液体密度仪的设计与制作
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第 ３２ 卷 第 ５ 期 ２０１９ 年 １０ 月
大学物理实验
ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ＯＦ ＣＯＬＬＥＧＥ
文章编号:１００７￣２９３４( ２０１９) ０５￣００５１￣０４
Ｖｏｌ.３２ Ｎｏ.５ Ｏｃｔ.２０１９
液体密度仪的设计与制作
焦瑞豪ꎬ孙丽媛∗ ꎬ王紫欣ꎬ杨佳怡ꎬ王家勇
( 沈阳航空航天大学 理学院ꎬ辽宁 沈阳 １１０１３６)
图 １ 液体密度仪结构图
１ 设计方案
依据物理原理中的Βιβλιοθήκη 度公式:ρ ＝ Ｍ / Ｖ.
(１)
通过测量待测液体的质量 Ｍ 和待测液体的
体积 Ｖꎬ间接测出待测液体的密度 ρꎮ
传统的测量方案是用天平测液体质量ꎬ用游
标卡尺测容器底部尺寸ꎬ用米尺测液体的高度ꎬ从
而得出液体的体积ꎮ 用米尺测量液体高度ꎬ精度
不够且与其它物理量的测量精度不匹配ꎻ传统测
摘
要: 依据物理原理ꎬ采用传感器技术设计与制作的液体密度仪可实现自动、连续测量待测液体
的密度ꎮ 该装置主要是由盛装待测液容器、信号采集、信号处理、信号显示等功能组成ꎮ 采用压力传感
器采集待测液的重量ꎬ超声波测距模块采集待测液体的高度ꎻ以 ＳＴＭ３２ 单片机为控制核心ꎬ对采集到的
信号进行数据处理ꎬ并将结果传送至显示器ꎬ实时显示测量结果ꎮ 具有快捷、精确、实时测量的优点ꎬ在
输入按键采用薄膜式 ４×４ 矩阵键盘ꎬ可配合 各种开发板使用ꎬ只占用 ８ 个标准 ＩＯ 口ꎬ可实现 １６ 个按键扫描、独立输入ꎮ 接口为 ２.５４ ｍｍ 排母 座ꎮ 能够满足硬件设计时的全部需求ꎬ利用键盘 按键实现对 ＳＴＭ３２ 芯片的实时控制ꎮ 同时ꎬ采用 粘贴式薄膜ꎬ便于调整键盘位置ꎮ ２.６ 工作电源
图 ５ 密度仪原理框图
２ 系统组成
为了实现实时快捷测量ꎬ本设计采用传感器 技术分别采集所需要的信息ꎬ并将采集的信息实 时传入单片机中ꎬ单片机按照已编写好的程序进 行数据运算ꎬ并将运算结果送至液晶显示屏实时 显示测量结果ꎮ 系统组成框图如图 ６ 所示ꎮ
图 ６ 系统框图
２.１ 单片机 单片机选用 ＳＴＭ３２ 作为该系统的主控芯片ꎬ
超声波测距模块选用 ＵＳ￣０１５ 可实现 ２ ｃｍ ~ ４.５ ｍ 的非接触测距功能ꎬ拥有 ２.４ ~ ５.５ Ｖ 的宽电 压输入范围ꎬ静态功耗低于 ２ ｍＡꎬ自带温度传感 器对测距结果进行校正ꎮ ２.４ 显示
采用野火 ３. ２ 寸液晶显示屏ꎮ 它具有 １６ 位 并口ꎬ８０８０ 时序的接口方式ꎬ其显示分辨率为 ３２０ ∗２４０ꎮ 自带 ＩＬＩ９３４１ 控制器ꎬ电源电压为 ３.３ Ｖꎬ 引脚为 ４０Ｐｉｎ ＦＰＣ、０.５ ｍｍ 间距ꎬ可以显示的英文 字符ꎬ也可完成图形显示ꎬ具有低电压、低功效的 特点ꎮ ２.５ 输入键盘
教学科研方面有一定实用价值ꎮ
关 键 词: 密度ꎻ传感器技术ꎻ单片机
中图分类号: Ｏ ４￣３３
文献标志码: Ａ
ＤＯＩ:１０.１４１３９ / ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２￣１２２８.２０１９.０５.０１４
液体密度是表征液体物理性质的参数之一ꎬ 在生产生活中得到了广泛的关注ꎮ 石油的交易离 不开密度的测量ꎬ以此来保证交易的公平性ꎻ工程 中液体材料的选择离不开密度测量ꎬ用以筛选材 料的种类ꎻ鉴别未知物质ꎬ密度是重要的参数之 一ꎻ因此ꎬ液体密度测量的需要十分迫切ꎮ 本文采 用传感技术研究设计与制作的液体密度仪具有稳 定性高、快捷实用、适用范围广、测量过程连续等 优点ꎬ 在完成测量任务的同时满足一定的精度 要求ꎮ
ＳＴＭ３２ 是一种低功耗ꎬ具有最大集成度、结构简 单、易用的微控制器ꎻ具有兼容 ５ Ｖ 的 Ｉ / Ｏ 管脚ꎬ
液体密度仪的设计与制作
５３
优异的安全时钟模式ꎬ带唤醒功能的低功耗模式ꎬ 内嵌复位电路等特点ꎬ完全满足本系统的要求ꎮ ２.２ 压力传感器
采用电阻应变式压力传感器ꎬ它主要由力敏 性弹性元件、电阻应变片等组成ꎮ 内部电路组成 采用惠更斯电桥ꎬ由力的变化引起的电阻变化将 转换为测量电路的电压变化ꎬ再通过换算即可得 到所测量物体的重量ꎮ 此传感器灵敏度为 １. ０ ｍＶ / Ｖꎬ具有电路简单、结构紧凑、精度较高且工 作性能相对比较稳定的特点ꎮ ２.３ 超声波测距( ＵＳ￣０１５)
量取平均值ꎬ将该值通过键盘输入至单片机用于
数据运算ꎻ液体的高度通过超声波测距实时采集ꎬ
注入液体前ꎬ超声波测距采集高度信号 Ｈ０ꎻ注入 液体后ꎬ超声波测距采集高度信号 Ｈ１ꎬ采集到的 高度信号 Ｈ１ 与 Ｈ０ 实时传送至单片机用以数据 运算ꎮ
待测液体的实际高度为:
图 ４ 体积测量原理图
１.３ 液体密度 ρ 测量设计:
Ｈ ＝ Ｈ０－Ｈ１.
(４)
体积测量原理图如图 ４ 所示:
图 ３ 质量测量原理图
１.２ 体积 Ｖ 测量设计
为减小系统误差ꎬ我们选定圆柱形容器ꎬ用于
盛装待测液体ꎬ则待测液体体积 Ｖ 为:
Ｖ
＝
ＳＨ
＝
π
ｄ２ ４
Ｈ.
(３)
其中 Ｓ 表示容器底面积ꎬＨ 表示液体高度ꎬｄ
代表底面直径ꎮ 直径 ｄ 是使用游标卡尺经多次测
单片机将采集到的高度、压力信息和已预置
的直径信息ꎬ按照已编写的程序进行数据运算ꎬ即
可得出待测液体的密度值:
ｆ１ －ｆ０
ρ＝
Ｍ Ｖ
＝ π
æ
ç
è
ｄ ２
ö
÷
ø
ｇ
２
.
(Ｈ０ －Ｈ１)
(５)
该数据结果实时传送至液晶显示屏以显示液
体密度测量值ꎮ
上述设 计 方 案 可 用 原 理 框 图 表 述ꎬ 如 图 ５
所示ꎮ
单片机ꎬ则待测液体的质量:
Ｍ ＝ ｆ１￣ｆ０ .
(２)
ｇ
收稿日期: ２０１９￣０６￣０４ 基金项目: 辽宁省大学生创新创业训练计划项目(２０１８１０１４３１１３) ꎻ２０１８ 辽宁省本科教改项目(２０１８１０１４３８６) ∗通讯联系人
５２
液体密度仪的设计与制作
其中 ｇ 为重力加速度ꎬ取值 ９.８ ｍ / ｓ２ꎮ
量方案不能够实现实时、自动、连续测量ꎮ 为此ꎬ
我们做出如下设计方案ꎬ其装置的结构如图 １ 所
示ꎮ 图 １ 中 Ａ 方向投影如图 ２ 所示ꎮ
图 ２ Ａ 方向投影图
１.１ 质量 Ｍ 测量设计
压力传感器封装于板材内部ꎬ盛放液体的容
器的下方ꎬ直接感受来自容器的压力信号ꎮ 在液
体未注入容器时ꎬ压力传感器采集到压力信号 ｆ０ꎻ 在注入液体后ꎬ压力传感器采集到压力信号 ｆ１ꎻ测 量原理图如图 ３ 所示ꎮ 采集到的压力信号将输入
大学物理实验
ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ＯＦ ＣＯＬＬＥＧＥ
文章编号:１００７￣２９３４( ２０１９) ０５￣００５１￣０４
Ｖｏｌ.３２ Ｎｏ.５ Ｏｃｔ.２０１９
液体密度仪的设计与制作
焦瑞豪ꎬ孙丽媛∗ ꎬ王紫欣ꎬ杨佳怡ꎬ王家勇
( 沈阳航空航天大学 理学院ꎬ辽宁 沈阳 １１０１３６)
图 １ 液体密度仪结构图
１ 设计方案
依据物理原理中的Βιβλιοθήκη 度公式:ρ ＝ Ｍ / Ｖ.
(１)
通过测量待测液体的质量 Ｍ 和待测液体的
体积 Ｖꎬ间接测出待测液体的密度 ρꎮ
传统的测量方案是用天平测液体质量ꎬ用游
标卡尺测容器底部尺寸ꎬ用米尺测液体的高度ꎬ从
而得出液体的体积ꎮ 用米尺测量液体高度ꎬ精度
不够且与其它物理量的测量精度不匹配ꎻ传统测
摘
要: 依据物理原理ꎬ采用传感器技术设计与制作的液体密度仪可实现自动、连续测量待测液体
的密度ꎮ 该装置主要是由盛装待测液容器、信号采集、信号处理、信号显示等功能组成ꎮ 采用压力传感
器采集待测液的重量ꎬ超声波测距模块采集待测液体的高度ꎻ以 ＳＴＭ３２ 单片机为控制核心ꎬ对采集到的
信号进行数据处理ꎬ并将结果传送至显示器ꎬ实时显示测量结果ꎮ 具有快捷、精确、实时测量的优点ꎬ在
输入按键采用薄膜式 ４×４ 矩阵键盘ꎬ可配合 各种开发板使用ꎬ只占用 ８ 个标准 ＩＯ 口ꎬ可实现 １６ 个按键扫描、独立输入ꎮ 接口为 ２.５４ ｍｍ 排母 座ꎮ 能够满足硬件设计时的全部需求ꎬ利用键盘 按键实现对 ＳＴＭ３２ 芯片的实时控制ꎮ 同时ꎬ采用 粘贴式薄膜ꎬ便于调整键盘位置ꎮ ２.６ 工作电源
图 ５ 密度仪原理框图
２ 系统组成
为了实现实时快捷测量ꎬ本设计采用传感器 技术分别采集所需要的信息ꎬ并将采集的信息实 时传入单片机中ꎬ单片机按照已编写好的程序进 行数据运算ꎬ并将运算结果送至液晶显示屏实时 显示测量结果ꎮ 系统组成框图如图 ６ 所示ꎮ
图 ６ 系统框图
２.１ 单片机 单片机选用 ＳＴＭ３２ 作为该系统的主控芯片ꎬ
超声波测距模块选用 ＵＳ￣０１５ 可实现 ２ ｃｍ ~ ４.５ ｍ 的非接触测距功能ꎬ拥有 ２.４ ~ ５.５ Ｖ 的宽电 压输入范围ꎬ静态功耗低于 ２ ｍＡꎬ自带温度传感 器对测距结果进行校正ꎮ ２.４ 显示
采用野火 ３. ２ 寸液晶显示屏ꎮ 它具有 １６ 位 并口ꎬ８０８０ 时序的接口方式ꎬ其显示分辨率为 ３２０ ∗２４０ꎮ 自带 ＩＬＩ９３４１ 控制器ꎬ电源电压为 ３.３ Ｖꎬ 引脚为 ４０Ｐｉｎ ＦＰＣ、０.５ ｍｍ 间距ꎬ可以显示的英文 字符ꎬ也可完成图形显示ꎬ具有低电压、低功效的 特点ꎮ ２.５ 输入键盘
教学科研方面有一定实用价值ꎮ
关 键 词: 密度ꎻ传感器技术ꎻ单片机
中图分类号: Ｏ ４￣３３
文献标志码: Ａ
ＤＯＩ:１０.１４１３９ / ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２￣１２２８.２０１９.０５.０１４
液体密度是表征液体物理性质的参数之一ꎬ 在生产生活中得到了广泛的关注ꎮ 石油的交易离 不开密度的测量ꎬ以此来保证交易的公平性ꎻ工程 中液体材料的选择离不开密度测量ꎬ用以筛选材 料的种类ꎻ鉴别未知物质ꎬ密度是重要的参数之 一ꎻ因此ꎬ液体密度测量的需要十分迫切ꎮ 本文采 用传感技术研究设计与制作的液体密度仪具有稳 定性高、快捷实用、适用范围广、测量过程连续等 优点ꎬ 在完成测量任务的同时满足一定的精度 要求ꎮ
ＳＴＭ３２ 是一种低功耗ꎬ具有最大集成度、结构简 单、易用的微控制器ꎻ具有兼容 ５ Ｖ 的 Ｉ / Ｏ 管脚ꎬ
液体密度仪的设计与制作
５３
优异的安全时钟模式ꎬ带唤醒功能的低功耗模式ꎬ 内嵌复位电路等特点ꎬ完全满足本系统的要求ꎮ ２.２ 压力传感器
采用电阻应变式压力传感器ꎬ它主要由力敏 性弹性元件、电阻应变片等组成ꎮ 内部电路组成 采用惠更斯电桥ꎬ由力的变化引起的电阻变化将 转换为测量电路的电压变化ꎬ再通过换算即可得 到所测量物体的重量ꎮ 此传感器灵敏度为 １. ０ ｍＶ / Ｖꎬ具有电路简单、结构紧凑、精度较高且工 作性能相对比较稳定的特点ꎮ ２.３ 超声波测距( ＵＳ￣０１５)
量取平均值ꎬ将该值通过键盘输入至单片机用于
数据运算ꎻ液体的高度通过超声波测距实时采集ꎬ
注入液体前ꎬ超声波测距采集高度信号 Ｈ０ꎻ注入 液体后ꎬ超声波测距采集高度信号 Ｈ１ꎬ采集到的 高度信号 Ｈ１ 与 Ｈ０ 实时传送至单片机用以数据 运算ꎮ
待测液体的实际高度为:
图 ４ 体积测量原理图
１.３ 液体密度 ρ 测量设计:
Ｈ ＝ Ｈ０－Ｈ１.
(４)
体积测量原理图如图 ４ 所示:
图 ３ 质量测量原理图
１.２ 体积 Ｖ 测量设计
为减小系统误差ꎬ我们选定圆柱形容器ꎬ用于
盛装待测液体ꎬ则待测液体体积 Ｖ 为:
Ｖ
＝
ＳＨ
＝
π
ｄ２ ４
Ｈ.
(３)
其中 Ｓ 表示容器底面积ꎬＨ 表示液体高度ꎬｄ
代表底面直径ꎮ 直径 ｄ 是使用游标卡尺经多次测
单片机将采集到的高度、压力信息和已预置
的直径信息ꎬ按照已编写的程序进行数据运算ꎬ即
可得出待测液体的密度值:
ｆ１ －ｆ０
ρ＝
Ｍ Ｖ
＝ π
æ
ç
è
ｄ ２
ö
÷
ø
ｇ
２
.
(Ｈ０ －Ｈ１)
(５)
该数据结果实时传送至液晶显示屏以显示液
体密度测量值ꎮ
上述设 计 方 案 可 用 原 理 框 图 表 述ꎬ 如 图 ５
所示ꎮ
单片机ꎬ则待测液体的质量:
Ｍ ＝ ｆ１￣ｆ０ .
(２)
ｇ
收稿日期: ２０１９￣０６￣０４ 基金项目: 辽宁省大学生创新创业训练计划项目(２０１８１０１４３１１３) ꎻ２０１８ 辽宁省本科教改项目(２０１８１０１４３８６) ∗通讯联系人
５２
液体密度仪的设计与制作
其中 ｇ 为重力加速度ꎬ取值 ９.８ ｍ / ｓ２ꎮ
量方案不能够实现实时、自动、连续测量ꎮ 为此ꎬ
我们做出如下设计方案ꎬ其装置的结构如图 １ 所
示ꎮ 图 １ 中 Ａ 方向投影如图 ２ 所示ꎮ
图 ２ Ａ 方向投影图
１.１ 质量 Ｍ 测量设计
压力传感器封装于板材内部ꎬ盛放液体的容
器的下方ꎬ直接感受来自容器的压力信号ꎮ 在液
体未注入容器时ꎬ压力传感器采集到压力信号 ｆ０ꎻ 在注入液体后ꎬ压力传感器采集到压力信号 ｆ１ꎻ测 量原理图如图 ３ 所示ꎮ 采集到的压力信号将输入