一些不確定的因素。并且，在液體濃度很小時(shí)，運(yùn)用這種鑒別方式不能夠準(zhǔn)確辨別出液體種類。因此，迫切需要一種新型的設(shè)備來辨別這些液體的種類。對這些新型的液體測量設(shè)備最基本的要求就是不會過多占用人們的空間資源和能量資源等。在滿足以上所需的功能之后，也要增加一些比較實(shí)用的小功能，為人們的生活帶來一些便利，方便人們?nèi)粘Ｊ褂谩?/p>

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 方案一

采用51/15 單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心處理來采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用浮動式傳感器，進(jìn)行液體的液位測量；采用壓力傳感器來測量液體的質(zhì)量；采用光電傳感器和MQ-3氣敏傳感器來分辨液體的種類；通過對算法（密度）的設(shè)計(jì)，來分辨不同濃度的鹽水，以及純凈水和白糖水的判別，并將測試的數(shù)據(jù)顯示到LCD 顯示屏上。

3.2 方案二

選用STM32F103C8T6 單片機(jī)作為控制電路的核心處理來采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用超聲波測距傳感器，進(jìn)行液體的液位測量；測試的數(shù)據(jù)顯示到OLED 顯示屏上；其余同方案一。

3.3 方案確定

主控部分，51/15 單片機(jī)具有編程簡單，控制方便，成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但存在數(shù)據(jù)采集的精度不高，運(yùn)算速度慢、功能少等缺點(diǎn)；而STM32F103 增強(qiáng)型系列的內(nèi)核是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3 內(nèi)核，一次處理數(shù)據(jù)寬度32 位，時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，內(nèi)部RAM 和ROM（flash）更大，運(yùn)算能力更為強(qiáng)大，且片上外設(shè)資源豐富。考慮超聲波模塊的測量精度及顯示模塊的設(shè)計(jì)，此次設(shè)計(jì)決定采用STM32F103C8T6芯片作為中央處理器。

在液體的液位高度采集部分，主要分為直接測量法、浮力法、超聲波法等。其中浮球式水位傳感器價(jià)格雖然便宜，但工作原理和采集方法都是傳感技術(shù)中較原始、落后的部分，所以可靠性低，穩(wěn)定性差，極易出現(xiàn)浮子卡死無法動作的現(xiàn)象。浮球式水位傳感器檢測精度低，且因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因，容易產(chǎn)生污垢，不易清洗。而超聲波測距模塊超聲波水位傳感器質(zhì)量小，檢測精度高，非接觸式的檢測，更加衛(wèi)生，且具有安全、壽命長、可靠性高的特點(diǎn)。因此這一部分選擇用超聲波測距模塊來測量液位。

選擇以STM32F103C8T6 為核心處理器，以壓力傳感器、超聲波測距模塊、光電傳感器、MQ-3 氣敏傳感器為外設(shè)，

對不同液體的液位、質(zhì)量等參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，及液體種類判別，并用（OLED）液晶顯示屏顯示測量結(jié)果。

4 理論分析與計(jì)算

4.1 超聲波測距模塊測水位

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，可通過公式計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S，計(jì)算公式為：S=340 m/s×t/2。

4.2 不同液體種類及不同濃度鹽水的分辨

通過查詢資料，主要可以通過液體密度、透光性、氣味進(jìn)行液體種類的判斷。

四種液體種類的判斷。可以通過算法來進(jìn)行純凈水液體密度判斷；白醋獨(dú)有的氣味可以通過MQ-3 氣敏傳感器來判斷；牛奶是一種復(fù)雜的膠體混合物，是不透明的液體，可以通過光電傳感器測量透光度來判斷；可以通過算法來進(jìn)行鹽水液體密度判斷。

不同濃度鹽水的區(qū)分。不同濃度鹽水的密度不同，通過軟件編程、設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)對液體密度大小的判斷，從而區(qū)分不同濃度的鹽水。

純凈水和白糖水的分辨。白糖水的密度比純凈水的密度大。

5 裝置電路與程序設(shè)計(jì)

5.1 電路設(shè)計(jì)部分

本設(shè)計(jì)中多功能液體容器主要由主控制模塊、人機(jī)交互模塊、檢測模塊組成。其中主控制模塊STM32F103C8T6 為最小系統(tǒng)板；人機(jī)交互模塊采用OLED 顯示屏；測量模塊由超聲波測量、氣敏、光電測量及壓力測量模塊組成。

本模塊包含STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)板、人機(jī)交互模塊，由OLED 顯示屏和獨(dú)立按鍵模塊組成，其原理如圖1所示。

5.1.1 液體質(zhì)量測量部分

本裝置的液體質(zhì)量測量采用電阻應(yīng)變式傳感器和HX711AD 模塊，該傳感器具有良好的線性關(guān)系，具有較高的靈敏度。壓力傳感器將壓力信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后傳送給MCU，MCU 處理信號后，實(shí)現(xiàn)對液體的質(zhì)量的測量。

5.1.2 液位測量部分

本裝置采用的超聲波測距模塊，由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、信號處理三部分組成，利用STM32F103 單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對超聲波和超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制，從而測量出液體的液位數(shù)據(jù)。

圖1 中央處理器及人機(jī)交互模塊原理框圖

5.1.3 辨別種類部分

本裝置采用光電傳感器，實(shí)現(xiàn)對牛奶和其他不同液體的分辨，采用MQ-3 氣敏傳感器（氣味傳感器），實(shí)現(xiàn)對白醋和其他不同液體的分辨。

5.2 軟件設(shè)計(jì)部分

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C 語言對STM32F103C8T6 單片機(jī)進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)各模塊的功能。