一种简易多功能液体容器测量装置的设计

甘肃交通职业技术学院筑机工程系 王建莉 田成元

兰州工业学院机电工程学院 张 总

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，128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。

图2 系统主控电路图

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。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3 电平触发测距的时序图

图1 系统总体框图

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

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128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

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• 139 •

ELECTRONICS WORLD・技术交流图4 超声波检测电路图图6 主程序流程

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。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图7 简易多功能液体容器

盐水，测试数据入下表2所示。30085300

35097349

400114401

450125450

表1 液位高度和重量测试数据

液体体积（ml）液位高度（mm）

20056199

25069249

图5 称重检测电路图

重量(g)

2.4 液体密度及其它特性采集模块设计

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。10%盐水30%盐水

表2 不同浓度盐水液位高度和重量测试数据

液体体积（ml）

液位高度（mm）

重量(g)液位高度（mm）

重量(g)

2005421554245

2507026970309

3008132181365

35096374928

4001114301114

450125481125553

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。

参考：周平，基于单片机的液位检测系统设计：宜春学院学报，2013；鲁可，张晓东，马宏旭，基于单片机的超声波液位检测系统设计：机电工程技术，2014；肖荣荣，液体内部压强探究演示仪：中小学实验与装备，2019；王仲夏，马万国，张涛，基于单片机高精度电子天平设计：电子测试，2017；杨慧英，容器液位视觉检测方法研究：装备制造技术，2018。

甘肃省2019年度高等学校创新能力提升项目（编号：2019B-265）。作者简介：王建莉（1984—），女，硕士研究生，讲师，研究方向：机械制造及其自动化。

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

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• 140 •