徐富新，楊曉津，劉雁群

(中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，湖南 長沙 410083)

基于ARM的液體表面張力系數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)計

徐富新，楊曉津，劉雁群

(中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，湖南 長沙 410083)

為了解決傳統(tǒng)的液體表面張力系數(shù)測量中存在的精度低、穩(wěn)定性差的問題，設(shè)計了一種基于ARM處理器的液體表面張力系數(shù)測量儀。采用功能強、頻率高的STM32芯片作為主控制器，并對用拉脫法測液體表面張力系數(shù)的測量裝置進行了改進；系統(tǒng)采用集成了放大器和24位A/D轉(zhuǎn)換器的芯片HX711對力敏傳感器輸出的模擬信號進行放大并數(shù)字化，采用中位值平均算法對ADC輸出的數(shù)據(jù)進行濾波；對傳感器進行靜態(tài)標(biāo)定，獲得其線性特性關(guān)系，并分析系統(tǒng)的測量誤差；最后通過LCD顯示屏直接顯示測量拉力的大小，提高了測量效率。實驗結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)測量儀器,該液體表面張力系數(shù)測量儀有效提高了測量精度，誤差較小，且重復(fù)性好。

表面張力系數(shù)；STM32；力敏傳感器；拉脫法；HX711

0 引 言

拉脫法[1]是測量液體表面張力系數(shù)的基本實驗方法之一，傳統(tǒng)實驗中主要是用焦利秤或扭秤測量。由于焦利彈簧容易發(fā)生形變，測量過程中產(chǎn)生的誤差較大，且實驗過程要求始終保持“三線對齊”，使得操作難度較大。

針對以上這些問題，文獻[2]采用力敏傳感器測量液體表面張力系數(shù)，通過數(shù)字電壓表進行顯示，極大地方便了實驗數(shù)據(jù)的讀取。文獻[3]利用單片機系統(tǒng)結(jié)合LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集，更加準(zhǔn)確地讀取液體的表面張力值。但是采用51單片機這類功能比較簡單、時鐘頻率低的系統(tǒng)普遍存在測量精度低、系統(tǒng)功能擴展困難等缺點。近年來眾多高校使用FD-NST-1型表面張力系數(shù)測定儀[4]來測量液體的表面張力系數(shù)，測量精度較之前提高了不少。但由于實驗過程中吊環(huán)的水平調(diào)節(jié)比較困難，且采取手動控制升降臺的調(diào)節(jié)極易引起振動使液膜過早被拉斷，導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。

針對這些系統(tǒng)的不足，文中開發(fā)了一款新型的表面張力系數(shù)測定儀。該測定儀采用以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32作為主控芯片，便于擴展系統(tǒng)的功能。其次，對傳統(tǒng)的實驗裝置進行了改進：將手動調(diào)節(jié)升降臺使液位下降改為通過虹吸原理平穩(wěn)降低液面；將盛放液體的玻璃器皿改由不銹鋼材料制成，器皿所放的升降臺改成由磁性材料制成，最大限度地減少實驗臺的振動對拉膜過程的影響。針對吊環(huán)的水平調(diào)節(jié)問題，將懸掛吊環(huán)的三根細(xì)線上端固定在三個可調(diào)小螺絲上，小螺絲等距離均勻安放在一個圓形塑料片上，輕質(zhì)的圓形塑料片上端再與力敏傳感器相連接，在吊環(huán)上施放一個小型水平儀[5]，以此為依據(jù)來調(diào)節(jié)吊環(huán)的水平。該系統(tǒng)不僅有效提高了測量的精度和靈活性，便于實驗的測量，而且對其他實驗儀器的改進也具有借鑒作用。

1 系統(tǒng)的工作原理

該系統(tǒng)基于拉脫法測量液體表面張力系數(shù)的原理，將潔凈的鋁金屬圓環(huán)垂直浸入待測液體中，通過虹吸管平穩(wěn)降低液面的高度，隨著液面的下降，由于液體表面張力的作用，當(dāng)金屬圓環(huán)拉出水面時，圓環(huán)底部會拉起一圈液膜。根據(jù)表面張力的定義[6]，液體的表面張力近似為：

f=απ·(D1+D2)

(1)

于是得到液體的表面張力系數(shù)為：

(2)

其中，D1和D2分別為金屬圓環(huán)的外徑和內(nèi)徑。

實驗的關(guān)鍵在于表面張力f的測量。

該測定儀采用硅壓阻式力敏傳感器進行物理量的轉(zhuǎn)換，將拉力轉(zhuǎn)換成電信號。該傳感器由彈性梁和貼在梁上的傳感器芯片組成，其中傳感器芯片由4個硅擴散電阻集成一個非平衡電橋。當(dāng)外界拉力作用于彈性梁時，梁發(fā)生形變，力敏傳感器的電橋失去平衡，此時將輸出一個比較小的電壓信號U。集成了24位A/D轉(zhuǎn)換器和放大器的芯片HX711接收到這個微小的電壓信號后，將其放大并進行A/D轉(zhuǎn)換，變換成數(shù)字信號再傳送給STM32進行處理，STM32對該數(shù)字信號進行中位值平均算法濾波，再送到TFT_LCD顯示屏進行顯示。

經(jīng)過這些處理，最后顯示的數(shù)值即表示相應(yīng)拉力值的大小。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)做出拉力值在整個拉脫過程的變化曲線圖，能夠直觀地找出液膜拉斷前后的拉力F1和F2的大小，其差值即為所求的液體表面張力[7-8]。

為防止所加載的拉力超出力敏傳感器的量程而使傳感器受損，設(shè)計了極限報警模塊，一旦蜂鳴器發(fā)出警報，立即通過按鍵控制使系統(tǒng)復(fù)位。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)主要由液體表面張力系數(shù)測定裝置、主控制器STM32F103、A/D轉(zhuǎn)換模塊HX711、按鍵控制模塊、LCD顯示模塊12864、極限報警模塊組成。系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 微處理器STM32F103

核心處理器采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET6。STM32系列處理器使用了ARM v7-M體系結(jié)構(gòu)，具有可綜合、高度可配置的優(yōu)點[9]。該處理器的性能高、成本低且功耗低，其時鐘頻率為72 MHz，功耗為36 mA，并能夠在待機時達(dá)到2 A。該處理器集成了復(fù)位電路、低壓檢測、調(diào)壓器和RC振蕩器等模塊，有利于系統(tǒng)的精確穩(wěn)定運行[10]，并方便后續(xù)功能的擴展。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊HX711

HX711是一款高精度的24位Delta-Sigma型A/D轉(zhuǎn)換器芯片，與同類型芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其他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、抗干擾性強等優(yōu)點。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。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源。芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件，上電自動復(fù)位功能簡化了開機的初始化過程。

3 系統(tǒng)的程序設(shè)計

該系統(tǒng)的程序設(shè)計流程圖如圖2所示。

首先進行STM32時鐘系統(tǒng)的初始化，然后初始化GPIO端口，允許使用GPIOE時鐘；其次進行時鐘同步，將I/O端口驅(qū)動電路的響應(yīng)速率設(shè)置為50 MHz，將STM32的GPIO配置為推挽輸出，提高了電路的負(fù)載能力，并具有導(dǎo)通損耗小、效率高、功耗低的優(yōu)點[11-12]。主控制器在讀取HX711的傳輸數(shù)據(jù)時，將GPIO設(shè)置為上拉輸入，保證在無信號輸入時輸入端為高電平。

HX711串口通訊線由管腳PD_SCK和DOUT組成，當(dāng)數(shù)據(jù)輸出管腳DOUT為高電平時，表明A/D轉(zhuǎn)換器還未準(zhǔn)備好輸出數(shù)據(jù)，此時串口時鐘輸入信號PD_SCK應(yīng)為低電平。當(dāng)DOUT從高電平變低電平后，PD_SCK應(yīng)輸入25～27個不等的時鐘脈沖。其中第一個時鐘脈沖的上升沿將輸出24位數(shù)據(jù)的最高位(MSB)，直至第24個時鐘脈沖完成，24位輸出數(shù)據(jù)從最高位至最低位逐位輸出完成。

圖2 系統(tǒng)主程序設(shè)計流程圖

采集測量數(shù)據(jù)時，采用中位值平均濾波算法對ADC輸出的數(shù)據(jù)進行濾波。在該系統(tǒng)中，以連續(xù)采樣的10個數(shù)據(jù)為一組，去掉最大采樣數(shù)據(jù)和最小采樣數(shù)據(jù)，然后計算余下8個數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值。通過此濾波算法，可以消除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾帶來的采樣偏差，對于周期性干擾具有良好的抑制作用。

4 測量結(jié)果與分析

4.1 力敏傳感器的標(biāo)定

將砝碼盤掛在連接力敏傳感器的掛鉤上，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，再將0.5 g的砝碼依次放入砝碼盤，此時讀取其A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值并做好記錄，測量多次取平均值。用同樣方法測得多組數(shù)據(jù)后，利用最小二乘法，選擇擬合函數(shù)模型y=ax+b進行直線擬合。其中，x為所加載砝碼的質(zhì)量，y為力敏傳感器的輸出值，a和b為常數(shù)。通過最小二乘法建立線性方程組：

(3)

通過方程組求出a和b，得到標(biāo)定的表達(dá)式，其中m=9。標(biāo)定結(jié)果顯示該傳感器的線性度非常好，其標(biāo)定曲線如圖3所示。

圖3 傳感器的標(biāo)定曲線

4.2 液體表面張力系數(shù)的測量

用游標(biāo)卡尺測量圓環(huán)的外徑D1=34.59mm，內(nèi)徑D2=33.21mm。重力加速度g=9.791 5m/s2。

圖4是測量無水酒精在15° 時的表面張力系數(shù)，根據(jù)LCD顯示的數(shù)值作出吊環(huán)所受拉力的變化曲線。

圖4 拉脫過程中吊環(huán)的拉力值與時間的關(guān)系

從圖中可以看出，吊環(huán)受到的拉力先是逐漸增大，然后再減小，最后發(fā)生跳變，與預(yù)期的結(jié)果一致[13]，發(fā)生跳變前后的數(shù)值即表示液膜拉斷前后的拉力F1、F2的大小。

利用該系統(tǒng)測量純水在15 ℃時的表面張力系數(shù)的數(shù)據(jù)見表1。

表1 純水的表面張力系數(shù)數(shù)據(jù)表(水溫15 ℃)

用該系統(tǒng)測量無水酒精在15 ℃時的表面張力系數(shù)的數(shù)據(jù)見表2。

表2 無水酒精的表面張力系數(shù)數(shù)據(jù)表(15 ℃)

測量純水時相對誤差偏大，可能是因為虹吸管的清潔度不夠，里面殘留少量清洗時的無水酒精，測量時待清洗過的虹吸管及吊環(huán)干燥之后再開始測量可以減少這部分的誤差。另外空氣的流動也會對測量過程產(chǎn)生影響，如果在測量裝置外面加一個防護罩，將會使測量結(jié)果更加精確。

5 結(jié)束語

文中基于STM32和力敏傳感器對傳統(tǒng)的拉脫法測量液體表面張力系數(shù)的實驗系統(tǒng)進行改進，實現(xiàn)了拉力值的直接輸出。通過對水和無水酒精表面張力系數(shù)的實時測量，證明該系統(tǒng)測量精度較高，誤差小且重復(fù)性非常好。其相關(guān)技術(shù)可用于其他實驗裝置的改進，具有較大的應(yīng)用價值。

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Measurement System of Liquid Surface Tension Coefficient Based on ARM

XU Fu-xin,YANG Xiao-jin,LIU Yan-qun

(School of Physics and Electronics,Central South University,Changsha 410083,China)

In order to solve the problems such as low precision and poor stability in the experimental instrument of traditional liquid surface tension coefficient,a liquid surface tension coefficient instrument based on ARM microprocessor is designed.The STM32 which has powerful functions and high frequency is used as the controller to improve the experimental device for measuring the liquid surface tension coefficient with pull-off method.This system uses HX711 to amplify the electric signal output from the force sensor,and converts the analog signal to digital signal.The median average filtering algorithm is used to filter.The static characteristic of the sensor is calibrated,getting the linear relationship between features,and the error of the measuring system is analyzed.The LCD screen is used to display the size of the tension directly which improves the efficiency of the measurement.The experimental results indicate that compared with the traditional instrument,this liquid surface tension coefficient instrument improves the measurement accuracy effectively,decreases the errors and has good repeatability.

surface tension coefficient;STM32;force sensor;pull-off method;HX711

2016-01-27

2016-05-11

時間：2016-10-24

國家自然科學(xué)基金資助項目(61178017)

徐富新(1965-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為虛擬儀器技術(shù)和機器視覺；楊曉津(1986-)，女，碩士研究生,研究方向為嵌入式系統(tǒng)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20161024.1114.058.html

TP391.8

A

1673-629X(2016)11-0144-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.11.032