一種多功能液體容器的設計與實現

李穎華 徐云龍 李 強

（1、西安明德理工學院信息工程學院，陜西 西安 710124 2、九江職業技術學院電氣工程學院，江西 九江 332007）

隨著智能化產業的飛速發展，許多智能電器已經步入尋常百姓家，如智能電視、智能空調、智能廚具等。自動測定、顯示液體的液位和重量，并判別液體種類的智能容器，也是智能化生活中必不可少的。高端智能液體容器的研發在國外起步較早，當前亟需探索本土化日用液體測量裝置，滿足操作簡單、可后續擴展的需求。智能液體容器的控制核心是微控制器，通過重量傳感器、液位傳感器、酸堿度傳感器、電阻率傳感器、光電傳感器等采集液體數據，再由主控芯片處理并實時顯示，實現自動測量；通過微處理器程序控制算法，識別液體種類。

1 系統總體設計

多功能液體容器測量系統的總體結構如圖1 所示。

本系統主要由五大模塊構成：電源模塊、系統控制模塊、液體測量模塊、鍵盤輸入模塊和顯示模塊。選用容量1L、高22cm、有液位標記的透明塑料容器，通過鍵盤輸入模塊啟動自動測量并顯示純凈水、白糖水、鹽水、牛奶、白醋的液位、重量及液體種類。其中，電源模塊采用7805 和7812 穩壓塊實現穩壓供電；控制模塊采用新唐N76E885 微控制器實現系統主控及信號處理；液體測量模塊利用液位傳感器、壓力傳感器、pH值傳感器、電阻傳感器等測量液體參數，并通過液晶顯示模塊顯示。軟件部分采用Keil C 程序語言開發和調試。

2 理論分析與計算

2.1 系統相關參數設計

系統設計要能檢測不同液體的液位、重量參數，并顯示檢測結果。液體容器中分別裝載200ml～500ml 不同種類的溶液，溶液的濃度定義為質量百分比濃度，鹽水濃度0%～30%，白醋酸度為9° 市售白醋，牛奶為市售純牛奶，白砂糖糖水濃度為10%。

溶液濃度=（溶質質量/溶液質量）× 100%

測量液體重量時先去皮，測試重量m 實際值為液體凈重，液位h 實際值為容器標記讀數。液體參數的實際值與測量值之差為測量絕對誤差，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，即：

測量鹽水時，系統能夠區分不同濃度的鹽水，并顯示“濃鹽水”或“淡鹽水”。

2.2 理論分析與計算

本系統選用超聲波探頭實現液位測量。利用超聲波的反射特性和回波測距原理計算液位，檢測原理如圖2 所示。首先測量超聲波速度v、傳播時間t 及容器高度H，然后根據超聲波速度和傳播時間的關系，計算出被測液位h：

圖2 超聲波檢測液位原理

系統控制核心產生頻率為40kHz、持續時間為0.1ms 的周期脈沖信號，經發射驅動電路加至超聲波探頭。當第1 個脈沖發射后，控制核心開始計數，在檢測到第1 個回波脈沖的瞬間停止計數，得到發射到接收的時間間隔t。信號采集的關鍵是放大傳感器輸出的弱信號，系統選用NE5532 實現運放功能，運放工作原理如圖3 所示，其正、負輸入端電壓分別記作u+、u_，運放輸入信號ui，輸出信號uo，則：

圖3 放大電路

3 系統實現

3.1 系統硬件電路設計

系統硬件電路中，以7805、7812 為主的電源模塊為單片機提供直流穩壓電源，主控核心新唐N76E885 單片機產生系統所需的8 路PWM波，引入10 個外部中斷用于實現彩屏顯示和按鍵切換功能；鍵盤輸入模塊為獨立按鍵輸入；顯示模塊選用小體積、低功耗的LCD12864 液晶顯示器，其內置128 個16× 8 點陣ASCII 字符及漢字字庫，顯示分辨率為128× 64。液晶采用并行方式顯示，數據端、控制端、RS 端、R/W 端、E 端接口方便，可顯示液位、重量、液體種類三項測量數據；液體測量模塊采用液位傳感器測量液位參數，用壓力傳感器測量重量參數，通過電阻、壓力、pH 值、光電和超聲波五種傳感器電路測量純凈水、白糖水、鹽水、牛奶、白醋的液位及重量，并判別液體種類。系統硬件電路設計原理如圖4 所示。

圖4 系統硬件電路原理圖

3.2 系統軟件設計

硬件電路模塊化的設計簡化了軟件設計，液位測量采用微控制器內部計數器T0 完成，系統軟件設計分為主程序和中斷服務子程序。主程序完成初始化、液位和重量測量、液體種類辨別、結果顯示，中斷服務子程序完成時間值讀取。系統軟件設計流程如圖5 所示。

圖5 程序流程圖

4 系統測試

一鍵啟動多功能液體容器，分別檢測市售純牛奶、9° 白醋、10%和30%鹽水、純凈水、10%糖水的液位、重量、種類，并實時顯示。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；另外，在液體檢測過程中，由于每測試一次，都需要對容器進行清洗、烘干、移裝等操作，所以通過中斷服務子程序實現用戶自由設置時間間隔，保證液體換裝時間充足。在液體容器中分別裝載200ml～500ml 不同種類的溶液，經過反復多次檢測，確定最佳參數。任意一組的測試數據如表1 所示。

表1 所示的測試選取了五種液體，對空容器進行清洗操作后，加裝牛奶，數據顯示34mm 液位（實際35.1mm，絕對誤差1.1mm）、液體重量顯示266.1g（實際265.5g，絕對誤差0.6g），顯示的液體名稱為“牛奶”。對容器進行清洗、加裝液體、移除牛奶、去除殘留牛奶操作后，再依次測試白醋、鹽水、純凈水、白糖水，數據顯示的液位、重量及名稱均達到基本要求。

表1 測試數據

5 結論

本系統檢測5kg 內液體液位200ml～500ml，參數均符合基本要求，液位測量絕對誤差低于2mm，重量測量絕對誤差低于1g。系統測試時能迅速區分不同濃度的鹽水，并顯示鹽水相對濃度；能分辨純凈水、鹽水、牛奶、白醋、白糖水5 種液體的種類。系統設計考慮了后續進一步優化，液體容器通過外貼式的超聲液位傳感器對液體進行實時監控，可擴展溫度測量模塊來補償超聲波隨溫度變化而引起的波速變化；還可擴展報警功能，容器有液體殘留時或液體即將溢出時報警（如蜂鳴器、發光管）。