基于ARM的液體表面張力系數測量系統設計

徐富新，楊曉津，劉雁群

(中南大學 物理與電子學院，湖南 長沙 410083)

基于ARM的液體表面張力系數測量系統設計

徐富新，楊曉津，劉雁群

(中南大學 物理與電子學院，湖南 長沙 410083)

為了解決傳統的液體表面張力系數測量中存在的精度低、穩定性差的問題，設計了一種基于ARM處理器的液體表面張力系數測量儀。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的測量裝置進行了改進；系統采用集成了放大器和24位A/D轉換器的芯片HX711對力敏傳感器輸出的模擬信號進行放大并數字化，采用中位值平均算法對ADC輸出的數據進行濾波；對傳感器進行靜態標定，獲得其線性特性關系，并分析系統的測量誤差；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。實驗結果表明，相較于傳統測量儀器,該液體表面張力系數測量儀有效提高了測量精度，誤差較小，且重復性好。

表面張力系數；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的基本實驗方法之一，傳統實驗中主要是用焦利秤或扭秤測量。由于焦利彈簧容易發生形變，測量過程中產生的誤差較大，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，通過數字電壓表進行顯示，極大地方便了實驗數據的讀取。文獻[3]利用單片機系統結合LabVIEW程序實現了數據的自動采集，更加準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、時鐘頻率低的系統普遍存在測量精度低、系統功能擴展困難等缺點。近年來眾多高校使用FD-NST-1型表面張力系數測定儀[4]來測量液體的表面張力系數，測量精度較之前提高了不少。但由于實驗過程中吊環的水平調節比較困難，且采取手動控制升降臺的調節極易引起振動使液膜過早被拉斷，導致測量的數據產生偏差。

針對這些系統的不足，文中開發了一款新型的表面張力系數測定儀。該測定儀采用以ARM Cortex-M3為內核的STM32作為主控芯片，便于擴展系統的功能。其次，對傳統的實驗裝置進行了改進：將手動調節升降臺使液位下降改為通過虹吸原理平穩降低液面；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。針對吊環的水平調節問題，將懸掛吊環的三根細線上端固定在三個可調小螺絲上，小螺絲等距離均勻安放在一個圓形塑料片上，輕質的圓形塑料片上端再與力敏傳感器相連接，在吊環上施放一個小型水平儀[5]，以此為依據來調節吊環的水平。該系統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 系統的工作原理

該系統基于拉脫法測量液體表面張力系數的原理，將潔凈的鋁金屬圓環垂直浸入待測液體中，通過虹吸管平穩降低液面的高度，隨著液面的下降，由于液體表面張力的作用，當金屬圓環拉出水面時，圓環底部會拉起一圈液膜。根據表面張力的定義[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為：

(2)

其中，D1和D2分別為金屬圓環的外徑和內徑。

實驗的關鍵在于表面張力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換，將拉力轉換成電信號。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。當外界拉力作用于彈性梁時，梁發生形變，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轉換，變換成數字信號再傳送給STM32進行處理，STM32對該數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。

經過這些處理，最后顯示的數值即表示相應拉力值的大小。根據記錄的數據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，設計了極限報警模塊，一旦蜂鳴器發出警報，立即通過按鍵控制使系統復位。

2 系統的硬件設計

該系統主要由液體表面張力系數測定裝置、主控制器STM32F103、A/D轉換模塊HX711、按鍵控制模塊、LCD顯示模塊12864、極限報警模塊組成。系統的總體硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 系統的硬件結構框圖

2.1 微處理器STM32F103

核心處理器采用基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103VET6。STM32系列處理器使用了ARM v7-M體系結構，具有可綜合、高度可配置的優點[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，并能夠在待機時達到2 A。該處理器集成了復位電路、低壓檢測、調壓器和RC振蕩器等模塊，有利于系統的精確穩定運行[10]，并方便后續功能的擴展。

2.2 A/D轉換模塊HX711

HX711是一款高精度的24位Delta-Sigma型A/D轉換器芯片，與同類型芯片相比，該芯片集成了包括穩壓電源、片內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、響應速度快、抗干擾性強等優點。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動，無需對芯片內部的寄存器編程。芯片內提供的穩壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內的A/D轉換器提供電源，系統板上無需另外的模擬電源。芯片內的時鐘振蕩器不需要任何外接器件，上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程。

3 系統的程序設計

該系統的程序設計流程圖如圖2所示。

首先進行STM32時鐘系統的初始化，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端口驅動電路的響應速率設置為50 MHz，將STM32的GPIO配置為推挽輸出，提高了電路的負載能力，并具有導通損耗小、效率高、功耗低的優點[11-12]。主控制器在讀取HX711的傳輸數據時，將GPIO設置為上拉輸入，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，當數據輸出管腳DOUT為高電平時，表明A/D轉換器還未準備好輸出數據，此時串口時鐘輸入信號PD_SCK應為低電平。當DOUT從高電平變低電平后，PD_SCK應輸入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位數據的最高位(MSB)，直至第24個時鐘脈沖完成，24位輸出數據從最高位至最低位逐位輸出完成。

圖2 系統主程序設計流程圖

采集測量數據時，采用中位值平均濾波算法對ADC輸出的數據進行濾波。在該系統中，以連續采樣的10個數據為一組，去掉最大采樣數據和最小采樣數據，然后計算余下8個數據的算數平均值。通過此濾波算法，可以消除偶然出現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 測量結果與分析

4.1 力敏傳感器的標定

將砝碼盤掛在連接力敏傳感器的掛鉤上，待系統穩定后，再將0.5 g的砝碼依次放入砝碼盤，此時讀取其A/D轉換數值并做好記錄，測量多次取平均值。用同樣方法測得多組數據后，利用最小二乘法，選擇擬合函數模型y=ax+b進行直線擬合。其中，x為所加載砝碼的質量，y為力敏傳感器的輸出值，a和b為常數。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，得到標定的表達式，其中m=9。標定結果顯示該傳感器的線性度非常好，其標定曲線如圖3所示。

圖3 傳感器的標定曲線

4.2 液體表面張力系數的測量

用游標卡尺測量圓環的外徑D1=34.59mm，內徑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，根據LCD顯示的數值作出吊環所受拉力的變化曲線。

圖4 拉脫過程中吊環的拉力值與時間的關系

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

利用該系統測量純水在15 ℃時的表面張力系數的數據見表1。

表1 純水的表面張力系數數據表(水溫15 ℃)

用該系統測量無水酒精在15 ℃時的表面張力系數的數據見表2。

表2 無水酒精的表面張力系數數據表(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生影響，如果在測量裝置外面加一個防護罩，將會使測量結果更加精確。

5 結束語

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

[1] 楊述武．普通物理實驗(力學及熱學部分)[M]．北京：高等教育出版社，2000：209-217．

[2] 焦麗鳳，陸申龍．用力敏傳感器測量液體表面張力系數[J]．物理實驗，2002，22(7)：40-42．

[3] 周述蒼，郭天葵，周 瑩，等．基于LabVIEW的液體表面張力系數測定[J]．物理實驗，2012，32(12)：30-32．

[4] 馬國利，馮偉偉．液體表面張力系數測量裝置的改進[J]．物理實驗，2012，32(3)：25-28．

[5] 代 偉，徐平川，陳太紅，等．液體表面張力系數實驗裝置的改進[J]．大學物理，2011，30(9)：38-40．

[6] 沈元華，陸申龍．基礎物理實驗[M]．北京：高等教育出版社，2003：116-119．

[7]WangCH,AugoustiAT,MasonJ,etal.Thecapacitivedroptensiometer-anovelmultianalysingtechniqueformeasuringthepropertiesthepropertiesofliquids[J].MeasurementScienceandTechnology,1999,10(1):19.

[8]ChengWenlong,ChenZeshao,AtsushiA,etal.Theoreticalandexperimentalstudyonsurfacetensionanddynamicsurfacetensionofaqueouslithiumbromideandwaterwithadditive[J].ScienceinChinaSeriesE:TechnologicalSciences,2003,46(2):191-203.

[9] 吳家平，沈建華．基于STM32微控制器的過采樣技術研究與實現[J]．計算機技術與發展，2010，20(2)：209-212．

[10]ZhangHaifeng,ZhaoJing.ThedesignofRFdataacquisitionsystembasedonSTM32andFPGA[C]//Internationalconferenceonmultimediatechnology.[s.l.]:IEEE,2011:832-834.

[11] 王永虹，徐 煒，郝立平．STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理與實踐[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2008．

[12] 喻金錢，喻 斌．STM32F系列ARMCortex-M3核微控制器開發與應用[M]．北京：清華大學出版社，2011．

[13] 楊 亮，朱 瑜，左安友．力敏傳感器電壓測量值最佳讀數時間的探究[J]．大學物理實驗，2012，25(5)：4-6．

[14]BirdiKS.Handbookofsurfaceandcolloidchemistry[M].BocaRaton,Florida:CRCPressLLC,1997:92.

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

國家自然科學基金資助項目(61178017)

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

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