毕业论文-粘度测量

湖南大学毕业设计(论文) 第页绪论1.1 粘度及其测量粘度是指流体抗其不可逆位置变化的能力，是对流体内部流动阻力的一种度量。粘度也是研究流体运动规律的基本参量，是流体控制方程的基本参数。不同物质的粘度不同，例如，在常温（20℃）、常压下，空气的粘度为0.018mPa·s、水为1mPa·s、蜂蜜为104mPa·s、沥青为108mPa·s、汽油为0.65mPa·s等。粘度还与压力、温度有关。粘度测量是控制生产流程、保证安全生产、控制与评定产品质量、医学诊断及科学研究的重要手段[21]，特别是在石油化工、医药、航天、食品等领域中具有非常重要的意义。如在医学中，血液粘度异常会引起血流阻力增加，使血流速度减慢，影响内脏器的血液供应，导致新陈代谢出现障碍，血液粘度在适当的水平上才能进行正常的血液循环，因而准确测量血液粘度将有助于预防疾病和诊断病情；在石油化工中，为了提高产品及其相关副产品的产量和质量，需要准确的测量原油炼制过程中的粘度；在基础研究中，如研究胶体稀溶液的粘度可以帮助了解质点的大小与形状、质点与介质间的相互作用等；在纤维缠绕过程中，树脂的粘度变化对产品的极限应力影响很大。因此，粘度测量技术一直以来备受关注，并且人们发展了许多相当成熟的方法，典型的传统测量方法主要有毛细管法、旋转法以及振动法等。(1)毛细管法根据泊肃叶定律，在一定温度下，被测液体在一定压力下通过直立的毛细管并以完全湿润管壁的状态流动时，所需时间正比于液体的运动粘度。因此，测量液体从毛细管流出的时间，即可得液体粘度。(2)旋转法旋转法可以测量广范围的液体粘度。其基本原理是：当流体与浸于其中的物体二者之一或者二者都作旋转运动时，物体将受到流体粘性力矩的作用而改变原来的转速或转矩，通过测量流体作用于物体的粘性力矩或物体的转速来确定流体的粘度[4]。(3)振动法振动法测量方式较多，有扭转振动式，振球式振动片式等。比较常用的为正弦波振动粘度计，由两个传感器碟片以固定频率的正弦波反向驱动组成其粘度检测单元，反向驱动的目的是为了抵消反作用力，获得稳定的正弦波振动。这类粘度计通过测量以固定频率和振幅不断振动的驱动电流，以驱动电流与粘度之间的比例关系来获得粘度。1.2 粘度测量的研究现状与发展趋势随着计算机技术、光学技术、图像技术、传感器技术的不断进步，大大推动了液体粘度测定技术的发展，液体粘度的测定方法及装置也得到了不断的完善和创新的。目前，对于液体粘度测量的研究主要集中在以下三个方面：（1）基于虚拟仪器的液体粘度快速测定：为提高液体粘度测量的速度和精度，可将虚拟仪器运用到液体粘度的测量中，以实现液体粘度的快速测量和在线测量[2]。（2）基于计算机系统的液体粘度快速测定：计算机技术引入液体粘度的测定中，对检测结果进行快速的分析计算，可有效地克服人为操作造成的主观误差，不但提高了测试精度，而且缩短了测试周期，提高了工作效率[2]。（3）基于新型粘度传感器的液体粘度快速测定：着传感器技术的飞速发展，一些新型高精度的粘度传感器也正在被应用到液体粘度的快速检测中，使得液体粘度的测定装置在结构大大简化[2]。粘度测定技术与国民经济许多领域均密切相关。随着科学技术发展的日新月异，实际生产需要研究和应用新的粘度测定技术；另外相关领域的技术进步也使得粘度测定技术将获得改进与提高。综合这两方面的因素，液体粘度测量技术将在3个方向有较大的发展：（1）传统的粘度测量方法已经比较成熟，再结合现代数据采集与处理技术，将会提高测量精度和智能化程度。（2）研究适用于宽范围测量（如新型智能材料）的粘度测定方法和测试装置，例如测量电流变液的粘度，它是一种固液两相悬浮液，在外加电场(或磁场)的作用下，电（或磁）流变液的粘度会迅速变化。（3）粘度是了解生物体体液流动机理的基础，服务于生物医学工程的粘度测量方法的改进有助于对生物体体液流动粘度的精确测定。1.3 红外光电传感器的发展及其应用光电传感器又称光电开关，分为直射式与反射式两大类，在军事、通信、航空航天、工业检测与自动化、医学诊断、科学研究和民用产品中都有广泛的应用。例如，红外光电传感器可以用于遥控与通信、路径循迹导航、物体探测以及距离测量等[11]。光电传感器的物理基础是光电效应，用光电器件测量非电量时，首先要把非电量的变化转换为光量的变化，然后通过光电器件的作用，就可以把非电量的变化转换为电量的变化。红外光电传感器发出的光信号是红外线，红外线可划分为近红外（0.7~1.4μm）、中波红外（1.4~3μm）、远红外（50~1000μm）等波段。红外线作为一种不可见光，需要采用专门的红外发射器和接收器，并且可以有效地防止周围可见光的干扰，进行无接触探测，不损伤被测物体。当今是信息化的社会，而传感器技术的进入21世纪以来发展的十大顶尖技术之一。光电传感器所涉及的领域也越来越多，重要性不断提高，同其他学科技术的发展也越来越紧密。光电传感器的发展趋势主要有：（1）智能化：把传统的光电传感器结合微处理器，利用传感器本身的检测技术加上计算和存储功能，可以进行数据的分析。（2）模块化：整个传感器分成各个模块，当单组模块出现故障也不会影响到整个系统的工作。（3）先进化：寻找新材料、新工艺以及研究光电传感器新原理。（4）多功能：使光电传感器可以同时测量多种物理量。1.4 本文的主要研究内容本文在介绍了粘度及其测量的基本概念，分析粘度测量的研究现状与发展的基础上，利用红外光电传感器进行液位检测的方法，设计实现了基于红外光电传感器的乌氏粘度计。文章主要从乌氏粘度计的总体设计、基于红外光电传感器的液位检测算法的实现，硬件电路的设计，各功能模块的软件设计等几方面介绍了红外光传感器在粘度测量中的运用。全文共分为5章，各章具体的研究内容为：第1章：主要介绍粘度及其测量的基本概念，分析粘度测量的研究现状与发展趋势，指出本文的研究的主要内容。第2章：讲述乌氏粘度计的工作原理，介绍系统的总体设计方案并给出原理框图。第3章：以红外光电传感器为检测部件进行液位检测，详述了一种基于线性拟合的液位检测算法设计。第4章：阐述了乌氏粘度计的硬件电路设计，包括液位信息采集电路设计、单片机最小系统电路设计、数据存储单元电路设计、按键与液晶显示单元电路设计以及电源单元电路设计等。第5章：采用模块化的软件设计方法进行乌氏粘度计软件的设计，主要阐述了主程序设计流程和各功能模块的设计流程，包括主程序设计、系统初始化、粘度测量模块、通信模块、数据存储模块等。

2 乌氏粘度计的构成与工作原理乌氏粘度计在某一恒定的温度的条件下，用相对法测量被测液体的运动粘度。整个系统分为温控单元和管理单元，本文主要研究管理单元，以STM32F407VGT6为信息处理核心，主要由液位自动检测模块、通信模块、数据存储模块以及人机接口模块等组成。基于红外光电传感器的液位检测取代传统的人工计时方法，是提高测量精度的第一步，同时结合粗大误差的剔除方法和基于最小二乘法的线性拟合，获得了良好的计时效果。2.1 乌氏粘度计的工作原理基于泊肃叶公式利用毛细管法测量牛顿流体时，有绝对测量和相法测量两种方法。对于绝对测量，要求毛细管的加工极其精确，并需对毛细管的尺寸、流量、压力进行准确的测量，还要用实验的方法获得动能修正系数m及末端修正系数n[26]。绝对测量法由于复杂繁琐，仅在测量纯水等标准液粘度的特殊情况才会采用。相对测量法是将被测量液体与已知粘度的标准液进行比较测量获得粘度的方法，在实际运用中，只要采用事先用标准液标定出仪器常数C，就不必每次都要和标准液进行比对。重力型毛细管粘度计的工作原理是在某一恒定的温度下，用相对法测量一定体积的液体在重力（即液柱自身重量）作用下流经毛细管所需要的时间，求得液体的运动粘度。常用的毛细管粘度计按结构、形状可分为平氏、芬氏、乌氏、逆流等四种，本文采用乌氏粘度计。乌氏粘度计的系统结构框图如图2.1所示。在恒温水浴箱中，密封管M，利用微型泵把被测液体抽取到计时球上计时起点刻度线A以上约5mm处，然后微型泵停止工作，使管M及N均与大气相通，被测液体自然流下，测量被测液体的液面通过计时球上、下计时点刻度线A与B所用时间，即可获得被测液体的运动粘度，即 υ=Ct 式中，ν为被测液体的运动粘度（mm2/s）；C为仪器常数（mm2/s2）；t为被测液体的液面通过计时球上、下计时刻度线A与B所用时间（s）。如有必要，将该运动粘度和同温度下被测液体的密度相乘，可获得被测液体的动力粘度，即 η=ρν （2.2）式中，η为被测液体的动力粘度（mPa∙s）；ρ为与测量运动粘度相同温下被测液体的密度（g/cm3），用准确度不低于±0.1%的密度计测量。图2.SEQ图2.\*ARABIC1乌氏粘度计的系统结构框图2.2 系统的总体设计如图2.1所示，乌氏粘度计主要分为温控单元和管理单元两大部分。温控单元主要由恒温水浴箱、小型潜水泵、压缩机和加热管等组成。恒温水浴箱由透明材料制成，或带有观察窗。小型潜水泵用来搅动恒温水浴箱中的水，使水浴箱各处的温度相同，保证了温度的一致性。压缩机和加热管协同工作，精确控制水浴箱中的温度。温控系统为乌氏粘度计提供一个稳定、准确的恒温环境。本文的研究重点在管理单元这一部分。管理单元以意法半导法公司生产的高性能、低成本、低功耗的STM32F407VGT6为信息处理核心，主要由液位自动检测模块、通信模块、数据存储模块以及人机接口模块等组成。液位自动检测模块包含了乌氏毛细管粘度计和红外光电传感器，其中乌氏毛细管是粘度测量使用到的标准量具，在使用前需校准。液位自动检测模块对被测液体通过计时起点刻度线A和计时终点刻度线B的时间进行自动测量，然后由单片机计算出被测液体的运动粘度，并完成测量结果的显示、数据的存储、通信及打印等功能。乌氏粘度计的工作流程图如图2.2所示。在仪器提示输入当前被测液体测量时需要的水浴温度后，温控单元会根据目前水浴箱中的温度，选择适当的控制方法，使水浴温度达到目标所需的温度，且温度波动不超过±0.1℃。当乌氏毛细管粘度计注入被测液体并在恒温水浴箱中恒温20min后开始测量，液位自动检测模块测量被测液体的液面通过计时球上、下计时点刻度线A与B所用时间t，计算获得被测液体的运动粘度ν。图2.SEQ图2.\*ARABIC2乌氏粘度计的工作流程图2.3 基于红外光电传感器的液位检测原理乌氏粘度计通过测量被测液体流经计时起点和计时终点之间的时间差，利用泊肃叶公式，来确定测液体的运动粘度。所以，对被测液体的液位是否到达计时刻度线起点或计时刻度线终点的准确判断，是乌氏粘度计测量的关键技术之一。传统的液位检测方法是通过人眼判断被测液体的凹型液面流经粘度计的计时点刻度线，并采用手工计时配合秒表完成，工作效率低、测量误差大。利用红外光电传感器自动检测液位的方式来代替传统的检测方法可以提高液位检测的测量精度。图2.SEQ图2.\*ARABIC3乌氏粘度仪自动计时原理乌氏粘度计的液位自动检测及计时原理如图2.3所示，将红外光电传感器(发射端和接收端)PE1、PE2通过夹具分别安装在计时起点刻度线L2和计时终点刻度线L3，来代替传统人工判断的计时起点和终点。首先利用微型泵把被测液体抽取到刻度线L1附近，即在计时器上方5mm左右，然后被测液体的液面在重力作用下会缓慢下降。乌氏粘度计通过红外光电传感器PE1检测到被测液体的液面下降到计时起点刻度线L2时，粘度计自动开始计时；当粘度计通过红外光电传感器P图2.SEQ图2.\*ARABIC3乌氏粘度仪自动计时原理被测液体在乌氏粘度管中由于吸附作用和表面张力的作用，其液面呈现近似球形的凹面，如图2.4所示。当被测液体的凹面液面下降到计时点刻度线（L2或L3）时，红外光电传感器发射端发出的红外光经液面反射、折射，红外接收端接收到的红外光有较大衰弱，产生的液位检测电压会随之减小，在经过信号调理电路和AD转换得到的液位检测电压信号与非计时区域小。MCU通过液位检测电压的变化，判断液位是否到达计时点刻度线。图2.SEQ图2.\*ARABIC4光电传感器液位检测原理2.4 液位检测算法设计对红外光电传感器检测到的液位信息首先进行数字滤波，去除噪声干扰。然后选择拟合起点，最后基于最小二乘法的线性拟合确定液位测量的计时起点和计时终点，获得时间差。2.4.1 液位电压数据预处理MCU采集到的液位检测电压数据可能受到环境的随机干扰，所以首先要对采集到的信息进行数据预处理。在这里数据预处理采用软件滤波的方法，即数字滤波。数字滤波是利用一定的算法，对数字信号进行处理，即人为设计程序加工处理单片机数据采集部分输入的信号，以消除误差干扰。并且数字滤波无须硬件，只用一个计算过程，可靠性高，不存在阻抗匹配问题，只要适当改变滤波程序或运行参数，就能方便的改变其滤波特性。常用的软件滤波方法有限幅滤波法、中位值滤波法、滑动平均滤波法、中位值平均滤波法、算术平均值滤波法、去极值平均滤波法等。根据液位检测的原理，设TS为采样时间，MCU在TS时间内连续采样获得N个液位检测电压数据，然后将这N个数据按从小到大顺序排序得到序列xn=x uj=1N-2K即第j时刻的液位检测电压为uj2.4.2 拟合起点的确定在乌氏粘度管中，由于重力的作用，被测液体会缓慢的下降。当被测液体在下降过程中还没有流经计时点刻度线（L2或L3）前或者是已经完全流过计时点刻度线后，液位检测电压平稳，变化量小；而当被测液体流经计时点刻度线区域时，液位检测电压变化量大，其液位检测电压及其一阶差分曲线如图2.5所示。图2.5液位检测电压及其一阶差分曲线因此，对于液位测量的计时起点或计时终点的判定可以通过搜寻一个突变点来判断。但是在进行实际的液位检测过程中，红外发光二极管发出的红外光经液面反射、折射，产生不同的衰减，液位检测电压的变化并不是呈理想的刚性折点，并且由于实际发出的红外光是具有一定的宽度的，所以整个液位检测电压的实际变化过程是一个有缓冲带并带有许多毛刺和抖动的阶梯状曲线形式。必须要从类似阶梯形曲线中找到一个可以用来反映液位检测电压变化的关键点，即可以代表被测液体流过计时点刻度线的实时点作为计时起点或计时终点。本文采用基于最小二乘法进行液位检测电压数据线性拟合的方法来确定这个实时点，首先确定拟合起点。利用粗大误差的剔除方法，把非计时点刻度线区域的液位检测电压的一阶差分的标准差作为先验知识，可以很方便地判断出被测液体的液位是否已经进入计时点刻度线区域。在采集液位检测电压的测量过程可以认为是进行了多次等精度独立测量。设j时刻的液位检测电压为uj，j-1时刻液位检测电压为uj-1，则uj Δuj=u当液位检测电压数据较少时，按t分布的实际误差分布范围来判别粗大误差较为合理，利用罗曼诺夫斯基检验准则[23]，即 ∆uj-Δ可以判断出第j时刻是否可能处于计时点刻度线区域。在式（2.5）中，K（n，α）为检验系数，可根据液位检测电压的数目及精度需要，再查表获得；把非计时区域（L1至L2）液位电压数据（不包含第j时刻的液位检测电压）的一阶差分进行滑动窗口均值滤波，长度为2m，结果为Δui，即 Δui=1σi σi=i=j-2mj-1如果第M时刻的液位检测电压的一阶差分ΔuM满足式（2.5），同时M时刻后面连续N点均有Δuj<0，则系统会判定第M点 QM=1当当QM=1时，系统就判定判定第M点为拟合起点。N决定了式（2.8）的抗干扰能力，N越大，系统的抗干扰能力越强，但是过大的N会超出液位检测电压变化的区间，即AB曲线段，所以N值需要综合考虑各因素，通过大量的实验确定。2.4.3 基于线性拟合的计时起点与终点确定被测液体的凹型液面完全流过计时点刻度线（L2或L3）需要一定时间；同时计时起点或计时终点由于受环境随机干扰的影响可能产生误差，从而影响计时的精度。基于最小二乘法对计时点刻度线区域的液位检测电压数据进行线性拟合，确定计时起点或计时终点的时间，减少受环境随机干扰而产生的误差。计时起点的判定方法如图2.6所示。图2.6基于线性拟合的计时起点确定在图2.6中，uM-1,uM-2等为被测液体还未流经计时点刻度线区（L2或L3）相应时刻的液体检测电压数据，uM,uM+1,⋯,uM+N等为计时起点刻度线区（即凹型液面开始到达至完全流过计时起点刻度线L2）相应时刻的液位采样电压数据直线la可以为非计时起点区域的液位电压数据拟合，此时的液位电压平稳，变化量小。所以直线la近似为水平直线，其值可为非计时起点区域一个窗口长度为S、去掉极大值和极小值后la=1s-2式中，s=2m+1；max0≤i≤s-1un+i为取极大值；在图2.5(a)中，类似阶梯状曲线中的AB段（凹型液面开始到达至完全流过计时起点刻度线L2）近似为一条直线lf，直线的方程可以设 ut=a+bt式中，a、b均为待定系数。如图2.6所示，当处于计时起点刻度线区时，以M点为起点，连续采样N点液位检测电压，并去掉第M点和第M+N点，对剩下的N-2个液位检测电压数据按式（2.10）进行线性拟合，则有 N-2a+(i=2令 u=1 t=1将式（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，可得到计时终点值 t=tE即为被测液体的液位从计时起点下降到计时终点的所需时间。

3 液位检测的硬件设计本章基于前面提出的系统总体设计，以STM32F407VGT6单片机作为管理单元的核心器件，给出液位信息采集单元、电源单元、数据存储单元、按键与液晶显示单元、通信与打印单元等各模块的硬件设计。3.1 STM32F407的硬件电路设计管理单元信息处理核心的MCU选用意法半导体公司生产的基于ARMCortex-M432位内核的STM32F407VGT6，其内部结构框图如图3.1所示。图3.SEQ图3.\*ARABIC1STM32F407VGT6内部结构图STM32F407VGT6单片机继承了STM32F4系列的优点，具有高性能、低成本、低功耗，主频最高可达到168Mhz（可获得210DMIPS的处理能力），器件的工作电压在1.8V~3.6V之间，同时有更低的功耗：238μA/Mhz，并可进入低功耗模式并被在需要时被快速唤醒。STM32F407的配置非常强大，它拥有的资源包括：集成FPU和DSP指令具有192KBRAM、1024KBFLASH12个16位定时器、2个32位定时器2个DMA控制器（共16个通道）6个通用同步导步收发器（USART）3个串行外设接口（SPI）2个集成电路内置音频总线接口（I2S）3个I2C串行总线接口USB高速OTG2个CAN区域网络控制器3个12位ADC、2个12位DAC带日历功能的实时时钟（RTC）2个嵌入式看门狗SDIO接口FSMC接口10/100M以太网MAC控制器摄像头接口（DCMI）硬件随机数生成器75个复用功能强大的I/O口STM32F407VGT6单片机作为管理单元的核心器件，必须能够读取液体自动检测模块通过信号调理电路传递过来的液位检测电压信号，并使用内置的12ADC将模拟信号转换成数字信号，再进行后绪处理。STM32F407VGT6的电路设计如图3.2所示。Y1和Y2分别是STM32F407VGT6单片机的两个外接晶体振荡器，其中Y是高速晶振，振荡频率是25MHz，通过内置的锁相环电路，工作频率最高可以达到168MHz，可作为系统时钟；Y2为低速晶振，振荡频率为32.768kHz，可为实时时钟外设（RTC）提供时钟。此外，单片机内部还提供了一个16MHz的RC振荡器。SW1是复位按键，未被按下时NRST的电平被上拉电阻R45上拉为高电平，当被按下时产生一个下降沿，产生复位信号输入，C33是滤波电容，消除按键动作时的抖动，以防止产生错误的复位。图3.SEQ图3.\*ARABIC2STM32F407VGT6最小系统电路JTAG是一种国际标准测试协议，用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，STM32F407VGT6同样在芯片内部封装了专门的测试电路TAP，所以通过JATG接口，不仅可以将程序写入Flash芯片，还可以访问MPU内置模块的寄存器，如GPIO，USART等，方便了系统调试。JTAG接口电路设计如图3.3所示。图3.SEQ图3.\*ARABIC3JTAG接口电路设计JTAG接口的连接有两种标准，即14针接口和20针接口，本设计选用的是20针接口。TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。3.2 液位信息传输的电路设计红外光电传感器的输出电压是0~5V，而STM32F407VGT6单片机ADC的参考电压上限是3.3V，即系统的工作电压。因此从传感器输出的液位检测电压需要经过分压才能被正确采集避免烧坏器件。为了提高液位检测电压采集的精度，分压所采用的分压电阻选用精度都为1%的线绕电阻，其阻值分别510Ω和1K。然后采集1K电阻两端的电压值作为当前液位的检测电压值，液位信息传输电路如图3.4所示。图3.SEQ图3.\*ARABIC4液位信息传输电路3.3 电源电路设计TPS62160是美国TI公司生产的一款易于使用的同步降压DC-DC转换器，它有3V至17V宽运行输入电压范围，当在输出电压介于0.9V至6V之间时支持高达1A的持续输出电流。TPS79633是TI公司生产的的一款低压差线性稳压器，作为一款LDO的电源转换芯片，它能把5V转换成3.3V，这是传统的线性稳压器做不到的，而且噪音低，静态电流小。基于这两款芯片所设计的电源转换电路如图3.5所示。图3.SEQ图3.\*ARABIC5电源转换电路在图3.5中，D2是发光二极管，由3.3V供电并串联一个限流电阻R42，作为电源的指示灯。本设计中，由外接的9V电源适配器提供电源输入，经DC-DC转换器TPS62160转换成5V，再经过LDO转换器转换成系统的工作电压3.3V。并且在电源转换过程中使用了坦电容，增强了滤波效果，有效的提高了工作电压的稳定性。3.4 数据存储单元电路设计本设计中使用的为MicroSD卡，也称TF卡，是由SanDisk公司发明的。MicroSD卡是一种极细小的快闪存储器卡，前期主要应用于移动电话，但因为它的体积微小和储存容量的不断提高，现在已经广泛使用于GPS设备、便携式音乐播放器、数码相机和一些快闪存储器盘中。基于MicroSD卡设计的数据存储电路如图3.6所示。图3.SEQ图3.\*ARABIC6SDIO数据存储电路MicroSD卡采用4位SDIO驱动，有4条双向传输的数据线SDIO_D0，SDIO_D1，SDIO_D2，SDIO_D3，STM32F407VGT6单片机可以通过这些数据线向MicroSD卡中写入粘度测量的结果，也可以读取已经存储在MicroSD卡中的数据。SDIO_CK和SDIO_CMD分别是时钟线和命令传输线。SDIO_NCD用来检测MicroSD卡是否已经插入卡座中，当检测到卡座中有MicroSD卡时，SDIO_NCD上的电平被拉低，单片机检测到此低电平信号时，就知道用户已经插入MicroSD卡，然后进行数据的读写。3.5 按键与液晶显示单元电路设计按键用于切换液晶显示内容，按键电路如图3.7所示。STMF407VGT6的PD8~PD15作为按键输入的I/O口，端口模式寄存器配置为输入模式。在按键未被按下时I/O口的电平被上拉电阻上拉为高电平，按键被按下时单片机通过软件消抖的方式消除按键运作时的抖动，避免产生错误的中断操作。图3.SEQ图3.\*ARABIC7按键电路本设计的液晶显示单元选用MD050SD5寸总线型TFT模块。MD050SD采用8080时序16bit并行总线接口，分辨率800×480，显示面板16M色彩，集成8页显寸(显存用不完可当扩展内存使用)。在工作稳定性方面该模块具备超强抗干扰能力，远远超越市场上的SSD1963驱动方案，SSD1963抗干扰差，有死机白屏的风险。控制方面MD050SD省去了一般的TFT控制器所需要的烦琐的初始化代码，MD050SD无需初始化，仅仅需要做一次复位操作就可以开始工作，最少只需要使用5个积存器指令就可以正常操作，大大简化了程序的代码量，降低了程序的调试难度和出错机率。MD050SD的响应速度很快，能达到200ns的读写周期，并提供LED背光驱动。基于MD050SD设计的液晶显示接口电路如图3.8所示。图3.SEQ图3.\*ARABIC8液晶显示接口电路在图3.8中，DB8~DB15是高8位数据总线，DB0~DB7是低8位数据总线。WR、RD分别是写数据时钟和读数据时钟，RS则是数据或者命令的切换控制。3.6 通信与打印模块STM32F407VGT6单片机具有多达6个通用同步导步收发器（即USART），可用于串口数据通信。TUSB3410是美国TI公司推出的一款用于USB-TO-UART端口的桥接器，包括通过USB总线与主机进行通信所必需的全部逻辑电路，符合USB2.0规范，支持最高12Mb/s的全速传输，支持USB中止、恢复及远程唤醒功能；同时，其内部包含一个8052的CPU核，16KB的RAM、包含IIC引导加载程序的10KB的ROM，4个通用的I/O口，具有USB总线供电和自带电源两种供电模式。主机PC可经TUSB3410虚拟的一个COM口与STM32F407VGT6的硬件USRAT模块进行全双工串口通讯。TUSB3410的USB数据信号经双路USB端口瞬态抵制器SN75240后连接到miniUSB连接口，以增强系统的ESD抗干扰能力。USB总线提供的5V电压还可以经过TPS79633这一固定输出为3.3V的LDO稳压芯片稳压后作为MCU系统的工作电压。以TUSB3410为核心设计的串口转USB通信电路如图3.9所示。图3.SEQ图3.\*ARABIC9串口转USB接口电路MAX3232通信接口芯片是Maxim公司推出的一款标准RS-232芯片，采用单电源供电，工作电压为+3~+5.5V，具有两路收发器，通信方式为全双工。以MAX3232为核心设计的打印机通信电路如图3.10所示。图3.SEQ图3.\*ARABIC10打印机接口电路MAX3232收发器采用专有的低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0~5.5V电源供电时能够实现真正的RS-232性能，且仅需四个0.1μF的外部小尺寸电荷泵电容。MAX3232能够确保在120kbit/s数据速率下维持RS-232输出电平。MAX3232具有2路接收器和2路驱动器，发送器为反相电平转换器，将CMOS逻辑电平转换成5.0VEIA/TIA-232电平；接收器将RS-232信号转换成CMOS逻辑输出电平，MAX3232接收器提供反相三态输出。STM32F047VGT6通过此通信电路与微型打印机连接可实现现场测量结果的打印输出，便于交流与存档。

4 液位检测的软件设计本章介绍乌氏粘度计软件开发环境和软件的模块化设计原则，着重阐述乌氏粘度计软件中的主程序、ADC采样模块、按键模块、液晶显示模块、通信模块、以及数据存储模块的程序设计。4.1 模块化设计原则和软件开发环境乌氏粘度计的软件采用模块化设计原则。模块化设计思想使得程序设计框架变得清晰，对程序的开发质量、再次开发源代码的可重用性提供了保障。模块化设计原则的根本出发点是把复杂的问题分解成许多容易解决的小问题，一般来说模块化程序设计应该遵循以下几条主要原则：（1）模块大小的划分要根据其预定功能决定；（2）模块的独立性要强，可以对模块单独进行设计、调试和修改，不会影响其他模块；（3）每个模块最好只有一个入口和一个出口；（4）模块间的关系要明确，采用自顶向下设计，上层调用下层，反之则不可以；（5）程序中易变化的部分与不易变化的部分应分开，形成不同的模块。乌氏粘度计软件开发环境为IARforARM，编译器为IAREmbeddedWorkbenchIDE5.301，支持在线调试仿真，调试工具为LSD-FET430UIF；程序编写以及修改在IAREmbeddedWorkbenchIDE中完成，由LSD-FET430UIF导入IAREmbeddedWorkbenchIDE5.301完成编译的项目文件进行在线硬件调试或下载程序脱机运行。IAREmbeddedWorkbench（简称EW）是一种用于开发应用各种不同目标处理器的灵活的集成环境，它提供一个方便地窗口界面用于迅速的开发调试。其包括了高度优化的IARARMC/C++编译器，汇编器，通用的连接定位器，库创建器，编辑器，工程管理器、命令行程序和IARC-SPY调试器。IAREmbeddedWorkbench适用于大量8位、16位以及32位的微处理器和微控制器，使用户在开发新的项目时也能在所熟悉的开发环境中进行。它为用户提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环境，以及对大多数和特殊目标的支持，可以大大节省工作时间。4.2 主程序设计乌氏粘度计主要实现仪器自检、系统设置、数据管理、粘度测量等功能。主程序将不同功能模块组织在一起，起到管理作用，主程序的流程如图4.1所示。图4.SEQ图4.\*ARABIC1主程序流程图4.3 系统初始化模块初始化程序主要是把硬件电路各单元配置到工作状态，使之能够稳定高效的运行。初始化的对象包括STM32F407VGT6单片机、MicroSD卡等。单片机的初始化内容包括：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、确定各寄存器的工作状态等。MicroSD卡的始化内容包括：对MicroSD卡是否插入进行检测。初始化流程图如图4.2所示。图4.SEQ图4.\*ARABIC2系统初始化流程图4.4 粘度测量模块在进行入粘度测量程序后，系统会要求用户设置水浴的温度，设置好之后，系统会不断接收水浴温度数据。当水浴温度达到预设置的温度且温度波动小于±0.1℃，选择测量的次数，并加入被测液体。然后系统又不断接收水浴温度数据，在达到预设置温度后，保持恒温20分钟。接下来，ADC采样通道开始工作，单片机采样并处理红外光电传感器PS1的液位检测信号，当判定液位到达计时起点刻度线时，读取RTC时间T1。接着，单片机采样并处理红外光电传感器PS2的液位检测信号，当判定液位到达计时终点刻度线时，读取RTC时间T2。采样ADC通道停止工作，单片机计算时间差，算出当前被测液体的运动粘度，并存储。单片机会重复上面的操作，直到完成规定的测量次数，并确定测量结果是否有效，如果测量结果有效，将粘度测量结果存储到MicroSD卡中。图4.SEQ图4.\*ARABIC3粘度测量流程图4.5 通信模块STM32F407VGT6单片机在与PC机进行通信的时候是通过基于TUSB3410芯片的串口转USB电路实现的。单片机首先要设置异步通信的比特率、数据位、停止位、校验方式等。通信模块的程序流程图如图4.4所示。图4.SEQ图4.\*ARABIC4通信流程图4.6 数据存储模块数据存储模块通过向MicroSD卡写入数据实现。乌式粘度计的粘度测量结果都是保存在外接的MicroSD卡上，通过读卡器接入PC机，可以很方便在PC机上浏览、归纳、绘制图表等进行各种数据的操作。MicroSD卡的写操作：首先检测MicroSD卡的状态，如果处在空闲状态中，向MicroSD卡发出写数据命令，在STM32F407VGT6单片机获得由卡发出的响应后，向MicroSD卡发出要写入数据的地址，得到正确响应后，写入相应的粘度结果测量。MicroSD卡的读操作与写操作过程相似，就是单片机从MicroSD卡上读出指定存储地址中的数据，并可以进行通信和打印。数据存储模块的程序流程图如图4.5所示。图4.SEQ图4.\*ARABIC5数据存储流程图

5 结论粘度测量在生产流程、产品质量控制、科学研究及医学诊断中都有非常重要的意义，与许多国民经济领域密切相关。本文基于红外光电传感器，以STM32F407VGT6单片机为管理单元信息处理核心实现乌式粘度计的设计，能够对被测液体的运动粘度进行准确测量。毕业设计主要的工作内容为：（1）通过上网、图书馆查找资料以及与学长、学姐交流等方式，收集了与本论文相关的大量资料。通过对资料的认真阅读，分析了当前乌式粘度计的研究现状与发展趋势，以及红外光电传感器的发展及应用。（2）阐述了乌式粘度计的构成和工作原理，画出乌式粘度计的的系统结构框图，并详述了基于红外光电传感器的液体检测原理及其算法设计。（3）具体分析了乌式粘度计各硬件功能单元电路的组成及各模块单元的工作原理，并通过学习运用OrCAD和PCBEditor软件，完成了乌式粘度计硬件电路原理图设计和PCB设计。（4）介绍了STM32F单片机软件开发环境，采用模块化的软件设计方法，并运用Visio画图软件，给出了各个功能模块的程序流程图。本设计基本上完成了乌式粘度计管理单元的功能设计要求，但受到研究时间和自身知识水平的制约，本文的研究工作还存在一些缺点和不足，对于今后在本课题基础上要进一步完善和提高的内容概括为：（1）继续完善乌式粘度计的硬件电路设计，并结合电磁兼容技术，进一步完善PCB设计；（2）继续完善软件系统的设计；（3）提高系统的可靠性设计和抗干扰能力设计；（4）基于红外光电传感器的特点，研究液位检测算法，提高粘度测量的准确性。

致谢时光飞逝，生命中最精彩的四年即将接近尾声，追忆这几年的求学生涯，不免有些不舍和感伤，但我们不要因结束而哭泣，要因为已经发生而微笑。本论文是在导师滕召胜老师的精心指导下完成的，从论文开题，研究思路，实验证明到论文的完成，滕老师都给予我了耐心的指导、帮助和鼓励。滕老师学术知识渊博、思想敏锐，而又不失一丝幽默，是一位值得我终身学习的良师。在此，向我敬爱的滕老师表示深深的敬意和最衷心的感谢！感谢湖南大学电气与信息工程学院对我的培养！感谢这四年来教过我，给予我知识的每一位老师！感谢测控专业所有同学大学四年以来的对我的关心、帮助及鼓励！同时还要感谢左培丽师姐、温冠华师姐以及实验室的各位师兄师姐对我的帮助！感谢张韵琦同学，给予我莫大的关心和支持！最后要感谢我的家人，二十几年的漫漫求学路，是他们一直给予我最大的支持和鼓励，是我不断前行的动力！

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