通过单片机控制温度补偿超声波液位传感器、电阻应变式称重传感器来采集液位和重量信号;依据传感器采集的液位重量G与液位高度h比值G / h分辨浓/淡咸水、纯净水/白糖水。采用PH值传感器分辨白醋、采用透射式光电传感器分辨牛奶、通过导电性分辨盐水实现赛题发挥功能。增加限重报警、防止误操作造成损坏。系统启动后通过传感器采集流体特性信号,经调理和转换电路送入单片机。单片机数据处理后,通过液晶显示器显示出参数及液体分辨结果。
1. 前言
液体容器参数的测量是工业生产常见的领域;由于涉及到液位、重量、密度及PH值等也是化工自动化常见的研究对象,本文以2019年全国大学生电子设计竞赛试题高职高专组K题要求为目标,以超声波,电阻应变式、比重式传感器设计采集模块,以TC12C5A60S2单片机为核心,12864液晶显示,设计了一款简易多功能液体容器参数测量系统,经测试该系统实现了赛事的设计要求。
2. 系统设计
本系统主要包括数据采集模块、单片机控制控制模块、显示模块、供电电源和故障报警模块,及安装模块,系统总体框图如图1所示。
图1 系统总体框图
2.1 主控模块设计
控制单元采用TC12C5A60S2单片机最小系统板,扩展显示屏、蜂鸣器等显示、报警功能,系统电路如图2所示。
采用12864液晶同时显示选题要求的高度h、重量G、液体特性(浓盐水、淡盐水、纯净水、牛奶、白醋)等。
2.2 液位采集模块设计
图2 系统主控电路图
本系统采用超声波传感器,利用超声波传播过程中,遇到被测液体与空气界面产生反射回波的原理,获取液位。由于超声波在传输时受液体种类、温度、压强等因素影响,速度会有所变化,其中温度影响较大,为了保证系统实现高精度测量,本装置设计了温度补偿装置来减小超声波检测精度。超声波传感器采用电平触发测量,电平触发测距的时序如图3所示。
图3 电平触发测距的时序图
需要为超声波传感器Trig/TX管脚输入一个10μs以上的高电平,系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲,然后检测回波信号。当检测到回波信号后,模块同时进行温度值的测量,并根据当前温度对测距结果进行校正,将校正后的结果通过Echo/RX管脚输出。由于声速选择340m/s,超声波测距仪测得高电平时间为t,单位μs,则所测距离s,则有:
电路图如图4所示。
2.3 重量测量模块设计
图4 超声波检测电路图
设计选用电阻应变式称重传感器,其是将重力转变为电信号装置,主要是由弹性体、桥式电阻应变片和补偿电路组成。电阻应变片在没有受力的情况下四只电阻的阻值相等,电桥处于平衡状态,输出为零。在弹性体受力弯曲的过程中,受拉应变片电阻值增加;受压应变片电阻值减小;电桥失衡,在电桥的两端产生了电压差,检测这个电压差,就可以得到传感器所受重力的大小。电路如图5所示。2.4 液体密度及其它特性采集模块设计
图5 称重检测电路图
根据题目要求:需分辨出浓盐水和淡盐水,盐水浓度不同,密度不同,通过对比密度来分辨浓盐水及淡盐水,分析如下:液体密度ρ,通过重量传感器检测的重量G、液位高度h,则:
式中:g、s值不随液体种类的变化而变化,由此可推出:式中:k为常数。
根据上式,单片机对比前后两次记录值的比值G / h,分辨浓/淡咸水。依据传感器采集的液位重量G与液位高度h,对比前后两次记录值的比值G / h分辨浓/淡咸水、纯净水/白糖水液体种类。在分析纯净水、盐水、牛奶、白醋四种液体的液体特性,通过网络资源查得:白醋PH值为2~3、牛奶PH值为6.5、纯净水PH值6.5~8.5,盐水PH值6.5~7.5。显然:白醋为酸性,可采用PH值传感器分辨;而牛奶颜色透光性差,采用透射式光电传感器;盐水则具有良好的导电性能,通过导电性分辨。
3. 检测程序设计
要求程序具有以下功能:装置启动键按下后,整个控制系统可自动检测被测液体的液位、重量等参数,可在第一次测量的基础上分辨出第二次被测盐水的浓度,并相对显示,程序设置有过重报警模块以保护称重传感器。程序设计流程如图6所示。
4. 测试与分析
图6 主程序流程
图7 简易多功能液体容器
简易多功能容器液位测量装置结构如图7所示,对容器底面积为60mm×60mm的同一液体(纯净水)液位高度和重量测试数据如表1所示。
测试结果显示:分别装一定量(200~500ml)的同一中液体,液位测量绝对误差的绝对值≦2mm;重量测量绝对误差的绝对值≦1g;系统可区分不同浓度盐水,测试数据入下表2所示。
表1 液位高度和重量测试数据
表2 不同浓度盐水液位高度和重量测试数据
5. 结论
该系统设计简易,通过竞赛要求的区分项目,经过实验测试同时实现了相同体积浓盐水和淡盐水的区分;实现纯净水和白糖水的区分,检测参数及功能多样,系统加入了限重报警装置(蜂鸣),重量超1000g时蜂鸣报警。达到了设计要求。