畢 濤，張大為，劉 迪，葛寶川

一種基于STC8單片機的多功能容器設(shè)計

畢 濤，張大為，劉 迪，葛寶川

（海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東煙臺 264001）

本文設(shè)計一種以STC8為控制核心的多功能液體容器。由壓力傳感器、液位傳感器、TDS傳感器、PH傳感器、報警電路、顯示電路、存儲模塊、鍵盤輸入電路等模塊組成。利用A/D模塊HX711、ADS1115分別將壓力傳感器、PH傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實現(xiàn)對液體的重量和PH值的檢測；利用超聲波傳感器實現(xiàn)對溶液液位檢測，能夠計算溶液的體積，結(jié)合重量計算出液體的密度；利用TDS傳感器可對液體TDS進(jìn)行檢測；利用DS18B20溫度傳感器能夠?qū)σ后w溫度實時檢測；該裝置具有學(xué)習(xí)功能，能夠記錄液體的特征參數(shù)，可對液體種類進(jìn)行識別。還可通過藍(lán)牙連接手機，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與控制儀器運行。

STC8 壓力傳感器 液位傳感器 TDS傳感器 PH傳感器 A/D 串口通信

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)和日常生活中，經(jīng)常需要對液體的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，例如重量、液位、濃度、種類、溫度等，以實現(xiàn)生產(chǎn)智能化和自動化的需要。

本設(shè)計要求容器的容量大于600 ml，液位高度大于20 cm，能夠自動測量容器中液體的重量、液位，能夠準(zhǔn)確地判別液體的種類（白醋、牛奶、純凈水、鹽水等），能夠準(zhǔn)確區(qū)分淡鹽水和濃鹽水。具備學(xué)習(xí)功能，能夠存儲不同種類的液體，可通過藍(lán)牙將所測數(shù)據(jù)上傳到手機并通過手機控制儀器工作。

本設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)以STC8單片機為控制核心。該單片機是1T時鐘單片機，指令代碼完美兼容STC51單片機，且運行速度快10倍以上，適合大多數(shù)工程師拓展。

該系統(tǒng)的硬件電路主要包括：壓力傳感器、液位傳感器、TDS傳感器、PH傳感器、報警電路、顯示電路、存儲模塊、鍵盤輸入電路等模塊組成。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多功能容器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)具體實施方案

2.1 主控模塊

采用STC8單片機為控制核心，該系列單片機是不需要外部晶振和外部復(fù)位的單片機，是以超強抗干擾、超低價、高速度、低功耗為目標(biāo)的51單片機。在相同工作頻率下，STC8系列單片機比傳統(tǒng)的51單片機約快12倍，它是單時鐘/機器周期（1T）的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)51單片機。

2.2 壓力測量方案設(shè)計

本系統(tǒng)采用了一款專為高精度電子秤而設(shè)計的24 位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片HX711。與同類型芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強、成本低等優(yōu)點，硬件電路如圖2所示，軟件流程圖如圖3所示。

圖2 稱重硬件電路圖

物體放到壓力傳感器上會有不同的形變程度，會輸出幾毫伏的差分信號，該信號通過HX711模塊進(jìn)行電壓放大，輸出信號送給單片機控制。稱重前，首先進(jìn)行“去皮”即去除溶體本身的重量，然后倒入被測液體，即可測量其凈重。

圖3 稱重軟件流程圖

2.3 液位測量方案設(shè)計

本設(shè)計采用超聲波液位探測傳感器進(jìn)行液位測距，它具有波長短、繞射現(xiàn)象小、方向性好、定向傳播等特點。超聲波對液體、固體有很強的穿透力，超聲波碰到液體分界面會產(chǎn)生顯著反射形成回波，產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波測距有較高的準(zhǔn)確性，測量誤差小于2毫米。

該傳感器型號DS1603，利用超聲波穿透技術(shù)，把傳感器放在容器底部，可穿透8 mm厚度鋼板容器，可實現(xiàn)對容器內(nèi)的液體高度非接觸探測，把液體高度值轉(zhuǎn)化成電信號串口輸出。與安放在容器上端超聲波傳感器測量相比，具有測量精度高，實時輸出液體高度值，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飲料生產(chǎn)、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、飲水設(shè)備、化工設(shè)備、工業(yè)自動化、各行業(yè)危險液體物品探測。測量原理如圖4所示。

圖4 液位測量原理

2.4 學(xué)習(xí)模式設(shè)計

液體容器可以記錄任意指定溶液TDS、PH值。學(xué)習(xí)完畢后，可以判斷待測溶液的種類，存儲數(shù)據(jù)核心代碼如圖所示。所測溶液TDS、PH值與已經(jīng)記錄的9組指定溶液依次比較。若TDS誤差在50 PPM以內(nèi)，同時PH誤差在0.5以內(nèi)，則認(rèn)為是同種液體。存儲TDS、PH數(shù)據(jù)程序如圖5所示。自動識別液體種類程序如圖6所示。

圖5 存儲TDS、PH數(shù)據(jù)程序

圖6 自動識別液體種類程序

2.5 TDS測量方案設(shè)計

不同溶液的TDS是不同的，所以采用TDS傳感器可以對不用的溶液TDS進(jìn)行采集，通過E2PROM對TDS進(jìn)行存儲，當(dāng)有液體倒入容器時，只要液體滿足存儲TDS一定范圍之內(nèi)，會自動顯示該液體的種類。

為了避免同種液體采集TDS數(shù)值相差過大，系統(tǒng)會在1秒內(nèi)采集5次TDS數(shù)值，對這5次數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)計算，最終得出液體TDS數(shù)值。

TDS傳感器采用UART串口通信協(xié)議，主機連續(xù)發(fā)送三次“0xFD”，從機回復(fù)“0xFD+TDS低字節(jié)+TDS高字節(jié)+0xFC+0xFD”。TDS數(shù)值計算方法：TDS高字節(jié)*256 +TDS低字節(jié)。

串口2通信核心程序如圖7所示，兼容51單片機，包含串口2的初始化和中斷程序，主函數(shù)發(fā)送指令程序。讀取TDS流程如圖8所示。

圖7 串口2程序

圖8 讀取TDS流程

2.6 鹽水濃度測量計算與分析

通過超聲波液位傳感器、壓力傳感器模塊可以讀出溶液的液位和溶液的質(zhì)量，通過游標(biāo)卡尺能夠讀出容器的直徑，根據(jù)

公式（1）可計算出溶液的密度：

根據(jù)公式（2）可以計算出溶液的濃度：

雖然溶質(zhì)質(zhì)量不能直接測量，但是經(jīng)過大量反復(fù)的實驗，可以得出鹽水的密度與濃度成正相關(guān)。所以通過對比前后兩次溶液的密度值就可以分辨前后兩次溶液的濃淡。

為了降低系統(tǒng)誤判的概率，還可以同步對前后兩次溶液的TDS測量。經(jīng)過反復(fù)測試得出結(jié)論，TDS值越高，則溶液濃度越大。如果第一次測量溶液的密度和TDS值均大于第二次，則說明第二次測量的溶液是淡鹽水。如果第一次測量溶液的密度大于第二次測量，而第一次測量溶液TDS值小于第二次測量，則系統(tǒng)重新對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2.7 顯示電路

OLED顯示模塊：本身具有自發(fā)光、可視角度大、功耗低的特性。顯示區(qū)域是128×64的點陣，每個點都能自己發(fā)光而不需要背光?？娠@示漢字、ASCII、圖案等，對比度很高，十分美觀。支持3 V～5 V直流寬電壓供電，采用SPI通信方式，只要4個I/O口就能驅(qū)動。

2.8 低功耗休眠模式

STC8休眠模式有采用空閑模式與斷電模式，在斷電模式下程序指令與定時器同時被凍結(jié)，而在空閑模式下程序指令被凍結(jié)但定時器不會被凍結(jié)。為了實現(xiàn)在低功耗下既保持內(nèi)部中斷不停又準(zhǔn)確無誤地計時，就需要保證程序指令不被凍結(jié)。采用單片機控制OLED字符顯示來抑制輸出，從而降低整機功耗以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計的需求。

2.9 水溫測量電路設(shè)計

本設(shè)計采用具有防水結(jié)構(gòu)的水溫傳感器DS18B20，能夠?qū)崟r測出水溫。與此同時，如果水溫超過指定溫度后可通過繼電器切斷電路，具有保護(hù)功能，如圖9所示。本蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。本系統(tǒng)所采用的報警模塊為5 V有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管9012來驅(qū)動，只要單片機控制引腳為低電平，蜂鳴器就會鳴叫報警，反之則不鳴叫。

圖9 蜂鳴器控制線路

2.10 PH測量方案設(shè)計

PH電極通過同軸細(xì)纜接口(BNC)輸出毫伏信號，然后通過放大電路模塊實現(xiàn)信號的放大。電壓讀取可以選用單片機或者萬用表測量。選用標(biāo)準(zhǔn)溶液，記錄對應(yīng)的輸出電壓，繪制電壓與PH值對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖10所示。將PH電極放入待測溶液中，采集輸出電壓，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，將輸出電壓計算為待測溶液的PH值。輸出為模擬量信號，轉(zhuǎn)換精度受制于A/D芯片的轉(zhuǎn)換精度，可以采用16位A/D芯片，精度可達(dá)0.001。

圖10 電壓與PH值對應(yīng)關(guān)系的曲線

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計和實驗結(jié)果

液體容器的主要功能是通過軟件編程實現(xiàn)的。該系統(tǒng)先要測量溶液的重量，算出溶液的密度，結(jié)合TDS來判斷溶液的濃淡。通過記錄TDS、PH數(shù)值來判斷溶液的種類，測量水溫來控制溶液的溫度。通過學(xué)習(xí)裝置可以自行學(xué)習(xí)指定溶液種類。系統(tǒng)流程圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)軟件實施方案

該容器調(diào)試完畢后，經(jīng)過測量可以得到以下的測試結(jié)果，如表1所示。誤差分析：由于溶液不同位置TDS值有所差異，所以誤差在0～50 PPM浮動屬于正?，F(xiàn)象。同時，還要保證TDS傳感器清潔，混入其他液體或者雜質(zhì)均會影響TDS值測量。重量、PH要實現(xiàn)高精度測量，至少選取16位以上A/D轉(zhuǎn)換芯片，例如ADS1110。液位測量要用熱熔膠將傳感器固定到容器底部，容器底部厚度要小于8 mm，否則影響測量精度。

表1 實驗結(jié)果

4 結(jié)論

在工業(yè)自動化生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)和日常生活中，經(jīng)常需要對液體重量、液位、密度、濃度、PH、TDS、溫度進(jìn)行測量以滿足需求。同時具備一定的學(xué)習(xí)功能，以便于識別種類功能拓展。本設(shè)計采用STC8單片機是高級版本的51單片機，其指令代碼完美兼容51單片機，利于工程師后續(xù)開發(fā)。例如，可利用串口3拓展接入藍(lán)牙模塊，通過手機app控制容器的開啟與關(guān)斷，也可將所測數(shù)據(jù)上傳至手機app，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能。

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Design of multifunctional liquid container based on STC8

Bi Tao, Zhang Dawei, Liu Di, Ge Baochuan

(School of Basic Science for Aviation Naval Aeronautical University, Yantai 264001, Shandong, China)

TN27

A

1003-4862（2022）03-0005-05

2021-09-02

國家自然科學(xué)基金（51377168）

畢濤（1986-），男，漢族，講師。主要從事控制工程。E-mail: 349030186@qq.com