人體健康飲水量計量儀

牛建輝 洪海慧 朱學森 高佳歡 孟紫騰

摘要：隨著人民生活水平的日益提高，專注生活高質量水平的一系列產品不斷涌現，一些電子類的產品被廣泛應用到我們的日常生活當中，間接式超聲波液位傳感器便是其中之一。從人體健康攝水量出發，采用間接式超聲波液位傳感器進行液位采集并通過STC89C52系列控制芯片控制SSD1303驅動OLED顯示人體每天的攝水量，使之更有效的使用于保護人體健康上。

關鍵詞：間接式超聲波液位傳感器;STC89C52控制芯片;SSD1303

根據醫學報告，人體每天的直接攝水量應該是在兩千到兩千五百毫升左右才能夠保證人體正常的新陳代謝，然而現在人們處于快節奏的生活時代，絕大多數人群不僅飲水很不規律而且對每天自己攝入的水量也沒有概念，所以很大一部分的人每天攝入的水量都不達標，這樣就會造成人體的水鹽平衡失調，導致疾病的發生。所以我們設計了一款水杯式人體健康攝水量計量儀，它具有攜帶方便，簡單易用的特點，能夠從微小處為快生活的人群提供健康保障。

1外形設計

設計是以水杯的形態來實現人體健康飲水量計量，將間接超聲波液位傳感器、OLED顯示器、控制芯片STC89C52系列和電源集中封裝成杯蓋，間接超聲波液位傳感器安裝在下表面，STC89C52安裝在中間，OLED安裝在上表面。總體實現數據的采集處理和顯示。

2硬件設計

采用STC89C52系列控制芯片、間接超聲波液位傳感器、SSD1303和OLED實現飲水量的計算顯示。硬件模塊有：核心控制模塊、電源電路模塊、液位采集模塊、提示模塊及OLED顯示模塊。

2.1核心控制模塊

本文采用STC89C52作為核心控制芯片作為核心控制模塊來完成數據的運算處理。STC89C52是STC公司生產的一種具有低功耗、高性能CMOS8位微控制器，電壓要求DC5v電源便于實現，掉電保護等優點。實現采集數據的處理計算和OLED顯示控制。

2.2電源電路模塊

本文采用LM7805的穩壓器，輸出電壓誤差精度可以分為±3%和±5%，性能十分穩定。電源采用4塊電壓為3V的紐扣電池作為供電電源。電源模塊電路如圖2.1。

通過LM7805的穩壓器將電源電壓為DC 12v的電壓穩定成DC 5V作為核心控制模塊、液位采集模塊及提示模塊的供電單元。再通過TL431穩壓器將5V電壓穩壓成2.7V，結合12V電源共同給顯示模塊供電。

2.3液位采集模塊

設計采用間接式聲波液位傳感器HC_SR04進行液位的采集，HC_SR04具有采集精度高、測量距離可調節、探測角度可調節、靜態工作電流小等優點。

采集電路工作原理：電路采用IO觸發測距的方式，給出最小為10us的高電平信號，并自動發送8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回，當檢測到有信號返回時，電路通過IO輸出一高電平，通過高電平持續的時間得到測試距離。計算方法：測試距離（S）=（高電平時間*聲速（340M/S））/2。測試距離的大小可以通過R3的阻值大小進行調節，當R3 阻值為 392R時，測試距離最大可達 4.5M 左右，探測角度小于 15 度;當R3 阻值為 472R時，測試距離最大可達 7M 左右，探測角度小于 30 度;本設計是便攜式水杯設計，測試距離相對較小所以采用R3阻值為392R即可滿足設計需求。

2.4提示模塊

提示模塊采用LED閃爍作為提示信號給用戶進行需要飲水的提示，內部采用晶振進行計時，每隔一個小時計時器輸出一個高電平信號，當飲水量小于預定值時，就把高電平信號給LED進行閃爍提醒。

2.5顯示模塊

整個顯示模塊由單片機STC89C52、控制驅動電路SSD1303和OLED顯示屏三部分組成，進行液位和飲水量計量值的顯示。OLED具備色彩表現顯眼、對比度高、響應時間短等優勢，在小尺寸屏幕占據優勢。SSD1303芯片主要由命令譯碼器、顯示時序發生器、MCU接口、電壓控制與電流控制、區顏色譯碼器、振蕩器、和圖形顯示數據存儲器（GDDRAM）、行驅動和列驅動組成。它專用于OLED驅動方案使OLED顯示性能達到最佳并降低了功耗。

工作流程：控制芯片STC89C52處理對采集模塊傳來的數據進行處理后控制SSD1303芯片驅動OLED進行液位值和計量值顯示。

3 系統軟件設計

系統主程序邏輯，首先初始化外設模塊，然后將間接式聲波傳感器HC_SR04采集到的液位值通過STC89C52控制芯片進行處理，處理過程：（1）通過語言首先將杯體半徑R和高度L寫入寄存器。（2）將HC_SR04采集的測試距離S送入STC89C52控制芯片。（3）液位值，水量值。（4）液位判斷，通過比較算法對采集到的液位進行比較，輸出比較結果，實現水位的重新設定和水量計量。

水量計量分為兩個階段：1.首先間接式聲波液位傳感器進行多次液位采集，然后進行進行液位實時采集比對，當有連續超過五次采集的液位值相相差±0.5mm時對這五次液位求平均值，將該平均液位作為實際液位進行顯。通過多次測量求平均值的方法，可以極大的減小測量誤差，提高系統的準確性。2.運用語言編代碼，進行每次采集數據的比較，若大于設定液位將實際液位作為設定液位，若小于設定液位則進行差值運算將差值與原計量值進行相加得到新的水量計量值并顯示。

4 結論

經過實驗分析，可以得出以下結論：采用間接式超聲波液位傳感器和STC89C52系列芯片能夠實現液位的精準測量和攝水量的計量且便于隨設攜帶，完全能夠實現人體日常健康攝水量計量需求。不足：本設計雖然對液位進行多次采集比對但是對動蕩液位測量仍存在誤差，后期需進一步優化設計。

參考文獻

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