湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第頁(yè)緒論1.1 粘度及其測(cè)量粘度是指流體抗其不可逆位置變化的能力，是對(duì)流體內(nèi)部流動(dòng)阻力的一種度量。粘度也是研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本參量，是流體控制方程的基本參數(shù)。不同物質(zhì)的粘度不同，例如，在常溫（20℃）、常壓下，空氣的粘度為0.018mPa·s、水為1mPa·s、蜂蜜為104mPa·s、瀝青為108mPa·s、汽油為0.65mPa·s等。粘度還與壓力、溫度有關(guān)。粘度測(cè)量是控制生產(chǎn)流程、保證安全生產(chǎn)、控制與評(píng)定產(chǎn)品質(zhì)量、醫(yī)學(xué)診斷及科學(xué)研究的重要手段[21]，特別是在石油化工、醫(yī)藥、航天、食品等領(lǐng)域中具有非常重要的意義。如在醫(yī)學(xué)中，血液粘度異常會(huì)引起血流阻力增加，使血流速度減慢，影響內(nèi)臟器的血液供應(yīng)，導(dǎo)致新陳代謝出現(xiàn)障礙，血液粘度在適當(dāng)?shù)乃缴喜拍苓M(jìn)行正常的血液循環(huán)，因而準(zhǔn)確測(cè)量血液粘度將有助于預(yù)防疾病和診斷病情；在石油化工中，為了提高產(chǎn)品及其相關(guān)副產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，需要準(zhǔn)確的測(cè)量原油煉制過(guò)程中的粘度；在基礎(chǔ)研究中，如研究膠體稀溶液的粘度可以幫助了解質(zhì)點(diǎn)的大小與形狀、質(zhì)點(diǎn)與介質(zhì)間的相互作用等；在纖維纏繞過(guò)程中，樹(shù)脂的粘度變化對(duì)產(chǎn)品的極限應(yīng)力影響很大。因此，粘度測(cè)量技術(shù)一直以來(lái)備受關(guān)注，并且人們發(fā)展了許多相當(dāng)成熟的方法，典型的傳統(tǒng)測(cè)量方法主要有毛細(xì)管法、旋轉(zhuǎn)法以及振動(dòng)法等。(1)毛細(xì)管法根據(jù)泊肅葉定律，在一定溫度下，被測(cè)液體在一定壓力下通過(guò)直立的毛細(xì)管并以完全濕潤(rùn)管壁的狀態(tài)流動(dòng)時(shí)，所需時(shí)間正比于液體的運(yùn)動(dòng)粘度。因此，測(cè)量液體從毛細(xì)管流出的時(shí)間，即可得液體粘度。(2)旋轉(zhuǎn)法旋轉(zhuǎn)法可以測(cè)量廣范圍的液體粘度。其基本原理是：當(dāng)流體與浸于其中的物體二者之一或者二者都作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體將受到流體粘性力矩的作用而改變?cè)瓉?lái)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，通過(guò)測(cè)量流體作用于物體的粘性力矩或物體的轉(zhuǎn)速來(lái)確定流體的粘度[4]。(3)振動(dòng)法振動(dòng)法測(cè)量方式較多，有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)式，振球式振動(dòng)片式等。比較常用的為正弦波振動(dòng)粘度計(jì)，由兩個(gè)傳感器碟片以固定頻率的正弦波反向驅(qū)動(dòng)組成其粘度檢測(cè)單元，反向驅(qū)動(dòng)的目的是為了抵消反作用力，獲得穩(wěn)定的正弦波振動(dòng)。這類粘度計(jì)通過(guò)測(cè)量以固定頻率和振幅不斷振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電流，以驅(qū)動(dòng)電流與粘度之間的比例關(guān)系來(lái)獲得粘度。1.2 粘度測(cè)量的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、圖像技術(shù)、傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，大大推動(dòng)了液體粘度測(cè)定技術(shù)的發(fā)展，液體粘度的測(cè)定方法及裝置也得到了不斷的完善和創(chuàng)新的。目前，對(duì)于液體粘度測(cè)量的研究主要集中在以下三個(gè)方面：（1）基于虛擬儀器的液體粘度快速測(cè)定：為提高液體粘度測(cè)量的速度和精度，可將虛擬儀器運(yùn)用到液體粘度的測(cè)量中，以實(shí)現(xiàn)液體粘度的快速測(cè)量和在線測(cè)量[2]。（2）基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的液體粘度快速測(cè)定：計(jì)算機(jī)技術(shù)引入液體粘度的測(cè)定中，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行快速的分析計(jì)算，可有效地克服人為操作造成的主觀誤差，不但提高了測(cè)試精度，而且縮短了測(cè)試周期，提高了工作效率[2]。（3）基于新型粘度傳感器的液體粘度快速測(cè)定：著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，一些新型高精度的粘度傳感器也正在被應(yīng)用到液體粘度的快速檢測(cè)中，使得液體粘度的測(cè)定裝置在結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化[2]。粘度測(cè)定技術(shù)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多領(lǐng)域均密切相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，實(shí)際生產(chǎn)需要研究和應(yīng)用新的粘度測(cè)定技術(shù)；另外相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步也使得粘度測(cè)定技術(shù)將獲得改進(jìn)與提高。綜合這兩方面的因素，液體粘度測(cè)量技術(shù)將在3個(gè)方向有較大的發(fā)展：（1）傳統(tǒng)的粘度測(cè)量方法已經(jīng)比較成熟，再結(jié)合現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，將會(huì)提高測(cè)量精度和智能化程度。（2）研究適用于寬范圍測(cè)量（如新型智能材料）的粘度測(cè)定方法和測(cè)試裝置，例如測(cè)量電流變液的粘度，它是一種固液兩相懸浮液，在外加電場(chǎng)(或磁場(chǎng))的作用下，電（或磁）流變液的粘度會(huì)迅速變化。（3）粘度是了解生物體體液流動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)，服務(wù)于生物醫(yī)學(xué)工程的粘度測(cè)量方法的改進(jìn)有助于對(duì)生物體體液流動(dòng)粘度的精確測(cè)定。1.3 紅外光電傳感器的發(fā)展及其應(yīng)用光電傳感器又稱光電開(kāi)關(guān)，分為直射式與反射式兩大類，在軍事、通信、航空航天、工業(yè)檢測(cè)與自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)診斷、科學(xué)研究和民用產(chǎn)品中都有廣泛的應(yīng)用。例如，紅外光電傳感器可以用于遙控與通信、路徑循跡導(dǎo)航、物體探測(cè)以及距離測(cè)量等[11]。光電傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，用光電器件測(cè)量非電量時(shí)，首先要把非電量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過(guò)光電器件的作用，就可以把非電量的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化。紅外光電傳感器發(fā)出的光信號(hào)是紅外線，紅外線可劃分為近紅外（0.7~1.4μm）、中波紅外（1.4~3μm）、遠(yuǎn)紅外（50~1000μm）等波段。紅外線作為一種不可見(jiàn)光，需要采用專門的紅外發(fā)射器和接收器，并且可以有效地防止周圍可見(jiàn)光的干擾，進(jìn)行無(wú)接觸探測(cè)，不損傷被測(cè)物體。當(dāng)今是信息化的社會(huì)，而傳感器技術(shù)的進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)發(fā)展的十大頂尖技術(shù)之一。光電傳感器所涉及的領(lǐng)域也越來(lái)越多，重要性不斷提高，同其他學(xué)科技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越緊密。光電傳感器的發(fā)展趨勢(shì)主要有：（1）智能化：把傳統(tǒng)的光電傳感器結(jié)合微處理器，利用傳感器本身的檢測(cè)技術(shù)加上計(jì)算和存儲(chǔ)功能，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。（2）模塊化：整個(gè)傳感器分成各個(gè)模塊，當(dāng)單組模塊出現(xiàn)故障也不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作。（3）先進(jìn)化：尋找新材料、新工藝以及研究光電傳感器新原理。（4）多功能：使光電傳感器可以同時(shí)測(cè)量多種物理量。1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容本文在介紹了粘度及其測(cè)量的基本概念，分析粘度測(cè)量的研究現(xiàn)狀與發(fā)展的基礎(chǔ)上，利用紅外光電傳感器進(jìn)行液位檢測(cè)的方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于紅外光電傳感器的烏氏粘度計(jì)。文章主要從烏氏粘度計(jì)的總體設(shè)計(jì)、基于紅外光電傳感器的液位檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)，硬件電路的設(shè)計(jì)，各功能模塊的軟件設(shè)計(jì)等幾方面介紹了紅外光傳感器在粘度測(cè)量中的運(yùn)用。全文共分為5章，各章具體的研究?jī)?nèi)容為：第1章：主要介紹粘度及其測(cè)量的基本概念，分析粘度測(cè)量的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，指出本文的研究的主要內(nèi)容。第2章：講述烏氏粘度計(jì)的工作原理，介紹系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案并給出原理框圖。第3章：以紅外光電傳感器為檢測(cè)部件進(jìn)行液位檢測(cè)，詳述了一種基于線性擬合的液位檢測(cè)算法設(shè)計(jì)。第4章：闡述了烏氏粘度計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)，包括液位信息采集電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元電路設(shè)計(jì)、按鍵與液晶顯示單元電路設(shè)計(jì)以及電源單元電路設(shè)計(jì)等。第5章：采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行烏氏粘度計(jì)軟件的設(shè)計(jì)，主要闡述了主程序設(shè)計(jì)流程和各功能模塊的設(shè)計(jì)流程，包括主程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)初始化、粘度測(cè)量模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。

2 烏氏粘度計(jì)的構(gòu)成與工作原理烏氏粘度計(jì)在某一恒定的溫度的條件下，用相對(duì)法測(cè)量被測(cè)液體的運(yùn)動(dòng)粘度。整個(gè)系統(tǒng)分為溫控單元和管理單元，本文主要研究管理單元，以STM32F407VGT6為信息處理核心，主要由液位自動(dòng)檢測(cè)模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及人機(jī)接口模塊等組成。基于紅外光電傳感器的液位檢測(cè)取代傳統(tǒng)的人工計(jì)時(shí)方法，是提高測(cè)量精度的第一步，同時(shí)結(jié)合粗大誤差的剔除方法和基于最小二乘法的線性擬合，獲得了良好的計(jì)時(shí)效果。2.1 烏氏粘度計(jì)的工作原理基于泊肅葉公式利用毛細(xì)管法測(cè)量牛頓流體時(shí)，有絕對(duì)測(cè)量和相法測(cè)量?jī)煞N方法。對(duì)于絕對(duì)測(cè)量，要求毛細(xì)管的加工極其精確，并需對(duì)毛細(xì)管的尺寸、流量、壓力進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，還要用實(shí)驗(yàn)的方法獲得動(dòng)能修正系數(shù)m及末端修正系數(shù)n[26]。絕對(duì)測(cè)量法由于復(fù)雜繁瑣，僅在測(cè)量純水等標(biāo)準(zhǔn)液粘度的特殊情況才會(huì)采用。相對(duì)測(cè)量法是將被測(cè)量液體與已知粘度的標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行比較測(cè)量獲得粘度的方法，在實(shí)際運(yùn)用中，只要采用事先用標(biāo)準(zhǔn)液標(biāo)定出儀器常數(shù)C，就不必每次都要和標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行比對(duì)。重力型毛細(xì)管粘度計(jì)的工作原理是在某一恒定的溫度下，用相對(duì)法測(cè)量一定體積的液體在重力（即液柱自身重量）作用下流經(jīng)毛細(xì)管所需要的時(shí)間，求得液體的運(yùn)動(dòng)粘度。常用的毛細(xì)管粘度計(jì)按結(jié)構(gòu)、形狀可分為平氏、芬氏、烏氏、逆流等四種，本文采用烏氏粘度計(jì)。烏氏粘度計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。在恒溫水浴箱中，密封管M，利用微型泵把被測(cè)液體抽取到計(jì)時(shí)球上計(jì)時(shí)起點(diǎn)刻度線A以上約5mm處，然后微型泵停止工作，使管M及N均與大氣相通，被測(cè)液體自然流下，測(cè)量被測(cè)液體的液面通過(guò)計(jì)時(shí)球上、下計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線A與B所用時(shí)間，即可獲得被測(cè)液體的運(yùn)動(dòng)粘度，即 υ=Ct 式中，ν為被測(cè)液體的運(yùn)動(dòng)粘度（mm2/s）；C為儀器常數(shù)（mm2/s2）；t為被測(cè)液體的液面通過(guò)計(jì)時(shí)球上、下計(jì)時(shí)刻度線A與B所用時(shí)間（s）。如有必要，將該運(yùn)動(dòng)粘度和同溫度下被測(cè)液體的密度相乘，可獲得被測(cè)液體的動(dòng)力粘度，即 η=ρν （2.2）式中，η為被測(cè)液體的動(dòng)力粘度（mPa?s）；ρ為與測(cè)量運(yùn)動(dòng)粘度相同溫下被測(cè)液體的密度（g/cm3），用準(zhǔn)確度不低于±0.1%的密度計(jì)測(cè)量。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC1烏氏粘度計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2.1所示，烏氏粘度計(jì)主要分為溫控單元和管理單元兩大部分。溫控單元主要由恒溫水浴箱、小型潛水泵、壓縮機(jī)和加熱管等組成。恒溫水浴箱由透明材料制成，或帶有觀察窗。小型潛水泵用來(lái)攪動(dòng)恒溫水浴箱中的水，使水浴箱各處的溫度相同，保證了溫度的一致性。壓縮機(jī)和加熱管協(xié)同工作，精確控制水浴箱中的溫度。溫控系統(tǒng)為烏氏粘度計(jì)提供一個(gè)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的恒溫環(huán)境。本文的研究重點(diǎn)在管理單元這一部分。管理單元以意法半導(dǎo)法公司生產(chǎn)的高性能、低成本、低功耗的STM32F407VGT6為信息處理核心，主要由液位自動(dòng)檢測(cè)模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及人機(jī)接口模塊等組成。液位自動(dòng)檢測(cè)模塊包含了烏氏毛細(xì)管粘度計(jì)和紅外光電傳感器，其中烏氏毛細(xì)管是粘度測(cè)量使用到的標(biāo)準(zhǔn)量具，在使用前需校準(zhǔn)。液位自動(dòng)檢測(cè)模塊對(duì)被測(cè)液體通過(guò)計(jì)時(shí)起點(diǎn)刻度線A和計(jì)時(shí)終點(diǎn)刻度線B的時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，然后由單片機(jī)計(jì)算出被測(cè)液體的運(yùn)動(dòng)粘度，并完成測(cè)量結(jié)果的顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、通信及打印等功能。烏氏粘度計(jì)的工作流程圖如圖2.2所示。在儀器提示輸入當(dāng)前被測(cè)液體測(cè)量時(shí)需要的水浴溫度后，溫控單元會(huì)根據(jù)目前水浴箱中的溫度，選擇適當(dāng)?shù)目刂品椒?，使水浴溫度達(dá)到目標(biāo)所需的溫度，且溫度波動(dòng)不超過(guò)±0.1℃。當(dāng)烏氏毛細(xì)管粘度計(jì)注入被測(cè)液體并在恒溫水浴箱中恒溫20min后開(kāi)始測(cè)量，液位自動(dòng)檢測(cè)模塊測(cè)量被測(cè)液體的液面通過(guò)計(jì)時(shí)球上、下計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線A與B所用時(shí)間t，計(jì)算獲得被測(cè)液體的運(yùn)動(dòng)粘度ν。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC2烏氏粘度計(jì)的工作流程圖2.3 基于紅外光電傳感器的液位檢測(cè)原理烏氏粘度計(jì)通過(guò)測(cè)量被測(cè)液體流經(jīng)計(jì)時(shí)起點(diǎn)和計(jì)時(shí)終點(diǎn)之間的時(shí)間差，利用泊肅葉公式，來(lái)確定測(cè)液體的運(yùn)動(dòng)粘度。所以，對(duì)被測(cè)液體的液位是否到達(dá)計(jì)時(shí)刻度線起點(diǎn)或計(jì)時(shí)刻度線終點(diǎn)的準(zhǔn)確判斷，是烏氏粘度計(jì)測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的液位檢測(cè)方法是通過(guò)人眼判斷被測(cè)液體的凹型液面流經(jīng)粘度計(jì)的計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線，并采用手工計(jì)時(shí)配合秒表完成，工作效率低、測(cè)量誤差大。利用紅外光電傳感器自動(dòng)檢測(cè)液位的方式來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的檢測(cè)方法可以提高液位檢測(cè)的測(cè)量精度。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC3烏氏粘度儀自動(dòng)計(jì)時(shí)原理烏氏粘度計(jì)的液位自動(dòng)檢測(cè)及計(jì)時(shí)原理如圖2.3所示，將紅外光電傳感器(發(fā)射端和接收端)PE1、PE2通過(guò)夾具分別安裝在計(jì)時(shí)起點(diǎn)刻度線L2和計(jì)時(shí)終點(diǎn)刻度線L3，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工判斷的計(jì)時(shí)起點(diǎn)和終點(diǎn)。首先利用微型泵把被測(cè)液體抽取到刻度線L1附近，即在計(jì)時(shí)器上方5mm左右，然后被測(cè)液體的液面在重力作用下會(huì)緩慢下降。烏氏粘度計(jì)通過(guò)紅外光電傳感器PE1檢測(cè)到被測(cè)液體的液面下降到計(jì)時(shí)起點(diǎn)刻度線L2時(shí)，粘度計(jì)自動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí)；當(dāng)粘度計(jì)通過(guò)紅外光電傳感器P圖2.SEQ圖2.\*ARABIC3烏氏粘度儀自動(dòng)計(jì)時(shí)原理被測(cè)液體在烏氏粘度管中由于吸附作用和表面張力的作用，其液面呈現(xiàn)近似球形的凹面，如圖2.4所示。當(dāng)被測(cè)液體的凹面液面下降到計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線（L2或L3）時(shí)，紅外光電傳感器發(fā)射端發(fā)出的紅外光經(jīng)液面反射、折射，紅外接收端接收到的紅外光有較大衰弱，產(chǎn)生的液位檢測(cè)電壓會(huì)隨之減小，在經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換得到的液位檢測(cè)電壓信號(hào)與非計(jì)時(shí)區(qū)域小。MCU通過(guò)液位檢測(cè)電壓的變化，判斷液位是否到達(dá)計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線。圖2.SEQ圖2.\*ARABIC4光電傳感器液位檢測(cè)原理2.4 液位檢測(cè)算法設(shè)計(jì)對(duì)紅外光電傳感器檢測(cè)到的液位信息首先進(jìn)行數(shù)字濾波，去除噪聲干擾。然后選擇擬合起點(diǎn)，最后基于最小二乘法的線性擬合確定液位測(cè)量的計(jì)時(shí)起點(diǎn)和計(jì)時(shí)終點(diǎn)，獲得時(shí)間差。2.4.1 液位電壓數(shù)據(jù)預(yù)處理MCU采集到的液位檢測(cè)電壓數(shù)據(jù)可能受到環(huán)境的隨機(jī)干擾，所以首先要對(duì)采集到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。在這里數(shù)據(jù)預(yù)處理采用軟件濾波的方法，即數(shù)字濾波。數(shù)字濾波是利用一定的算法，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，即人為設(shè)計(jì)程序加工處理單片機(jī)數(shù)據(jù)采集部分輸入的信號(hào)，以消除誤差干擾。并且數(shù)字濾波無(wú)須硬件，只用一個(gè)計(jì)算過(guò)程，可靠性高，不存在阻抗匹配問(wèn)題，只要適當(dāng)改變?yōu)V波程序或運(yùn)行參數(shù)，就能方便的改變其濾波特性。常用的軟件濾波方法有限幅濾波法、中位值濾波法、滑動(dòng)平均濾波法、中位值平均濾波法、算術(shù)平均值濾波法、去極值平均濾波法等。根據(jù)液位檢測(cè)的原理，設(shè)TS為采樣時(shí)間，MCU在TS時(shí)間內(nèi)連續(xù)采樣獲得N個(gè)液位檢測(cè)電壓數(shù)據(jù)，然后將這N個(gè)數(shù)據(jù)按從小到大順序排序得到序列xn=x uj=1N-2K即第j時(shí)刻的液位檢測(cè)電壓為uj2.4.2 擬合起點(diǎn)的確定在烏氏粘度管中，由于重力的作用，被測(cè)液體會(huì)緩慢的下降。當(dāng)被測(cè)液體在下降過(guò)程中還沒(méi)有流經(jīng)計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線（L2或L3）前或者是已經(jīng)完全流過(guò)計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線后，液位檢測(cè)電壓平穩(wěn)，變化量??；而當(dāng)被測(cè)液體流經(jīng)計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線區(qū)域時(shí)，液位檢測(cè)電壓變化量大，其液位檢測(cè)電壓及其一階差分曲線如圖2.5所示。圖2.5液位檢測(cè)電壓及其一階差分曲線因此，對(duì)于液位測(cè)量的計(jì)時(shí)起點(diǎn)或計(jì)時(shí)終點(diǎn)的判定可以通過(guò)搜尋一個(gè)突變點(diǎn)來(lái)判斷。但是在進(jìn)行實(shí)際的液位檢測(cè)過(guò)程中，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光經(jīng)液面反射、折射，產(chǎn)生不同的衰減，液位檢測(cè)電壓的變化并不是呈理想的剛性折點(diǎn)，并且由于實(shí)際發(fā)出的紅外光是具有一定的寬度的，所以整個(gè)液位檢測(cè)電壓的實(shí)際變化過(guò)程是一個(gè)有緩沖帶并帶有許多毛刺和抖動(dòng)的階梯狀曲線形式。必須要從類似階梯形曲線中找到一個(gè)可以用來(lái)反映液位檢測(cè)電壓變化的關(guān)鍵點(diǎn)，即可以代表被測(cè)液體流過(guò)計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線的實(shí)時(shí)點(diǎn)作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)或計(jì)時(shí)終點(diǎn)。本文采用基于最小二乘法進(jìn)行液位檢測(cè)電壓數(shù)據(jù)線性擬合的方法來(lái)確定這個(gè)實(shí)時(shí)點(diǎn)，首先確定擬合起點(diǎn)。利用粗大誤差的剔除方法，把非計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線區(qū)域的液位檢測(cè)電壓的一階差分的標(biāo)準(zhǔn)差作為先驗(yàn)知識(shí)，可以很方便地判斷出被測(cè)液體的液位是否已經(jīng)進(jìn)入計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線區(qū)域。在采集液位檢測(cè)電壓的測(cè)量過(guò)程可以認(rèn)為是進(jìn)行了多次等精度獨(dú)立測(cè)量。設(shè)j時(shí)刻的液位檢測(cè)電壓為uj，j-1時(shí)刻液位檢測(cè)電壓為uj-1，則uj Δuj=u當(dāng)液位檢測(cè)電壓數(shù)據(jù)較少時(shí)，按t分布的實(shí)際誤差分布范圍來(lái)判別粗大誤差較為合理，利用羅曼諾夫斯基檢驗(yàn)準(zhǔn)則[23]，即 ?uj-Δ可以判斷出第j時(shí)刻是否可能處于計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線區(qū)域。在式（2.5）中，K（n，α）為檢驗(yàn)系數(shù)，可根據(jù)液位檢測(cè)電壓的數(shù)目及精度需要，再查表獲得；把非計(jì)時(shí)區(qū)域（L1至L2）液位電壓數(shù)據(jù)（不包含第j時(shí)刻的液位檢測(cè)電壓）的一階差分進(jìn)行滑動(dòng)窗口均值濾波，長(zhǎng)度為2m，結(jié)果為Δui，即 Δui=1σi σi=i=j-2mj-1如果第M時(shí)刻的液位檢測(cè)電壓的一階差分ΔuM滿足式（2.5），同時(shí)M時(shí)刻后面連續(xù)N點(diǎn)均有Δuj<0，則系統(tǒng)會(huì)判定第M點(diǎn) QM=1當(dāng)當(dāng)QM=1時(shí)，系統(tǒng)就判定判定第M點(diǎn)為擬合起點(diǎn)。N決定了式（2.8）的抗干擾能力，N越大，系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)，但是過(guò)大的N會(huì)超出液位檢測(cè)電壓變化的區(qū)間，即AB曲線段，所以N值需要綜合考慮各因素，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)確定。2.4.3 基于線性擬合的計(jì)時(shí)起點(diǎn)與終點(diǎn)確定被測(cè)液體的凹型液面完全流過(guò)計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線（L2或L3）需要一定時(shí)間；同時(shí)計(jì)時(shí)起點(diǎn)或計(jì)時(shí)終點(diǎn)由于受環(huán)境隨機(jī)干擾的影響可能產(chǎn)生誤差，從而影響計(jì)時(shí)的精度。基于最小二乘法對(duì)計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線區(qū)域的液位檢測(cè)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，確定計(jì)時(shí)起點(diǎn)或計(jì)時(shí)終點(diǎn)的時(shí)間，減少受環(huán)境隨機(jī)干擾而產(chǎn)生的誤差。計(jì)時(shí)起點(diǎn)的判定方法如圖2.6所示。圖2.6基于線性擬合的計(jì)時(shí)起點(diǎn)確定在圖2.6中，uM-1,uM-2等為被測(cè)液體還未流經(jīng)計(jì)時(shí)點(diǎn)刻度線區(qū)（L2或L3）相應(yīng)時(shí)刻的液體檢測(cè)電壓數(shù)據(jù)，uM,uM+1,?,uM+N等為計(jì)時(shí)起點(diǎn)刻度線區(qū)（即凹型液面開(kāi)始到達(dá)至完全流過(guò)計(jì)時(shí)起點(diǎn)刻度線L2）相應(yīng)時(shí)刻的液位采樣電壓數(shù)據(jù)直線la可以為非計(jì)時(shí)起點(diǎn)區(qū)域的液位電壓數(shù)據(jù)擬合，此時(shí)的液位電壓平穩(wěn)，變化量小。所以直線la近似為水平直線，其值可為非計(jì)時(shí)起點(diǎn)區(qū)域一個(gè)窗口長(zhǎng)度為S、去掉極大值和極小值后la=1s-2式中，s=2m+1；max0≤i≤s-1un+i為取極大值；在圖2.5(a)中，類似階梯狀曲線中的AB段（凹型液面開(kāi)始到達(dá)至完全流過(guò)計(jì)時(shí)起點(diǎn)刻度線L2）近似為一條直線lf，直線的方程可以設(shè) ut=a+bt式中，a、b均為待定系數(shù)。如圖2.6所示，當(dāng)處于計(jì)時(shí)起點(diǎn)刻度線區(qū)時(shí)，以M點(diǎn)為起點(diǎn)，連續(xù)采樣N點(diǎn)液位檢測(cè)電壓，并去掉第M點(diǎn)和第M+N點(diǎn)，對(duì)剩下的N-2個(gè)液位檢測(cè)電壓數(shù)據(jù)按式（2.10）進(jìn)行線性擬合，則有 N-2a+(i=2令 u=1 t=1將式（2.12）、（2.13）代入方程（2.11），并解方程，得 b=i=2N-1 a=u-btlflaK1 a+bt=la tK1式中，同理，可得到計(jì)時(shí)終點(diǎn)值 t=tE即為被測(cè)液體的液位從計(jì)時(shí)起點(diǎn)下降到計(jì)時(shí)終點(diǎn)的所需時(shí)間。

3 液位檢測(cè)的硬件設(shè)計(jì)本章基于前面提出的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，以STM32F407VGT6單片機(jī)作為管理單元的核心器件，給出液位信息采集單元、電源單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、按鍵與液晶顯示單元、通信與打印單元等各模塊的硬件設(shè)計(jì)。3.1 STM32F407的硬件電路設(shè)計(jì)管理單元信息處理核心的MCU選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARMCortex-M432位內(nèi)核的STM32F407VGT6，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC1STM32F407VGT6內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖STM32F407VGT6單片機(jī)繼承了STM32F4系列的優(yōu)點(diǎn)，具有高性能、低成本、低功耗，主頻最高可達(dá)到168Mhz（可獲得210DMIPS的處理能力），器件的工作電壓在1.8V~3.6V之間，同時(shí)有更低的功耗：238μA/Mhz，并可進(jìn)入低功耗模式并被在需要時(shí)被快速喚醒。STM32F407的配置非常強(qiáng)大，它擁有的資源包括：集成FPU和DSP指令具有192KBRAM、1024KBFLASH12個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)32位定時(shí)器2個(gè)DMA控制器（共16個(gè)通道）6個(gè)通用同步導(dǎo)步收發(fā)器（USART）3個(gè)串行外設(shè)接口（SPI）2個(gè)集成電路內(nèi)置音頻總線接口（I2S）3個(gè)I2C串行總線接口USB高速OTG2個(gè)CAN區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制器3個(gè)12位ADC、2個(gè)12位DAC帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）2個(gè)嵌入式看門狗SDIO接口FSMC接口10/100M以太網(wǎng)MAC控制器攝像頭接口（DCMI）硬件隨機(jī)數(shù)生成器75個(gè)復(fù)用功能強(qiáng)大的I/O口STM32F407VGT6單片機(jī)作為管理單元的核心器件，必須能夠讀取液體自動(dòng)檢測(cè)模塊通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路傳遞過(guò)來(lái)的液位檢測(cè)電壓信號(hào)，并使用內(nèi)置的12ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行后緒處理。STM32F407VGT6的電路設(shè)計(jì)如圖3.2所示。Y1和Y2分別是STM32F407VGT6單片機(jī)的兩個(gè)外接晶體振蕩器，其中Y是高速晶振，振蕩頻率是25MHz，通過(guò)內(nèi)置的鎖相環(huán)電路，工作頻率最高可以達(dá)到168MHz，可作為系統(tǒng)時(shí)鐘；Y2為低速晶振，振蕩頻率為32.768kHz，可為實(shí)時(shí)時(shí)鐘外設(shè)（RTC）提供時(shí)鐘。此外，單片機(jī)內(nèi)部還提供了一個(gè)16MHz的RC振蕩器。SW1是復(fù)位按鍵，未被按下時(shí)NRST的電平被上拉電阻R45上拉為高電平，當(dāng)被按下時(shí)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)輸入，C33是濾波電容，消除按鍵動(dòng)作時(shí)的抖動(dòng)，以防止產(chǎn)生錯(cuò)誤的復(fù)位。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC2STM32F407VGT6最小系統(tǒng)電路JTAG是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試，STM32F407VGT6同樣在芯片內(nèi)部封裝了專門的測(cè)試電路TAP，所以通過(guò)JATG接口，不僅可以將程序?qū)懭隖lash芯片，還可以訪問(wèn)MPU內(nèi)置模塊的寄存器，如GPIO，USART等，方便了系統(tǒng)調(diào)試。JTAG接口電路設(shè)計(jì)如圖3.3所示。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC3JTAG接口電路設(shè)計(jì)JTAG接口的連接有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即14針接口和20針接口，本設(shè)計(jì)選用的是20針接口。TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測(cè)試模式選擇、測(cè)試時(shí)鐘、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入和測(cè)試數(shù)據(jù)輸出。3.2 液位信息傳輸?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)紅外光電傳感器的輸出電壓是0~5V，而STM32F407VGT6單片機(jī)ADC的參考電壓上限是3.3V，即系統(tǒng)的工作電壓。因此從傳感器輸出的液位檢測(cè)電壓需要經(jīng)過(guò)分壓才能被正確采集避免燒壞器件。為了提高液位檢測(cè)電壓采集的精度，分壓所采用的分壓電阻選用精度都為1%的線繞電阻，其阻值分別510Ω和1K。然后采集1K電阻兩端的電壓值作為當(dāng)前液位的檢測(cè)電壓值，液位信息傳輸電路如圖3.4所示。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC4液位信息傳輸電路3.3 電源電路設(shè)計(jì)TPS62160是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的一款易于使用的同步降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，它有3V至17V寬運(yùn)行輸入電壓范圍，當(dāng)在輸出電壓介于0.9V至6V之間時(shí)支持高達(dá)1A的持續(xù)輸出電流。TPS79633是TI公司生產(chǎn)的的一款低壓差線性穩(wěn)壓器，作為一款LDO的電源轉(zhuǎn)換芯片，它能把5V轉(zhuǎn)換成3.3V，這是傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器做不到的，而且噪音低，靜態(tài)電流小?；谶@兩款芯片所設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換電路如圖3.5所示。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC5電源轉(zhuǎn)換電路在圖3.5中，D2是發(fā)光二極管，由3.3V供電并串聯(lián)一個(gè)限流電阻R42，作為電源的指示燈。本設(shè)計(jì)中，由外接的9V電源適配器提供電源輸入，經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器TPS62160轉(zhuǎn)換成5V，再經(jīng)過(guò)LDO轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的工作電壓3.3V。并且在電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中使用了坦電容，增強(qiáng)了濾波效果，有效的提高了工作電壓的穩(wěn)定性。3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中使用的為MicroSD卡，也稱TF卡，是由SanDisk公司發(fā)明的。MicroSD卡是一種極細(xì)小的快閃存儲(chǔ)器卡，前期主要應(yīng)用于移動(dòng)電話，但因?yàn)樗捏w積微小和儲(chǔ)存容量的不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用于GPS設(shè)備、便攜式音樂(lè)播放器、數(shù)碼相機(jī)和一些快閃存儲(chǔ)器盤中?；贛icroSD卡設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路如圖3.6所示。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC6SDIO數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路MicroSD卡采用4位SDIO驅(qū)動(dòng)，有4條雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線SDIO_D0，SDIO_D1，SDIO_D2，SDIO_D3，STM32F407VGT6單片機(jī)可以通過(guò)這些數(shù)據(jù)線向MicroSD卡中寫入粘度測(cè)量的結(jié)果，也可以讀取已經(jīng)存儲(chǔ)在MicroSD卡中的數(shù)據(jù)。SDIO_CK和SDIO_CMD分別是時(shí)鐘線和命令傳輸線。SDIO_NCD用來(lái)檢測(cè)MicroSD卡是否已經(jīng)插入卡座中，當(dāng)檢測(cè)到卡座中有MicroSD卡時(shí)，SDIO_NCD上的電平被拉低，單片機(jī)檢測(cè)到此低電平信號(hào)時(shí)，就知道用戶已經(jīng)插入MicroSD卡，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。3.5 按鍵與液晶顯示單元電路設(shè)計(jì)按鍵用于切換液晶顯示內(nèi)容，按鍵電路如圖3.7所示。STMF407VGT6的PD8~PD15作為按鍵輸入的I/O口，端口模式寄存器配置為輸入模式。在按鍵未被按下時(shí)I/O口的電平被上拉電阻上拉為高電平，按鍵被按下時(shí)單片機(jī)通過(guò)軟件消抖的方式消除按鍵運(yùn)作時(shí)的抖動(dòng)，避免產(chǎn)生錯(cuò)誤的中斷操作。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC7按鍵電路本設(shè)計(jì)的液晶顯示單元選用MD050SD5寸總線型TFT模塊。MD050SD采用8080時(shí)序16bit并行總線接口，分辨率800×480，顯示面板16M色彩，集成8頁(yè)顯寸(顯存用不完可當(dāng)擴(kuò)展內(nèi)存使用)。在工作穩(wěn)定性方面該模塊具備超強(qiáng)抗干擾能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越市場(chǎng)上的SSD1963驅(qū)動(dòng)方案，SSD1963抗干擾差，有死機(jī)白屏的風(fēng)險(xiǎn)?？刂品矫鍹D050SD省去了一般的TFT控制器所需要的煩瑣的初始化代碼，MD050SD無(wú)需初始化，僅僅需要做一次復(fù)位操作就可以開(kāi)始工作，最少只需要使用5個(gè)積存器指令就可以正常操作，大大簡(jiǎn)化了程序的代碼量，降低了程序的調(diào)試難度和出錯(cuò)機(jī)率。MD050SD的響應(yīng)速度很快，能達(dá)到200ns的讀寫周期，并提供LED背光驅(qū)動(dòng)?；贛D050SD設(shè)計(jì)的液晶顯示接口電路如圖3.8所示。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC8液晶顯示接口電路在圖3.8中，DB8~DB15是高8位數(shù)據(jù)總線，DB0~DB7是低8位數(shù)據(jù)總線。WR、RD分別是寫數(shù)據(jù)時(shí)鐘和讀數(shù)據(jù)時(shí)鐘，RS則是數(shù)據(jù)或者命令的切換控制。3.6 通信與打印模塊STM32F407VGT6單片機(jī)具有多達(dá)6個(gè)通用同步導(dǎo)步收發(fā)器（即USART），可用于串口數(shù)據(jù)通信。TUSB3410是美國(guó)TI公司推出的一款用于USB-TO-UART端口的橋接器，包括通過(guò)USB總線與主機(jī)進(jìn)行通信所必需的全部邏輯電路，符合USB2.0規(guī)范，支持最高12Mb/s的全速傳輸，支持USB中止、恢復(fù)及遠(yuǎn)程喚醒功能；同時(shí)，其內(nèi)部包含一個(gè)8052的CPU核，16KB的RAM、包含IIC引導(dǎo)加載程序的10KB的ROM，4個(gè)通用的I/O口，具有USB總線供電和自帶電源兩種供電模式。主機(jī)PC可經(jīng)TUSB3410虛擬的一個(gè)COM口與STM32F407VGT6的硬件USRAT模塊進(jìn)行全雙工串口通訊。TUSB3410的USB數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)雙路USB端口瞬態(tài)抵制器SN75240后連接到miniUSB連接口，以增強(qiáng)系統(tǒng)的ESD抗干擾能力。USB總線提供的5V電壓還可以經(jīng)過(guò)TPS79633這一固定輸出為3.3V的LDO穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后作為MCU系統(tǒng)的工作電壓。以TUSB3410為核心設(shè)計(jì)的串口轉(zhuǎn)USB通信電路如圖3.9所示。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC9串口轉(zhuǎn)USB接口電路MAX3232通信接口芯片是Maxim公司推出的一款標(biāo)準(zhǔn)RS-232芯片，采用單電源供電，工作電壓為+3~+5.5V，具有兩路收發(fā)器，通信方式為全雙工。以MAX3232為核心設(shè)計(jì)的打印機(jī)通信電路如圖3.10所示。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC10打印機(jī)接口電路MAX3232收發(fā)器采用專有的低壓差發(fā)送器輸出級(jí)，利用雙電荷泵在3.0~5.5V電源供電時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的RS-232性能，且僅需四個(gè)0.1μF的外部小尺寸電荷泵電容。MAX3232能夠確保在120kbit/s數(shù)據(jù)速率下維持RS-232輸出電平。MAX3232具有2路接收器和2路驅(qū)動(dòng)器，發(fā)送器為反相電平轉(zhuǎn)換器，將CMOS邏輯電平轉(zhuǎn)換成5.0VEIA/TIA-232電平；接收器將RS-232信號(hào)轉(zhuǎn)換成CMOS邏輯輸出電平，MAX3232接收器提供反相三態(tài)輸出。STM32F047VGT6通過(guò)此通信電路與微型打印機(jī)連接可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的打印輸出，便于交流與存檔。

4 液位檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)本章介紹烏氏粘度計(jì)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和軟件的模塊化設(shè)計(jì)原則，著重闡述烏氏粘度計(jì)軟件中的主程序、ADC采樣模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊、通信模塊、以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的程序設(shè)計(jì)。4.1 模塊化設(shè)計(jì)原則和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境烏氏粘度計(jì)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)原則。模塊化設(shè)計(jì)思想使得程序設(shè)計(jì)框架變得清晰，對(duì)程序的開(kāi)發(fā)質(zhì)量、再次開(kāi)發(fā)源代碼的可重用性提供了保障。模塊化設(shè)計(jì)原則的根本出發(fā)點(diǎn)是把復(fù)雜的問(wèn)題分解成許多容易解決的小問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)模塊化程序設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下幾條主要原則：（1）模塊大小的劃分要根據(jù)其預(yù)定功能決定；（2）模塊的獨(dú)立性要強(qiáng)，可以對(duì)模塊單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試和修改，不會(huì)影響其他模塊；（3）每個(gè)模塊最好只有一個(gè)入口和一個(gè)出口；（4）模塊間的關(guān)系要明確，采用自頂向下設(shè)計(jì)，上層調(diào)用下層，反之則不可以；（5）程序中易變化的部分與不易變化的部分應(yīng)分開(kāi)，形成不同的模塊。烏氏粘度計(jì)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為IARforARM，編譯器為IAREmbeddedWorkbenchIDE5.301，支持在線調(diào)試仿真，調(diào)試工具為L(zhǎng)SD-FET430UIF；程序編寫以及修改在IAREmbeddedWorkbenchIDE中完成，由LSD-FET430UIF導(dǎo)入IAREmbeddedWorkbenchIDE5.301完成編譯的項(xiàng)目文件進(jìn)行在線硬件調(diào)試或下載程序脫機(jī)運(yùn)行。IAREmbeddedWorkbench（簡(jiǎn)稱EW）是一種用于開(kāi)發(fā)應(yīng)用各種不同目標(biāo)處理器的靈活的集成環(huán)境，它提供一個(gè)方便地窗口界面用于迅速的開(kāi)發(fā)調(diào)試。其包括了高度優(yōu)化的IARARMC/C++編譯器，匯編器，通用的連接定位器，庫(kù)創(chuàng)建器，編輯器，工程管理器、命令行程序和IARC-SPY調(diào)試器。IAREmbeddedWorkbench適用于大量8位、16位以及32位的微處理器和微控制器，使用戶在開(kāi)發(fā)新的項(xiàng)目時(shí)也能在所熟悉的開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行。它為用戶提供一個(gè)易學(xué)和具有最大量代碼繼承能力的開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及對(duì)大多數(shù)和特殊目標(biāo)的支持，可以大大節(jié)省工作時(shí)間。4.2 主程序設(shè)計(jì)烏氏粘度計(jì)主要實(shí)現(xiàn)儀器自檢、系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理、粘度測(cè)量等功能。主程序?qū)⒉煌δ苣K組織在一起，起到管理作用，主程序的流程如圖4.1所示。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC1主程序流程圖4.3 系統(tǒng)初始化模塊初始化程序主要是把硬件電路各單元配置到工作狀態(tài)，使之能夠穩(wěn)定高效的運(yùn)行。初始化的對(duì)象包括STM32F407VGT6單片機(jī)、MicroSD卡等。單片機(jī)的初始化內(nèi)容包括：配置I/O端口的工作模式、ADC通道初始化、串口初始化、RTC初始化、確定各寄存器的工作狀態(tài)等。MicroSD卡的始化內(nèi)容包括：對(duì)MicroSD卡是否插入進(jìn)行檢測(cè)。初始化流程圖如圖4.2所示。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC2系統(tǒng)初始化流程圖4.4 粘度測(cè)量模塊在進(jìn)行入粘度測(cè)量程序后，系統(tǒng)會(huì)要求用戶設(shè)置水浴的溫度，設(shè)置好之后，系統(tǒng)會(huì)不斷接收水浴溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)水浴溫度達(dá)到預(yù)設(shè)置的溫度且溫度波動(dòng)小于±0.1℃，選擇測(cè)量的次數(shù)，并加入被測(cè)液體。然后系統(tǒng)又不斷接收水浴溫度數(shù)據(jù)，在達(dá)到預(yù)設(shè)置溫度后，保持恒溫20分鐘。接下來(lái)，ADC采樣通道開(kāi)始工作，單片機(jī)采樣并處理紅外光電傳感器PS1的液位檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)判定液位到達(dá)計(jì)時(shí)起點(diǎn)刻度線時(shí)，讀取RTC時(shí)間T1。接著，單片機(jī)采樣并處理紅外光電傳感器PS2的液位檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)判定液位到達(dá)計(jì)時(shí)終點(diǎn)刻度線時(shí)，讀取RTC時(shí)間T2。采樣ADC通道停止工作，單片機(jī)計(jì)算時(shí)間差，算出當(dāng)前被測(cè)液體的運(yùn)動(dòng)粘度，并存儲(chǔ)。單片機(jī)會(huì)重復(fù)上面的操作，直到完成規(guī)定的測(cè)量次數(shù)，并確定測(cè)量結(jié)果是否有效，如果測(cè)量結(jié)果有效，將粘度測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)到MicroSD卡中。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC3粘度測(cè)量流程圖4.5 通信模塊STM32F407VGT6單片機(jī)在與PC機(jī)進(jìn)行通信的時(shí)候是通過(guò)基于TUSB3410芯片的串口轉(zhuǎn)USB電路實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)首先要設(shè)置異步通信的比特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)方式等。通信模塊的程序流程圖如圖4.4所示。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC4通信流程圖4.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過(guò)向MicroSD卡寫入數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。烏式粘度計(jì)的粘度測(cè)量結(jié)果都是保存在外接的MicroSD卡上，通過(guò)讀卡器接入PC機(jī)，可以很方便在PC機(jī)上瀏覽、歸納、繪制圖表等進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的操作。MicroSD卡的寫操作：首先檢測(cè)MicroSD卡的狀態(tài)，如果處在空閑狀態(tài)中，向MicroSD卡發(fā)出寫數(shù)據(jù)命令，在STM32F407VGT6單片機(jī)獲得由卡發(fā)出的響應(yīng)后，向MicroSD卡發(fā)出要寫入數(shù)據(jù)的地址，得到正確響應(yīng)后，寫入相應(yīng)的粘度結(jié)果測(cè)量。MicroSD卡的讀操作與寫操作過(guò)程相似，就是單片機(jī)從MicroSD卡上讀出指定存儲(chǔ)地址中的數(shù)據(jù)，并可以進(jìn)行通信和打印。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的程序流程圖如圖4.5所示。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC5數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖

5 結(jié)論粘度測(cè)量在生產(chǎn)流程、產(chǎn)品質(zhì)量控制、科學(xué)研究及醫(yī)學(xué)診斷中都有非常重要的意義，與許多國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域密切相關(guān)。本文基于紅外光電傳感器，以STM32F407VGT6單片機(jī)為管理單元信息處理核心實(shí)現(xiàn)烏式粘度計(jì)的設(shè)計(jì)，能夠?qū)Ρ粶y(cè)液體的運(yùn)動(dòng)粘度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。畢業(yè)設(shè)計(jì)主要的工作內(nèi)容為：（1）通過(guò)上網(wǎng)、圖書館查找資料以及與學(xué)長(zhǎng)、學(xué)姐交流等方式，收集了與本論文相關(guān)的大量資料。通過(guò)對(duì)資料的認(rèn)真閱讀，分析了當(dāng)前烏式粘度計(jì)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，以及紅外光電傳感器的發(fā)展及應(yīng)用。（2）闡述了烏式粘度計(jì)的構(gòu)成和工作原理，畫出烏式粘度計(jì)的的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并詳述了基于紅外光電傳感器的液體檢測(cè)原理及其算法設(shè)計(jì)。（3）具體分析了烏式粘度計(jì)各硬件功能單元電路的組成及各模塊單元的工作原理，并通過(guò)學(xué)習(xí)運(yùn)用OrCAD和PCBEditor軟件，完成了烏式粘度計(jì)硬件電路原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)。（4）介紹了STM32F單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)方法，并運(yùn)用Visio畫圖軟件，給出了各個(gè)功能模塊的程序流程圖。本設(shè)計(jì)基本上完成了烏式粘度計(jì)管理單元的功能設(shè)計(jì)要求，但受到研究時(shí)間和自身知識(shí)水平的制約，本文的研究工作還存在一些缺點(diǎn)和不足，對(duì)于今后在本課題基礎(chǔ)上要進(jìn)一步完善和提高的內(nèi)容概括為：（1）繼續(xù)完善烏式粘度計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)，并結(jié)合電磁兼容技術(shù)，進(jìn)一步完善PCB設(shè)計(jì)；（2）繼續(xù)完善軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；（3）提高系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和抗干擾能力設(shè)計(jì)；（4）基于紅外光電傳感器的特點(diǎn)，研究液位檢測(cè)算法，提高粘度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

致謝時(shí)光飛逝，生命中最精彩的四年即將接近尾聲，追憶這幾年的求學(xué)生涯，不免有些不舍和感傷，但我們不要因結(jié)束而哭泣，要因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)生而微笑。本論文是在導(dǎo)師滕召勝老師的精心指導(dǎo)下完成的，從論文開(kāi)題，研究思路，實(shí)驗(yàn)證明到論文的完成，滕老師都給予我了耐心的指導(dǎo)、幫助和鼓勵(lì)。滕老師學(xué)術(shù)知識(shí)淵博、思想敏銳，而又不失一絲幽默，是一位值得我終身學(xué)習(xí)的良師。在此，向我敬愛(ài)的滕老師表示深深的敬意和最衷心的感謝！感謝湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院對(duì)我的培養(yǎng)！感謝這四年來(lái)教過(guò)我，給予我知識(shí)的每一位老師！感謝測(cè)控專業(yè)所有同學(xué)大學(xué)四年以來(lái)的對(duì)我的關(guān)心、幫助及鼓勵(lì)！同時(shí)還要感謝左培麗師姐、溫冠華師姐以及實(shí)驗(yàn)室的各位師兄師姐對(duì)我的幫助！感謝張韻琦同學(xué)，給予我莫大的關(guān)心和支持！最后要感謝我的家人，二十幾年的漫漫求學(xué)路，是他們一直給予我最大的支持和鼓勵(lì)，是我不斷前行的動(dòng)力！

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