智能密度測量儀的研制

1、智能密度測量儀的研制論文摘要：傳統(tǒng)的密度測量方法，系統(tǒng)誤差和相對誤差都較大。本文所提出的智能密度測量儀對密度測量的儀器和方法都進(jìn)行了改良。系統(tǒng)通過ADHX711芯片將壓力傳感器信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以AT89S52單片機(jī)為控制核心,實(shí)現(xiàn)對各種形狀固體和不同液體密度的精確測量；利用按鍵實(shí)現(xiàn)對芯片的實(shí)時控制，并以指示燈顯示按鍵的狀況；采用自制溫度傳感器檢測當(dāng)前的水溫參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)比照出當(dāng)前水的密度，再由壓力傳感器測出物體在水中的視重，通過單片機(jī)對主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，精確測量出被測物體的密度值。論文關(guān)鍵詞：密度,壓力傳感器引言在物理學(xué)中，把某種物質(zhì)單位體積的質(zhì)量叫做這種物質(zhì)的密度。數(shù)學(xué)表達(dá)式為=m/

2、V，而當(dāng)今對密度的測量方法首先使用天平測出質(zhì)量，然后使用量筒測出體積，最后使用公式得出密度。方法見下表1。表1常用密度測量方法密度這一物理常量在日常生產(chǎn)生活中具有廣泛的應(yīng)用。可從以下幾個方面反映出來:1.可鑒別組成物體的材料。2.可計算物體中所含各種物質(zhì)的成分。3.可計算某些很難稱量的物體的質(zhì)量或形狀比擬復(fù)雜的物體的體積。4.可判定物體是實(shí)心還是空心。5.可計算液體內(nèi)部壓強(qiáng)以及浮力等。6.可測量未知液體密度。7.可測量液體純度測量和液體雜質(zhì)類型。綜上所述，可見密度在科學(xué)研究和生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用。對于鑒別未知物質(zhì)，密度是一個重要的依據(jù)。由此對密度測量尤其是高精度的密度的測量更是當(dāng)今生產(chǎn)與生

3、活過程中的迫切需要。本密度測量儀是高精度的密度測量儀器具有實(shí)用，便攜，精度高，穩(wěn)定性好，適用范圍廣等特點(diǎn)。能夠滿足日常生產(chǎn)與生活的需要，具有很好的應(yīng)用前景與推廣價值。2設(shè)計原理2.1傳統(tǒng)測量方法：使用天平和量筒測量不規(guī)那么固體的密度的方法如下：物體在空氣中質(zhì)量為.它浸入液體中排開液體體積,那么物體的密度為：(1)質(zhì)量使用天平測量，排開液體的體積用量筒測量，人為觀察產(chǎn)生的人為誤差和二次操作中杯壁上殘留的液體等不可防止產(chǎn)生誤差，以上的誤差使測量結(jié)果不準(zhǔn)確，使密度變?yōu)椋?2)其中、為人為中產(chǎn)生的誤差，從而產(chǎn)生測量誤差：(3)其中為被測量值密度相對誤差，為被測量值質(zhì)量相對誤差，為被測量值體積相對誤差，

4、被測量值密度相對誤差為質(zhì)量相對誤差和體積相對誤差之和，比擬大。2.2利用密度測量的改良測量方法：A固體密度測量：如圖1，設(shè)燒杯+液體重量為，被測物體重量為，所測物體+燒杯+液體水的壓力為：如圖2，設(shè)繩子的拉力為，將被測物體全部浸入液體中，那么所測物體+燒杯+液體水的壓力為：由由于我們在測量中將初始化為0，與，變?yōu)椋河烧`差傳遞公式，得被測物體密度的相對誤差為：由于和為同一測量條件下，相同物理量，系統(tǒng)誤差可以抵消，而為標(biāo)準(zhǔn)值可不計誤差，所以使用密度測量的改良測量誤差為：測量誤差根本為0。B當(dāng)待測物體密度小于密度時采用在物體下面加一重物配重，方法同上。C液體密度測量：把原來的被測物的密度做為標(biāo)準(zhǔn)量，

5、如圖3，設(shè)物體+燒杯+被測液體的壓力為，把小球放入被測液體中，物體+燒杯+被測液體的壓力為，由上述的方法可得出被測液體的密度為：(13)那么所測液體的相對誤差為：由于和為同一測量條件下，相同物理量，系統(tǒng)誤差可以抵消，而為精確測量值，可不計誤差，所以使用密度測量的改良測量誤差為：根本為0?；谏鲜鏊枷耄鞠到y(tǒng)的密度測量原理如圖4所示。圖4系統(tǒng)測量密度原理框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計為了表現(xiàn)整體性和便于檢測調(diào)試，我們在制作電路時采用了模塊化，將電源模塊、顯示模塊以及傳感器模塊分別放置，表達(dá)了合理性，將多個模塊同時放在同一塊電路板中，這樣不會占用太多的空間。系統(tǒng)整體框圖如圖5所示。圖5系統(tǒng)整體框圖3.1微控制

6、器模塊采用由ATMEL公司的8位AT89S52單片機(jī)作為該系統(tǒng)的主控芯片，經(jīng)典51單片機(jī)具有價格低廉，使用簡單等特點(diǎn).它具有充足的信息處理功能，易于操作使用，具有8k的程序存儲器，體積小，價格廉價等優(yōu)點(diǎn)，并且可以同時程序調(diào)試，更適于本系統(tǒng)的要求。3.2數(shù)據(jù)采集模塊采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器該傳感器具有穩(wěn)定性好，精度和靈敏度高且對測量的環(huán)境要求不太嚴(yán)格等特點(diǎn)。電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，電阻應(yīng)變片轉(zhuǎn)換元件受到拉伸或壓縮應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化增大或減小，從而使電橋失去平衡，產(chǎn)生相應(yīng)的差動信號，經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)

7、換電路既得出所需物理量。此傳感器電路簡單，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，工作性能穩(wěn)定。3.A/D轉(zhuǎn)換模塊采用高精度的HX711。這是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其它芯片相比，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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。輸入具有AB雙通道，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值分別為20mV或40mV。通道B那么為固定的64增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電

8、源。更加適合這個方案的設(shè)計。3.4顯示模塊采用的是帶中文字庫的12864液晶顯示屏。它是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，其顯示分辨率為128x64,內(nèi)置8192個16*16點(diǎn)漢字，和128個16*8點(diǎn)ASCII字符集。該模塊接口方式靈活，操作指令簡單、方便，可以顯示8x4行16x16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。低電壓低功耗也是其又一顯著特點(diǎn)。3.5輸入按鍵模塊輸入按鍵采用x的矩陣鍵盤。矩陣按鍵具有使用操作方便,占用IO口少等特點(diǎn)，能夠滿足硬件設(shè)計的需要。利用按鍵實(shí)現(xiàn)對芯片的實(shí)時控制。3.6電源模塊采用 變壓器，再經(jīng)7805穩(wěn)壓模塊為單片機(jī)、壓

9、力傳感器、12864液晶等額定電壓為5V器件供電。這樣單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，重量較輕，能夠滿足系統(tǒng)要求。4系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。整個程序由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)放大模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊等各種功能模塊組成。上電后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊，系統(tǒng)軟件開始運(yùn)行。在執(zhí)行過程中，根據(jù)選擇分別調(diào)用各個功能模塊完成對應(yīng)的功能。程序流程圖如圖6所示圖6系統(tǒng)整體程序流程圖5密度測量儀的使用方法5.1固體密度的測量1將儀器翻開，放上燒杯參加適量水進(jìn)入初始化模塊，利用溫度傳感器測量出水的溫度得出該溫度下水的密度。2選擇出測試模式，進(jìn)入密度測量。3將待測物體放在儀器上記錄下數(shù)據(jù)。4將待測物體全

10、部沒入水中，但不能接觸容器底壁和側(cè)壁，記錄下數(shù)據(jù)，通過液晶顯示器顯示出來壓力。5重復(fù)以上步驟，將數(shù)據(jù)記錄在以下表格中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如表2。表2純鋁密度測量結(jié)果 次數(shù) 物體重量 () 壓力 體積 密度 誤差分析 1 0.9800 0.3610 純鋁的密度，改良型密度儀測出為相對誤差，較為準(zhǔn)確。 2 0.9789 0.3480 3 0.9802 0.3490 平均值 0.9797 0.3527 5.2液體密度測量1)將儀器翻開，放上燒杯加注液體，進(jìn)入初始化模塊。2)選擇測試模式，將物體小球放在儀器上 次數(shù) 物體重量 () 壓力 體積 密度 誤差分析 1 0.9800 0.4715 1.3000 在28下濃鹽水的密度為， 改良型密度測量測出相對誤差為，較為準(zhǔn)確。 2 0.9802 0.4716 1.3001 3 0.9789 0.4714 1.3014 平 均 值 0.9797 0.4715 1.3005 6結(jié)束語1、采用由數(shù)字集成化的傳感器測量質(zhì)量，其與機(jī)械式的天平等儀器相比更加方便快捷且防止了人為因素造成的誤差的出現(xiàn)。2、采用自制數(shù)字溫度傳感器，防止了水銀式溫度計人為因素引起的讀數(shù)的錯誤的發(fā)生，克服水的密度隨溫度變化造成測