粘度测试仪器软件设计
摘 要
粘度作为表征流体性质的一项重要参数，能直接反映不同流体的特性。随着工业 现代化的发展与科学技术的进步，许多领域中的粘度测量越来越受到重视。传统的旋 转式粘度仪都是机械式的，其主要的结构特点是用游丝感应转筒转矩，这种结构不仅 对游丝规定了很高的技术要求，而且由于所能得到的结果是属于机械量的，使得结果 数据记录、处理困难，同时在测量中也无法感知被测物质的温度变化，因此在某些领 域中它已经不能满足实际要求了。 本课题正是基于这一需求，结合国内外旋转式粘度仪的研究现状，在传统旋转式 粘度仪的基础上，利用现代传感技术开发的一套适合恒温环境下测量的数字粘度仪。 本粘度仪采用目前技术上比较成熟的单片机进行控制，在被测流体的温度符合要求 时，通过电机驱动转桶转动并测量转桶的转矩和转速，从而获得恒定温度下的流体粘 度值并在液晶屏上显示。这不但克服了传统旋转式粘度仪结果数据记录、处理困难的 问题，而且感知了被测物质在测量时的温度。 本系统主要包括温度控制模块、电机驱动模块、转矩和转速测量模块、人机交互 模块等。其中温度控制模块使用 MC1403、VFC320 等构成，先将温度转换为电压， 再将电压转换为频率，单片机通过读取该频率值，了解被测温度与目标温度的差值， 根据一定算法，驱动加热电炉，从而实现恒温控制；电机驱动模块使用基于 8253 和 L298N 的电机 PWM 调试方法，通过输入不同的值来调整电动机的转速；转矩和转速 测量模块使用 JN338 完成转矩和转速的测量，为粘度的计算提供必须的参数；人机交 互模块用来完成参数的输入、结果的输出、报警等功能。根据旋转式数字粘度仪的设 计原理和功能需求，选择使用 AT89C55WD 单片机和汇编语言。 通过对整个系统连接后的测试，温度控制、转矩和转速测量、显示输出等各项指 标均符合要求，较好地实现了粘度测量功能。
关键词：粘度，控制系统，单片机，旋转式
一、课题的来源及意义
粘度作为表征流体性质的一项重要参数，能直接反映不同流体的特性。粘度及其 测量在国民经济的许多领域有着广泛的应用，许多工程技术应用都需要流体粘度参 数。流体的粘性有时会给生活带来不便，给生产带来麻烦。例如把原油从油田输送到 千里之遥的港口、基地、炼油厂，若原油粘度大，则输送就较困难，需要耗费较大的 动力。不过，人们有时将流体的粘性应用于生产，例如将具有合适粘度的润滑油加进 机器的转动部件之间，将固体之间较大的干摩擦变成液体内部较小的内摩擦，使机器 得以运转自如。因此粘度及其测量与人们生活、工农业生产及科学研究密切相关。而 流体的粘度往往与温度有着密切的联系[10]，所以，测量给定温度下的流体粘度是非常有用的。
近几年随着单片机的发展和普及，越来越多的工程师将单片机和机械产品相结 合，使机械产品结构简化，控制智能化，构成新的机电一体化产品。随着工业现代化 的发展与科学技术的进步，某些领域中的粘度测量越来越得到重视，特别在石油、化 工、轻工、建材、煤炭、冶金、交通、国防、航天等领域中有广泛的应用。粘度测量 方法与测量技术也有较大发展。目前粘度测量正在向高精度、自动化、实时在线的方 向发展。 传统的粘度计都是机械式的，其主要的结构特点是采用游丝感应转筒扭矩 [42]。采用游丝来感应扭矩对游丝的技术要求很高，而且得到的结果是机械量，因而采 集、处理数据比较困难，同时也无法感知被测物质在测量中的温度变化，而且由于温 度对有些物质的粘度有非常大的影响，即温度微小的变化，物质的粘度就会发生巨大 变化。因此在测量过程中，要对温度实时监控，以保证是在预定的温度下测量粘度。 所以传统的粘度仪已难以满足在某些领域中实际要求。本课题利用计算机技术和现代传感器技术，在传统粘度计基础上，设计开发了一套适合恒温环境下测量的数字粘度仪。
目 录
摘 要....................................................................................................................................I Abstract................................................................................................................................. II 第一章 绪论.........................................................................................................................1 1.1 粘度概述..................................................................................................................1 1.1.1 粘度简介........................................................................................................1 1.1.2 粘度的分类....................................................................................................1 1.1.3 测量粘度的重要性........................................................................................2 1.2 粘度仪的国内外发展水平......................................................................................2 1.3 课题的提出和研究意义..........................................................................................5 1.4 主要研究和设计内容..............................................................................................5 1.5 本章小结..................................................................................................................6 第二章 系统总体设计.........................................................................................................7 2.1 设计原理..................................................................................................................7 2.2 单片机芯片选型......................................................................................................8 2.2.1 AT89C55WD 主要性能.................................................................................9 2.2.2 引脚描述........................................................................................................9 2.3 粘度仪控制系统结构............................................................................................11 2.4 本章小结................................................................................................................12 第三章 硬件系统的设计与实现.......................................................................................13 3.1 基本电路设计........................................................................................................13 3.1.1 电源电路模块设计......................................................................................13 3.1.2 复位电路设计..............................................................................................14 3.1.3 时钟电路......................................................................................................15 3.2 定时电路设计........................................................................................................15 3.3 温度控制模块设计................................................................................................16 3.3.1 温度传感器简介..........................................................................................16 3.3.2 铂热电阻简介..............................................................................................17 3.3.3 温度测量电路设计......................................................................................19 3.3.4 加热电路设计..............................................................................................20 3.4 直流电机调速控制模块设计................................................................................21 3.4.1 直流电机调速控制简介..............................................................................21 3.4.2 L298N 双 H 桥电动机驱动芯片.................................................................21 3.4.3 L298N 与单片机接口设计..........................................................................22 3.4.4 调速电路原理图设计..................................................................................24 3.5 转速、转矩测量模块设计....................................................................................24
3.5.1 转速传感器简介.......................................................................................... 24 3.5.2 转矩传感器简介.......................................................................................... 25 3.5.3 转速转矩传感器的选择.............................................................................. 26 3.5.4 测量方法...................................................................................................... 27 3.5.5 硬件构成...................................................................................................... 27 3.6 人机交互模块设计................................................................................................ 28 3.6.1 键盘电路设计.............................................................................................. 28 3.6.2 扬声器电路设计.......................................................................................... 29 3.6.3 显示模块设计.............................................................................................. 29 3.7 本章小结................................................................................................................ 33 第四章 系统软件设计与实现........................................................................................... 34 4.1 定时控制程序设计................................................................................................ 34 4.2 温度控制程序设计................................................................................................ 40 4.3 电动机控制程序设计............................................................................................ 42 4.4 转速转矩测量程序设计........................................................................................ 44 4.5 人机交互模块程序设计........................................................................................ 45 4.5.1 液晶显示器程序设计.................................................................................. 45 4.5.2 键盘程序设计............................................................................................. 49 4.5.3 扬声器程序设计.......................................................................................... 51 4.6 本章小结................................................................................................................ 51 第五章 总结....................................................................................................................... 52 5.1 系统运行效果........................................................................................................ 52 5.1.1 运行流程...................................................................................................... 52 5.1.2 温度控制实际效果...................................................................................... 54 5.2 研究工作中的不足................................................................................................ 55 5.3 下一步工作展望.................................................................................................... 55 5.4 本章小结................................................................................................................ 55 致 谢.................................................
................................................................................ 56 参考文献............................................................................................................................. 57
三、 本课题的研究目标、内容、方法、手段
目标:
利用现代传感技术开发的一套适合恒温环境下测量的数字粘度仪。 本粘度仪采用目前技术上比较成熟的单片机进行控制，在被测流体的温度符合要求 时，通过电机驱动转桶转动并测量转桶的转矩和转速，从而获得恒定温度下的流体粘 度值并在液晶屏上显示。这不但克服了传统旋转式粘度仪结果数据记录、处理困难的 问题，而且感知了被测物质在测量时的温度。
内容：
1.单片机选型及单片机资源的分配。由于本系统功能多，使用端口较多，单片机 选型及资源分配直接影响着系统是否可以正常顺利的运行。
2.系统电路设计，包括基本电路、温度控制电路、电机控制电路、转矩和转速测 量电路、人机交互电路等。其中，基本电路模块包括电源电路设计、复位电路设计、 时钟电路设计；人机交互模块包括 DMF-50081 液晶显示电路设计、键盘电路设计、扬 声器电路设计。这些电路在原理、电气等方面的正确设计是整个控制系统正常运行的 硬件基础。
3.系统软件设计。其中包括定时器软件设计、键盘软件设计、显示软件设计、扬 声器的软件设计、电机控制和转速、转矩测量的软件设计等。
4.为降低对系统的干扰，适当采用稳压、光电隔离等电路的设计。
方法：
本系统主要包括温度控制模块、电机驱动模块、转矩和转速测量模块、人机交互 模块等。其中温度控制模块使用 MC1403、VFC320 等构成，先将温度转换为电压，再将电压转换为频率，单片机通过读取该频率值，了解被测温度与目标温度的差值， 根据一定算法，驱动加热电炉，从而实现恒温控制；电机驱动模块使用基于 8253 和 L298N 的电机 PWM 调试方法，通过输入不同的值来调整电动机的转速；转矩和转速 测量模块使用 JN338 完成转矩和转速的测量，为粘度的计算提供必须的参数；人机交 互模块用来完成参数的输入、结果的输出、报警等功能。根据旋转式数字粘度仪的设 计原理和功能需求，选择使用 AT89C55WD 单片机和汇编语言。
手段：
本文包括温度控制、电机控制、转矩和转速测量、显示等功能模块。本课 题根据目前国内外粘度仪的发展状况，结合功能需求和行业中粘度仪的产品特点，分 析旋转式数字粘度仪的外设，以单片机为控制器，设计出系统的硬件电路，用 PROTEL 画出原理图，在此基础上用汇编语言编写相应的程序，能实时显示被测液体的温度， 电机转速，以及经过计算得出的粘度等信息。
四、进度安排
1、初稿：2020年4月1日前完成；
2、中期检查：2020年4月14日前完成；
3、终稿：2020年4月25日前完成；
4、答辩：2020年5月6日-5月19日。
五、实验方案的可行性分析和已具备的实验条件
对于粘度仪而言，为使其功能更加强大，结合国内外的研究现状和在 论文完成期间的实际问题，提出以下几点实验方案的可行性分析和已具备的实验条件作为今后的研究方向： 1．充分考虑转桶两端的粘滞效应，降低由此引起测量误差； 2．加入对转速稳定的判断，提高测量的精度； 3．开发基于上下位机的选择式数字粘度仪，并将恒温测量改为非恒温测量，通 过上位机控制，连续改变电机转速，从而获得不同剪切速率下的粘度。 总之，本文对基于单片机的旋转式数字粘度仪进行了初步研究，初步探索了温度 控制、直流电机控制、转矩和转速测量在旋转式数字粘度仪中的实现，初步完成了旋 转式数字粘度仪的设计和开发，希望该系统将来能够得到进一步的完善和优化。
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