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光电式液位检测（红外对射管阵列）—— 最可靠、最稳定的液位检测方案

关键词：红外对射管、液位检测、光电液位、输液泵、智能水杯

前言

做了大半辈子电子，从 80 年代的模拟电路，到后来的单片机、ARM、物联网，经手的项目少说也有上百个。如果你问我，在液位检测这个细分领域，什么方案最值得信赖，我会毫不犹豫地告诉你：红外对射管阵列。

这玩意儿的原理简单到不需要智商去理解——有水没水，光是直射还是偏折，就这么回事。但恰恰是这种物理层面的"简单"，造就了它近乎变态的可靠性。

我早年做医疗输液泵的时候，这个方案用了十几年，批量出货几十万台，从来没有因为液位检测本身出过任何一起医疗事故级别的故障。零。后来做智能水杯，也是这套方案，稳如老狗。

今天就把这个方案掰开揉碎了讲清楚。

目录

1. 核心原理
2. 系统架构
3. 硬件实现
4. 电路设计详解
5. 结构设计要点
6. 软件算法
7. 抗干扰与可靠性设计
8. 与其它方案的对比
9. 实际应用案例
10. 常见问题与排查

1. 核心原理

1.1 光学基础

一切的基础，就是一个中学物理实验：光的折射。

当一束红外光从空气射入水中时，由于空气和水的折射率不同（空气 ≈1.0，水 ≈1.33），光线会在界面处发生折射，传播方向发生偏折。

我们在杯子（容器）的一侧安装红外发射管（IR LED），正对面安装红外接收管（光电三极管），两者组成一对"对射管"。

无水状态 有水状态 ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │ │ │ │ │ LED ●─────→│→→→→→→→→→→→→→→→ │ PD │ │ │ 光线直射 │ │ │ (空气) │ 光强大 │ (空气) │ │ │ │ │ │ LED ●─────→│→→→↘ │ PD │ │ │ 光线偏折 │ │ │ ( 水 ) │ 光强小 │ ( 水 ) │ │ │ │ │ └─────────────┘ └─────────────┘ LED = 红外发射管 PD = 光电接收管（Photodiode/光敏三极管） ● = 发射端 → = 光线路径

1.2 判断逻辑 —— 比你想的更简单

这不是一个"模棱两可"的概率判断，而是一个确定性的物理二值判断。光要么直射过来，要么偏折走了——不会有第三种情况。

这就是为什么我说它"绝对可靠"的根本原因。

2. 系统架构

2.1 对管阵列

沿容器侧壁垂直排列5~8 组红外对管，每一组对应一个液位档：

┌──────────────────┐ │ │ ─────┤ D8 ←──●── E8 │ ← 第8档 (最高) │ │ ─────┤ D7 ←──●── E7 │ ← 第7档 │ │ ─────┤ D6 ←──●── E6 │ ← 第6档 │ │ ─────┤ D5 ←──●── E5 │ ← 第5档 │ │ ─────┤ D4 ←──●── E4 │ ← 第4档 │ │ ─────┤ D3 ←──●── E3 │ ← 第3档 │ │ ─────┤ D2 ←──●── E2 │ ← 第2档 │ │ ─────┤ D1 ←──●── E1 │ ← 第1档 (最低) │ │ └──────────────────┘ E1~E8 = 红外发射管 (Emitter) D1~D8 = 红外接收管 (Detector) ●→ = 红外光线路径 ───── = 液面

当前液位 = 从下往上数，最后一个"无水"档位对应的接收管。

举个例子：D1、D2、D3 接收到光（无水），D4~D8 没接收到（有水），说明液面在第 3 档和第 4 档之间，当前液位 = 3 档。

2.2 档位数量的选择

对于智能水杯，6 档是我最推荐的配置：配合 300~400ml 的杯子，每档约 50~60ml，分辨率和成本达到最优平衡。

3. 硬件实现

3.1 器件选型

红外发射管（IR LED）

推荐型号（仅作参考）：

• 亿光（Everlight）IR91-21C/TR10（0603）
• 欧司朗（Osram）SFH 4045N（更贵但性能更好，医疗设备用）

红外接收管（光电三极管 / Phototransistor）

推荐型号（仅作参考）：

• 亿光 PT91-21C/TR10（0603，与发射管配对）
• 威世（Vishay）TEPT5700（插件，性能优异）

一对管子的总物料成本：不到 5 毛钱。6 组就是 3 块钱。加上 PCB 和 MCU，整个液位检测模块的 BOM 成本不超过 8 块钱。

3.2 MCU 选择

基本没有要求，有足够的 GPIO 即可：

• 6 组对管：需要 6 个输出（驱动 LED）+ 6 个 ADC 输入或数字输入 = 12 个 GPIO
• 任意一颗 Cortex-M0 以上的芯片都绰绰有余
• 推荐：STM32F030、GD32E230、STM8S003、华大 HC32L110 等

如果 GPIO 不够，可以用 74HC595（串转并）驱动发射管，用 74HC165（并转串）读接收管，或者干脆用模拟开关轮询。

4. 电路设计详解

4.1 发射端驱动

最简单的驱动方式：GPIO 直接通过限流电阻驱动红外 LED。

VCC (3.3V) │ │ ┌┴┐ │ │ R_limit │ │ 100Ω ~ 330Ω └┬┘ │ ├────→ 接红外LED阳极 │ ┌─┴─┐ │LED│ 红外发射管 └─┬─┘ │ ├────→ 接GPIO (推挽输出) │ ═══ GND R_limit = (VCC - Vf_LED) / If 假设: VCC=3.3V, Vf_LED=1.2V, If=5mA 则: R_limit = (3.3 - 1.2) / 0.005 = 420Ω 取标称值: 390Ω 或 470Ω

如果 GPIO 驱动电流不够（某些 MCU 单引脚最大 5mA）：

用 NPN 三极管增强驱动：

VCC (3.3V) │ ┌┴┐ │ │ R_limit └┬┘ │ ┌─┴─┐ │LED│ └─┬─┘ │ C GPIO ──[Rb]──B NPN (如 S8050) E │ ═══ GND

4.2 接收端检测

光电三极管接成共射极放大形式：

VCC (3.3V) │ ┌┴┐ │ │ R_load 负载电阻（关键参数！） │ │ 10kΩ ~ 100kΩ └┬┘ │ ├────────────→ 接MCU ADC输入 │ C ┌────────B NPN光电三极管 │ E │ │ │ ═══ │ GND │ (受红外光照射) 有水时: Ic↓ → Vout↑ (接近VCC) 无水时: Ic↑ → Vout↓ (接近GND)

负载电阻 R_load 的选择是核心——选大了灵敏度高但容易饱和，选小了区分度不够。我的经验值：

• 发射管驱动电流 5mA、接收距离 10~20mm：R_load = 47kΩ
• 发射管驱动电流 3mA、接收距离 20~30mm：R_load = 100kΩ
• 发射管驱动电流 10mA、接收距离 5~10mm：R_load = 10kΩ

不要盲信计算结果，一定要用示波器实测波形，找到"有水"和"无水"状态下电压差最大的 R_load 值。

4.3 完整电路示例

下面是一个 6 通道的完整电路设计：

发射端（6通道）: 接收端（6通道）: GPIO_PA0 ──[R0]──[LED0]──GND VCC─[Rload0]──┬── ADC_IN0 ─ MCU GPIO_PA1 ──[R1]──[LED1]──GND C GPIO_PA2 ──[R2]──[LED2]──GND [PD0]B GPIO_PA3 ──[R3]──[LED3]──GND E GPIO_PA4 ──[R4]──[LED4]──GND │ GPIO_PA5 ──[R5]──[LED5]──GND GND R0~R5 = 390Ω (限流电阻) LED0~LED5 = 940nm 红外发射管 PD0~PD5 = 940nm 光电三极管 Rload0~Rload5 = 47kΩ (负载电阻) 不用的ADC通道也要接地或拉高，不要浮空！

4.4 省电设计（电池供电场景）

智能水杯通常用锂电池供电，省电是关键。以下手段可以把液位检测的平均功耗做到 < 50μA：

1. 间歇检测：每 100ms 检测一次，每次亮 100μs

   • 占空比 = 100μs / 100ms = 0.1%
   • 平均功耗 = 峰值功耗 × 0.1%

2. 分时点亮：不要 6 个 LED 同时亮

   • 逐个点亮，逐个检测
   • 瞬时电流小，电源纹波也小

3. 睡眠时完全断电：用 GPIO 控制 LED 供电的 PMOS 开关，不检测时完全关断

具体时序: ┌──── 100ms ────┐┌──── 100ms ────┐ │ ┌100μs┐ ││ │ │ │Ch1~6│ 休眠 ││ ... │ └──┴─────┴──────┘└───────────────┘ 每100ms唤醒 → 依次扫6个通道(每通道~15μs) → 总共~100μs → 休眠

5. 结构设计要点

结构设计是这套方案最容易踩坑的地方，也是很多新手搞不定的环节。

5.1 透光窗口 —— 核心中的核心

普通塑料（比如 ABS、PP）对红外光是不透明的——或者说透过率极低。如果不做处理直接把管子贴在杯子外壁上，你会发现不管有水没水，接收管都收不到光。

解决方案有三种：

方案 A（开窗）是性价比最高的选择，也是我在量产产品中最常用的做法。具体操作：

1. 在杯体模具上设计 6 组对穿的窗口（每个窗口 3×3mm 左右）
2. 窗口用透明 PC 或 PMMA 薄片覆盖（可以做成装饰件的一部分）
3. 发射管和接收管的 PCB 贴在窗口外侧

关键尺寸参考：

• 窗口直径：2~4mm（太小对不准，太大漏光）
• 对射距离：8~25mm（杯子壁厚决定）
• 管子的安装位置要精确——发射管、窗口、接收管三者必须在同一光轴上

5.2 对管安装精度

0603 封装的 LED 尺寸是 1.6×0.8mm，这么小的东西要对准确实不容易。

量产做法：

1. 在 PCB 上做好定位孔/定位边
2. 管子上件后用 AOI（自动光学检测）检查偏移
3. 装配时用定位柱/卡扣保证 PCB 和杯体的相对位置
4. 如果有条件，用 UV 胶把 PCB 和杯体固定在一起

手动对位的土办法（做样品时用）：

• 先在杯壁上画好位置标记
• 接通发射管，在接收端用手机摄像头看红外光斑（手机摄像头对红外敏感）
• 调整到光斑最亮的位置，做好标记
• 最后用热熔胶或快干胶固定

5.3 环境光隔离

红外接收管不光对发射管的红外光敏感，对太阳光、白炽灯、甚至某些 LED 灯具中的红外成分也敏感。

必须做遮光设计：

1. 物理遮挡：PCB 和杯体之间加黑色硅胶垫圈，阻断外部光路
2. 遮光罩：在接收管周围加一个黑色的小围挡
3. 软件相减：检测时先读一次"发射管关闭"状态（环境光本底），再读一次"发射管打开"状态，两者相减得到净信号
4. 调制检测：发射管用 38kHz 调制，接收端带通滤波——这是最彻底的方案，但电路稍复杂

对于绝大部分消费类产品，方案 1+2+3 就足够了。

6. 软件算法

6.1 基本检测流程

// 伪代码 #define CHANNEL_COUNT 6 #define THRESHOLD 1500 // ADC阈值，根据实测标定 typedef struct { uint16_t adc_water; // 有水时的ADC值（标定存入） uint16_t adc_air; // 无水时的ADC值（标定存入） uint16_t threshold; // 判决阈值 = (adc_water + adc_air) / 2 } channel_cal_t; channel_cal_t cal[CHANNEL_COUNT]; // 出厂标定数据，存在Flash/EEPROM里 uint8_t detect_liquid_level(void) { uint8_t level = 0; for (int ch = 0; ch < CHANNEL_COUNT; ch++) { // 1. 关闭发射管，读环境光本底 led_off(ch); delay_us(10); uint16_t ambient = adc_read(ch); // 2. 打开发射管，读信号 led_on(ch); delay_us(50); // 等光电三极管稳定 uint16_t signal = adc_read(ch); led_off(ch); // 3. 净信号 = 信号 - 本底 uint16_t net = (signal > ambient) ? (signal - ambient) : 0; // 4. 判断：净信号 > 阈值 → 无水 → 该档位有效 if (net > cal[ch].threshold) { level = ch + 1; // 1-based 档位 } else { break; // 一旦某个档位有水，上面档位必然也有水 } } return level; }

6.2 标定流程（出厂必须做）

每台设备出厂前都需要标定——千万不要用一个固定的阈值！！原因：每个杯子的透光率、管子的安装偏差、PCB 公差都不一样。

标定流程：

步骤1: 空杯标定 —— 记录每个通道的"无水ADC值" 杯内完全干燥 → 检测6个通道 → 记录 adc_air[0..5] 步骤2: 满杯标定 —— 记录每个通道的"有水ADC值" 杯内装满水 → 检测6个通道 → 记录 adc_water[0..5] 步骤3: 计算自适应阈值 threshold[ch] = (adc_air[ch] + adc_water[ch]) / 2 步骤4: 写入Flash，生产完成

标定时的附加检查：

• 检查adc_air是否在合理范围（不能太小，否则说明光路没对准）
• 检查adc_air - adc_water的差值是否足够大（建议 > 500 个 ADC 字）
• 如果差值太小，说明该通道有问题，标记不良，返修

6.3 喝水行为检测（智能水杯核心功能）

前文说了，红外对管只能做档位检测，无法连续测量液位。但智能水杯需要记录用户的饮水量，怎么办？

答案：通过对"喝水行为"建模。

#define DEBOUNCE_MS 2000 // 消抖时间：液位变化需持续2秒才确认 uint8_t last_stable_level = 0; uint32_t level_change_time = 0; typedef struct { uint32_t timestamp; uint8_t level_before; uint8_t level_after; uint16_t volume_ml; // 估计饮水量 } drink_event_t; void check_drinking(void) { uint8_t current_level = detect_liquid_level(); // 消抖：液位必须稳定一段时间才确认变化 if (current_level != last_stable_level) { if (level_change_time == 0) { level_change_time = get_tick_ms(); // 开始计时 } else if (get_tick_ms() - level_change_time > DEBOUNCE_MS) { // 确认液位变化 if (current_level < last_stable_level) { // 液位下降 → 喝水事件！ uint8_t diff = last_stable_level - current_level; uint16_t volume = diff * ML_PER_LEVEL; // 每档对应的毫升数 drink_event_t event = { .timestamp = get_tick_ms(), .level_before = last_stable_level, .level_after = current_level, .volume_ml = volume, }; log_drink_event(event); } // 液位上升 → 加水事件，不计入饮水量 last_stable_level = current_level; level_change_time = 0; } } else { level_change_time = 0; // 液位恢复，重置计时器 } }

喝水检测的几个经验参数：

7. 抗干扰与可靠性设计

7.1 常见干扰源及对策

7.2 故障检测与容错

做医疗设备养成的习惯：任何一个传感器都可能坏，你必须知道它坏了。

typedef enum { CH_OK = 0, // 正常 CH_OPEN_CIRCUIT, // 开路（管子虚焊/断线） CH_SHORT_CIRCUIT, // 短路 CH_LOW_SIGNAL, // 信号太弱（水垢/老化/错位） CH_STUCK_HIGH, // 卡在高电平 CH_STUCK_LOW, // 卡在低电平 } channel_status_t; channel_status_t self_test_channel(uint8_t ch) { // 测试1: LED关闭时，ADC应该接近0（检查接收管是否短路到VCC） led_off(ch); if (adc_read(ch) > ADC_VCC * 0.9) return CH_SHORT_CIRCUIT; // 测试2: LED打开时，应有明显信号（检查光路是否正常） led_on(ch); delay_us(50); uint16_t signal = adc_read(ch); led_off(ch); if (signal < cal[ch].threshold * 0.1) return CH_LOW_SIGNAL; if (signal > ADC_VCC * 0.95) return CH_STUCK_HIGH; return CH_OK; }

7.3 EMC/ESD 保护

• 所有对外接口（触摸按键、USB 充电口）加 TVS 管
• 红外管的引线尽量短，PCB 走线远离开关电源的 SW 节点
• 接收管的 ADC 输入端并联 100pF 小电容，滤除高频干扰
• 生产线上 ESD 枪打 ±8kV 接触放电，±15kV 空气放电，不能复位/死机/误报

8. 与其它方案的对比

说实话，市面上智能水杯用的液位检测方案五花八门，但真正靠谱的不多。

为什么我不推荐气压计方案

这几年有些智能水杯用气压计（大气压力传感器）来测液位，通过测量杯底水压来推算液位高度。听起来很高级，但实际上：

• 温漂大得离谱：气压计对温度极其敏感，喝水时倒入热水，温度一变，读数就飘
• 绝对精度差：消费级气压计的分辨率虽然高（可以到厘米级水柱），但绝对精度和重复性完全不够
• 需要频繁校准：大气压本身就在变化（天气），每次使用前都要校准零点
• 杯口不密封：水杯不是密闭容器，气压计方案先天不足

相比之下，红外对管方案不受温度、水质、气压的任何影响。

9. 实际应用案例

9.1 医疗输液泵（2005~2012年，本人在某医疗电子公司）

输液泵需要对输液袋/输液瓶中的剩余药液进行实时监测，在药液即将耗尽时报警并自动停止输液。

为什么用红外对管？

• 医疗设备不允许出错——输液空了还在输液会产生气栓，严重可致死
• 输液袋里的药液种类繁多（生理盐水、葡萄糖、化疗药……），pH 值、电导率、粘度都不一样
• 电极法受药液电导率影响，电容法受介电常数影响——只有光学法对所有液体一视同仁

配置：8 组对管，2cm 间距，输液袋挂在挂钩上，对管阵列贴在输液袋外侧。

这个产品拿到了 CFDA 三类医疗器械注册证，出货量超过 30 万台。液位检测模块零故障。

9.2 智能水杯（2016~2018年，某消费电子创业公司）

在智能水杯项目上，我们沿用了红外对管方案：

• 6 组对管，覆盖 350ml 容量，每档约 58ml
• 杯体采用PCTG 透明材料（Tritan），省去开窗工序
• BLE 蓝牙连接手机 APP，实时上传饮水量数据
• 一杯电（200mAh 锂电池）续航约45 天（液位检测的低功耗设计功不可没）

量产数据：

• 首批 5000 台，液位检测不良率 < 0.8%
• 不良品分析：70% 是装配对位偏差，20% 是焊接虚焊，10% 是来料问题
• 改进装配工装后，不良率降至 < 0.1%

9.3 水位报警器（一个很小的副项目）

还做过一个简单的水位报警器：在鱼缸、花盆、地面积水检测等场景用。

只有 2 组对管：一组在底部（检测是否有水），一组在顶部（检测是否满水）。整个电路不到 5 块钱，一节 CR2032 用大半年。

10. 常见问题与排查

Q1: 同一个通道，有水和无水的 ADC 差值很小，怎么解决？

排查步骤：

1. 用示波器看接收管两端的电压波形——是不是根本没有变化？
2. 检查窗口是否有异物遮挡（贴膜、污渍、胶水溢出）
3. 增大 R_load 电阻（试试翻倍），提高增益
4. 增大 LED 驱动电流（减少限流电阻）
5. 检查管子型号——是不是用了可见光 LED 而不是 940nm 红外 LED？
6. 换个方向看——发射管和接收管是不是装反了？（真的有批量装反的惨案）

Q2: 为什么空杯时 ADC 值也很低（应该很高的）？

排查步骤：

1. 管子装反了（发射和接收互换）
2. 发射管正负极反了
3. 光路被遮挡
4. 杯体材料对红外不透明（把杯子放在发射管和接收管之间，用手电筒照一下，看透不透）
5. 接收端 R_load 虚焊/变值

Q3: 有水无水能区分，但档位偶尔跳变？

排查步骤：

1. 消抖时间够不够？增加到 3 秒试试
2. 杯子是否倾斜？加个倾角检测
3. 是否有气泡附着在窗口上？水里加点洗洁精再测试，如果问题消失就是气泡
4. 检查电源纹波——纹波大了会导致 ADC 不稳

Q4: 开窗方案会不会漏水？

不会。窗口是在杯体外壳上，不是在内胆上。杯体内胆是完整的密封容器（玻璃或不锈钢内胆），红外对管检测的是透过外壳和内胆的光路。外壳上的窗口只是个"观测窗"，不影响密封。

Q5: 能不能用在金属杯子上？

不能直接贴在外面用。金属对红外光完全不透明。如果一定要用金属杯子：

• 方案 1：在金属杯体上开窗（机械加工成本高）
• 方案 2：在杯口上方做一个小型的透明"液位柱"（连通器原理），在液位柱上做检测
• 方案 3：换方案——金属杯子建议用称重法

结语

写了这么多，其实归根到底就一句话：好的方案，往往是简单的方案。

红外对管测液位这个东西，原理简单到不用解释，器件便宜到不用还价，可靠到不用怀疑。它不是什么"新科技"——80 年代就有成熟应用了。但它就是好用，经过了时间的检验。

在一个动不动就上激光雷达、AI 视觉、毫米波传感器的时代，能用几毛钱的红外对管解决的问题，就别搞那么复杂。这也算是我做了 40 年电子工程的一点心得：工程技术的最高境界，不是把事情做复杂，而是把事情做简单。

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写于 2026 年 7 月某个周末的午后，一壶铁观音，一台示波器，调了一下午的电源纹波，顺便写了这篇。