基于ATmega168的便攜靜壓式液體密度計(jì)設(shè)計(jì)

摘 要：提出了一種基于ATmega168單片機(jī)的靜壓式液體密度計(jì)的設(shè)計(jì)方案，該方案從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、靜壓式液體密度計(jì)的工作原理、壓強(qiáng)傳感器信號(hào)的采集與處理、ATmega168控制下的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)標(biāo)定、軟件處理流程等方面進(jìn)行論述，通過多方面的精確設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了本密度計(jì)的高精度化和便攜化。

關(guān)鍵詞：ATmega168；靜壓式；壓強(qiáng)傳感器；數(shù)據(jù)標(biāo)定

中圖分類號(hào)：TP241

目前，在石油化工、食品加工、釀酒業(yè)和教育行業(yè)等領(lǐng)域的生產(chǎn)或教學(xué)過程中，常需要測(cè)量液體的密度，以此作為重要的參數(shù)來決定下一步的工序，這給了液體密度計(jì)一個(gè)廣袤的市場(chǎng)。靜壓式液體密度計(jì)作為多種液體密度計(jì)中的一種典型方案，具有可連續(xù)測(cè)量和直接讀數(shù)、可以測(cè)量靜止或流動(dòng)的液體密度、沒有運(yùn)動(dòng)部件、沒有放射性危險(xiǎn)等優(yōu)異特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，一部分是由兩個(gè)壓強(qiáng)傳感器組成的密度計(jì)高低壓探頭，主要負(fù)責(zé)獲取傳感器輸出的電壓信號(hào)；另一部分是由ATmega168處理器與相關(guān)硬件電路組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及計(jì)算、輸出顯示。其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 靜壓式液體密度計(jì)工作原理

一定高度液柱的靜壓強(qiáng)與該液體的密度成正比，因此可根據(jù)壓強(qiáng)傳感器測(cè)出的靜壓數(shù)值來計(jì)算液體的密度。對(duì)于靜止的待測(cè)液體（假定其密度均勻），設(shè)其密度為ρ，測(cè)量點(diǎn)的重力加速度為g，待測(cè)液柱高度為h，則該液柱的靜壓強(qiáng)為：

（1）

通過測(cè)量液柱靜壓強(qiáng)和高度就可以計(jì)算出液體的密度。靜壓式密度計(jì)不受液體流速和表面張力的影響，可以測(cè)量粘度較大的液體密度。為了得到已知高度為h的液柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，需要在相距h的液柱上下底面水平地安裝兩個(gè)同型號(hào)的壓強(qiáng)傳感器，這樣便消除了傳感器自身性質(zhì)帶來的相對(duì)誤差，所測(cè)得的壓強(qiáng)分別為P1、P2，由式（1）可得：

3 信號(hào)的采集與處理

選用的壓強(qiáng)傳感器是MPS20N0005D-S。它的工作溫度為-40℃～125℃，量程為0～5KPa，線性度為0.2%（典型值），具有成本低，可靠性高，精度高的特點(diǎn)，并且具有良好的可重復(fù)性和長(zhǎng)時(shí)間的工作穩(wěn)定性。為了得出壓強(qiáng)傳感器MPS20N0005D-S輸出的電壓值與液柱高度h之間的關(guān)系，用純水作為待測(cè)液體，不斷改變水柱高度h，用毫伏表測(cè)量液柱下底面?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)，得到了液柱高度與電壓的關(guān)系，如表1所示。

將表1數(shù)據(jù)通過最小二乘法進(jìn)行線性回歸，發(fā)現(xiàn)液柱高度和電壓之間基本上呈線性關(guān)系，線性相似度達(dá)到0.998。因此，可以在高度已知的前提下，根據(jù)此關(guān)系即可得出電壓值。為了能讓傳感器輸出的電壓信號(hào)達(dá)到單片機(jī)A/D的輸入范圍，需要對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理。在這里，選用的放大器芯片為AD623。AD623通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比而保持最小的誤差。其放大倍數(shù)為 ，RG則為AD623芯片1腳和8腳之間外接的電阻值。本設(shè)計(jì)電路為兩級(jí)放大電路，第一級(jí)有兩個(gè)放大電路，分別放大液柱在上下液面產(chǎn)生壓強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的電壓，然后再將兩個(gè)放大后的電壓值輸入到第二級(jí)差分放大電路，讓其直接輸出放大后的電壓差。節(jié)選主要部分電路圖如圖2。

因?yàn)锳Tmega168自帶8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC，所以可將放大后的電壓信號(hào)直接輸入到ATmega168中。經(jīng)過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換，可得到實(shí)際的電壓值。ATmega168是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，擁有先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，使數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz。為了使本密度計(jì)使用便利，單片機(jī)外接了鍵盤和LCD顯示屏。

4 軟件流程

系統(tǒng)上電之后自動(dòng)初始化，在進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定之后，每隔一秒鐘便進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，并在LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前所測(cè)液體密度值。為了提高本設(shè)計(jì)的精度，在硬件濾波的基礎(chǔ)上，也同時(shí)使用了軟件濾波，取多次采集結(jié)果的平均值，使結(jié)果更加的精確。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

5 數(shù)據(jù)標(biāo)定

數(shù)據(jù)標(biāo)定是本設(shè)計(jì)的一大創(chuàng)新點(diǎn)。考慮到在不同的地方，重力加速度g可能會(huì)有變化，這就會(huì)使密度計(jì)在不同地方測(cè)量同一種液體的密度時(shí)會(huì)得到不同的結(jié)果，這樣，就需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葋碛?jì)算液體的密度。因此采用按鍵輸入當(dāng)?shù)刂亓铀俣戎担J(rèn)9.8m/s^2）的方法來對(duì)重力加速度進(jìn)行重新標(biāo)定，可以方便的使本密度計(jì)用于不同的地域。

6 結(jié)束語

便攜靜壓式液體密度計(jì)的設(shè)計(jì)，無論是從底層傳感器、放大芯片、微處理器的選取，還是上層軟件的標(biāo)定處理，都是以極大的消除誤差為目的進(jìn)行的。這樣科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，才使得本密度計(jì)具有穩(wěn)定性、高精度性和便攜性，可以做到隨時(shí)隨地對(duì)待測(cè)液體進(jìn)行測(cè)量的效果，可以在相當(dāng)多的場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)用，有很強(qiáng)的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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作者單位：長(zhǎng)江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北荊州 434023

基金項(xiàng)目：長(zhǎng)江大學(xué)2012年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目基金資助（項(xiàng)目編號(hào)：201210489321）。