固体密度计的设计与实现【字数：14588】

固体密度计的设计与实现[160515126893365x]

随着社会科技的进步和智能仪器仪表技术、现代测控技术的发展，密度计在生产生活中使用越来越多，而传统密度计价格高昂，不规则固体密度的测量也是一大难题，同时密度计也面临着产品更新换代快、市场竞争激烈、难以满足不同层次和不断变化的要求的困难，这就对设计智能、精确、稳定的密度计提出了更高的要求。本课题旨在设计一款电子密度计，主要实现不规则固体的密度测量。利用阿基米德浮力定律，将固体密度测量转化为重量的测量，进而求出固体密度。设计采用ST公司的STM32ZET6作为主控制器，通过全桥应变片感应压力的变化，使用外部ADC采集模拟信号并转换为数字信号，由微控制器完成数据处理，设计了TFT LCD、按键作为人机交互模块，使用RS485/Modbus与外界进行通信。使用Altium Designer完成本设计的原理图与PCB设计，在软件设计方面，本课题基于MDK Keil5集成开发环境和STM32标准外设库完成系统应用编程，实现系统数据处理、人机界面设计、通信等功能。经过对整个系统的设计与调试，本系统能准确测量不规则固体的密度，精度达到±0.05 g/????????3、重复性误差不差过0.5%，可靠性高，均方误差小于0.05，性能稳定、满足系统设计目标。
目 录
1.绪论 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2课题研究的国内外现状 1
1.2.1国内密度计量现状 1
1.2.2国外密度计量现状 2
2.系统原理与总体方案 3
2.1系统设计目标 3
2.2系统的测量原理 3
2.2.1系统整体结构 4
2.2.2电阻应变片全桥电路设计 4
3.硬件电路设计 7
3.1系统硬件电路的总体设计 7
3.2电源管理的设计 7
3.3 STM32F103ZET6最小系统的设计 8
3.3.1时钟电路 8
3.3.2 复位电路 8
3.3.3 SWD下载调试电路 8
3.4 HX711数据处理电路 9
3.5串口调试电路 10
3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@ 
6 RS485电路设计 10
3.7人机界面设计 11
3.7.1按键电路设计 11
3.7.2TFTLCD显示屏电路设计 11
4.系统程序设计 13
4.1系统整体程序的设计 13
4.2 系统软件的初始化设计 13
4.2.1系统时钟初始化 13
4.2.2定时器中断初始化 13
4.2.3串口初始化 14
4.2.4 HX711的初始化与数据读取 14
4.3 HX711数据处理 16
4.3.1理论分析 16
4.3.2数据滤波 17
4.3.3标度变换 18
4.4人机界面的设计 19
4.5 RS485/Free Modbus以及数据发送 21
4.5.1 Modbus协议概述 21
4.5.2 Modbus主站/从站协议原理 22
4.5.3 Modbus帧描述 22
4.5.4 Modbus的RTU传输模式 22
4.5.5 Modbus报文RTU帧 23
4.5.6 CRC校验 23
4.6Free Modbus代码解析 23
5.系统调试与分析 26
5.1硬件电路调试 26
5.2调试结果及分析 26
5.2.1 重量示值误差指标分析 26
5.2.2密度测量不确定度分析 27
5.2.3密度测量误差分析 28
5.2.4重复性分析 28
5.3 Modbus调试 29
6.总结与展望 30
6.1总结 30
6.2展望 30
6.3对环境及社会可持续发展的影响 31
参考文献 32
附录 33
附录一：系统原理图以及PCB板 33
1.单片机最小系统 33
2.HX711数据处理电路 33
3.密度计PCB板 34
附录二：系统实物图 35
附录三：部分核心源代码 36
致谢 38
1.绪论
1.1课题研究的背景和意义
密度是物质内在分子结构特性的外在表现，在地球物理探矿、钢材、水泥制品、塑料制品分析或矿石标本成分含量分析中具有举足轻重的地位。所以密度的测量至关重要。密度可追溯到公元前287212年，也就是称量皇冠的难题，从而有了阿基米德定律。以前密度测量通常有三种方法：天平法、机械法和电子自动法。天平法测量时，手工操作，靠人工添加砝码，通过人工记录与计算得到密度值，不仅手续繁琐，而且效率低，并且必须已知体积和形状规则的固体。随着仪器仪表的发展，人们开始用机械法测量密度，对于规则形状的固体密度检测一般比较容易，而对于不规则形状固体密度的测量目前还是一个难题。随着电子技术的发展，电子测量法越来越受到人们的欢迎。电子自动法是一种基于阿基米德浮力定律实现对固体的密度测试的方法，具有操作简单、性能稳定、可靠等优点，特别适合不规则固体密度的测量。
电子密度计的出现打破了以往密度测量的常规方法，不再使用砝码和桥臂测量重量，减小了重量测量的误差，还可以测量不规则物体的密度，这将是一个巨大的突破。同时不再是人工记录和计算，而是通过微控制器的高速运算提高了测量的效率，也减小了人工测量的误差。通过对系统增加按键和显示屏能够更方便地进行人机交互，并可以将数据存储，也可以远程观测数据。随着有线和无线技术的发展，更是可以远程控制系统，极大地方便了数据的远程测量与观测。
1.2课题研究的国内外现状
1.2.1国内密度计量现状
在这个阶段，玻璃浮子计是中国使用最广泛的密度计。 原因是玻璃浮子计便宜且易于使用。 最高的液体密度标准也是玻璃浮子计。目前，我国用于密度测量和量值传递的“基准密度计组”是借助于液体静力称量法，以纯水的密度作为基准值建立起来的，而纯水的密度则是通过在实验条件下的温度测量、查表和计算得到。因为水密度的扩展不确定度在5x
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，所以这种以水密度作为基准建立起来的“基准密度计组”的扩展不确定度在2x
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