基于單片機的多功能液體容器控制系統設計

蒙飚

(柳州職業技術學院，廣西柳州545006)

0 引言

液體容器廣泛應用于化工、食品加工等領域[1]，多功能的液體容器能夠進行稱重、PH值檢測、電導率檢測和液位檢測等，需要結合單片機技術和傳感器技術開展對應控制電路和軟件的設計。文章采用型號為STC15F2K60S2的單片機作為系統核心，讀取水電導率傳感器采集的液體電壓數據，并控制超聲波模塊和稱重傳感器模塊的工作。本設計可以準確辨別和測量液體的種類、重量、液位和濃度，其中稱重誤差小于1g，水位監測偏差小于2ml，并能夠迅速將測量的信息顯示在顯示屏上。相比市面已有的多功能液體容器，本設計的控制系統精度更高、穩定性更強，具有實際推廣價值。

1 系統方案論證與比較

1.1 主控電路選擇

方案一：MSP430系列單片機，具有超低功耗、運行速度快的優勢，但其I/O口擴展性差，實現工藝較為復雜，不利于安裝與調試。

方案二：STC15F2K60S2單片機，作為基礎入門的一款主流8位單片機，其價格低廉，性價比高，是廣泛應用于大眾生活的電子產品。它的I/O口多且穩定，可接時鐘電路、復位電路，同時還可以與其他電路相連，如按鍵模塊、OLED/LCD顯示模塊、ESP8266等模塊。可使用3-5V供電，具有讀取數據速度快、穩定且準確性高等優點。

經比較分析，考慮到傳統的STC15F2K60S2單片機足以滿足實際應用的需要，性價比高，電路實現簡單，方便對系統進行改進，因此選擇方案二。

1.2 液位檢測模塊選擇

方案一：采用激光傳感器構成的光電檢測電路。通過物體表面反射光線至接收器進行檢測，其光斑較小且集中，易于安裝、校準，靈活性好。但不適合應用于透明液體、含泡沫或蒸汽環境、波動性液體，在振動環境中抗擾性差。

方案二：采用超聲波測量。使用HC-SR04超聲波模塊，擁有2.4-5.5V寬電壓輸入范圍，其亦具備價格低廉、易安裝、靈活性高、性能穩定和測度距離精確等特點，可安裝于高處進行非接觸式測量[2]。

經比較分析，方案二的超聲波模塊對液體特性無硬性要求，具有性價比高、精度高、電路結構簡單、容易實現的優點。

1.3 顯示模塊的選擇

方案一：采用LCD12864顯示屏，自帶中文字庫，可顯示中文及復雜圖形、具有輕薄，分辨率高的特性。

方案二：LCD1602顯示屏，一款專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型顯示模塊，但其不能滿足顯示中文的要求。

經比較分析，方案一能夠滿足對中文數據顯示及界面顯示性的要求，故采用此方案。

2 電路模塊的設計與分析

2.1 系統設計分析

系統主要由單片機主控模塊加上超聲波傳感器、稱重傳感器、電導率傳感器以及PH傳感器組成，整個系統采用STC15F2K60S2單片機為核心，使用超聲波傳感器和稱重傳感器進行液位數據以及容器內液體重量的數據采集，通過液體識別模塊對容器內液體的類型進行識別，最后用顯示電路將采集到的數據進行顯示，并用語音模塊進行語音播報。電路硬件系統總體框圖如圖1所示。

圖1 電路硬件系統總體框圖

2.2 單片機主控模塊

單片機主控模塊主要由單片機、電源模塊、時鐘電路、復位電路、電源指示燈模塊、按鍵電路以及顯示屏電路組成[3]。單片機主控芯片電路如圖2所示。

圖2 單片機主控芯片電路

2.3 超聲波傳感器電路

超聲波傳感器采用的型號是HC-SR04，用于采集容器內液位數據。容器內液位的高低變化會改變超聲波模塊檢測到的數值，單片機對檢測到的值進行計算，從而得到容器內液位的具體數值并輸出顯示。

超聲波傳感器內部電路如圖3所示，超聲波傳感器外接端口如圖4所示。

圖3 超聲波傳感器內部電路圖

圖4 超聲波傳感器外接端口圖

2.4 重量測量電路

系統中采用平衡梁式壓力傳感器來實現容器內液體重量的測量，當向容器中注入液體后，壓力傳感器輸出的電壓值會發生變化，通過24位AD轉換芯片HX711采集后，傳輸給單片機進行處理并輸出顯示對應的重量數值，電路如圖5所示。

圖5 重量測量電路圖

2.5 液體識別電路

該電路由電導率傳感器和PH值傳感器組成。用于采集各種不同液體電導率及PH值的數據，最后經過單片機分析液體特征區分出不同濃度的鹽水、純凈水、牛奶以及白醋（酸度9°的市售白醋）。電路如圖6、圖7所示。

圖6 電導率傳感器電路圖

圖7 PH值傳感器電路圖

3 系統軟件設計

系統的軟件程序由C語言編寫，使用Keil編譯環境。系統初始化操作后，進入電壓采樣、PH值采樣、液位測量，并且進行計算處理，最后通過液晶顯示器顯示出實際測量數據和實際測量液體。另外，系統的時鐘信號是通過外掛晶振完成的，使數據更加精準。系統軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統軟件流程圖

4 系統測試與分析

4.1 系統測試儀器

萬用表1臺、雙路直流穩壓電源1臺、數字示波器1臺、DDS信號源1臺、卷尺1個（精度1mm）。

4.2 系統測試與結果分析

使用超聲波模塊測試容器內液位，絕對精度≤2mm，其測試結果顯示，超聲波傳感器測量液位精度達到實際應用要求（見表1）。

表1 超聲波模塊測試結果表

使用稱重傳感器測試容器內液體重量，其測試結果顯示，稱重傳感器精度≤1g，滿足實際應用要求（見表2）。

表2 稱重傳感器測試結果表

測量各類型液體數據的水電導率，其測試結果顯示，電導率結果正確，滿足實際應用要求（見表3）。

表3 電導率測試結果表

測量各類型液體的PH值，其測試結果顯示，通過分析PH值分辨各類型液體結果正確，滿足實際應用要求（見表4）。

表4 PH值測試結果表

5 結語

系統通過STC15F2K60S2單片機接收超聲模塊數據，實現了容器內液位高度的數據計算；通過接收重量傳感器的數據，實現了容器內液體重量的計算；通過分析水電導率及PH值分辨出不同的液體類型，最后輸出顯示相關數據并創新使用語音模塊進行播報；通過多次測試，該設計達到實際應用要求，能夠在一定范圍內推廣。