CN113376059A - 基于stm32单片机智能控制的液体表面张力仪及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于STM32单片机智能控制的液体表面张力仪，包括上位机、匿名数传、OLED显示屏、单片机、微拉力计、液体表面张力系数测量仪、吊环、检测杯和排水阀门、温控系统；所述单片机电连接上位机、OLED显示屏和微拉力计，所述微拉力计电连接液体表面张力系数测量仪，所述微拉力计线连接吊环，所述吊环浸入检测杯的液体内，所述检测杯侧壁上设置有排水阀门，所述温控系统接电源，且温控系统的测温探头浸入检测杯的液体中，温控系统的加热膜粘在检测杯内壁上；本发明可以直接通过上位机上的波形图、数码管电压显示屏显示的电压、突变电压值轻而易举地得到表面张力突变对应的电压值，进而求出张力。
Description
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，涉及一种基于STM32单片机智能控制的液体表面张力仪及其使用方法。
背景技术
液体表面张力系数是液体的重要热学参量，在众多领域都得到了广泛的应用，了解液体表面张力的性质与现象，并掌握测定液体表面张力系数的方法具有重要意义。目前主要的测量液体表面张力的途径有吊环法、悬滴法、旋转液滴法、最大气泡压力法等。
吊环法结合拉脱法是目前使用最为普遍的方法。然而传统吊环法通常具有操作性差、误差大、读数不准确等问题。拉脱法的实验过程中，数据会发生剧烈抖动，肉眼难以准确定位数据，造成数据的不确定度大大增加，严重影响实验结果。传统方法只能在特定温度条件下测量数据，数据样本少，可信度低。
综上，我们采取了基于STM32单片机的液体表面张力仪实现智能准确测量液体表面张力的目的。该装置适用于各种环境，且安装便捷，操作简单，较为实惠，很有推广价值。
发明内容
发明目的：针对当前传统测量表面张力方式通常具有的操作性差、误差大、读数不准确等问题，本发明提供了一种基于STM32单片机智能控制的液体表面张力仪及其使用方法，该装置抛弃了传统的数据采集方式，利用单片机来实现一体化测量分析并可视化的效果。本发明将温度控制、上位机数据传输、波形显示、跳变沿捕捉等功能集成在该装置上，旨在简单、快速、高效地实现表面张力测量。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于STM32单片机智能控制的液体表面张力仪，包括上位机、匿名数传、OLED显示屏、单片机、微拉力计、液体表面张力系数测量仪、吊环、检测杯和排水阀门、温控系统；所述单片机电连接上位机、OLED显示屏和微拉力计，所述微拉力计电连接液体表面张力系数测量仪，所述微拉力计线连接吊环，所述吊环浸入检测杯的液体内，所述检测杯侧壁上设置有排水阀门，所述温控系统接12V电源，且温控系统的测温探头浸入检测杯的液体中，温控系统的加热膜粘在检测杯内壁上。
进一步的，所述微拉力计通过航空插头与单片机的插口相接。
进一步的，所述液体表面张力系数测量仪包括数码管电压显示屏、峰值保持开关、调零旋钮、航空插头接口、电源开关与变压器，且所述液体表面张力系数测量仪外接电源。
进一步的，所述单片机的型号为STM32F407ZGT6；OLED显示屏为ALIENTEK型OLED显示屏；微拉力计为LANGBOW微拉力计；液体表面张力系数测量仪为LB-TC液体表面张力系数测量仪；温控系统为XH-W1308温控系统；所述上位机为电脑。
进一步的，所述上位机和单片机之间通过有线传输或无线传输，所述有线传输为所述单片机自带串口，通过USB转TTL和上位机通信，所述无线传输为上位机和单片机之间通过匿名数传连接实现无线通讯。
进一步的，所述吊环保持不动，排水系统的检测杯内待测液体液面下降，吊环相对液面上升。
进一步的，所述加热膜为聚酰胺加热膜，聚酰胺加热膜贴附于检测杯内液体液面以下的侧壁上。
一种STM32单片机智能控制的液体表面张力仪的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：连接电源，设置目标温度，液体的温度-时间图像满足PID响应；
步骤2：实验者将微拉力机的航空插头与液体表面张力系数测量仪的插口相连接，液体表面张力系数测量仪在连接电源后为微拉力计供电，微拉力机的数据通过插口传输到液体表面张力系数测量仪上进行处理，并将处理后的实时电信号显示在由液体表面张力系数测量仪控制的数码管上；
步骤3：转动与液体表面张力系数测量仪的调零旋钮，使数码管电压显示屏上的电压值处于合理的范围内；
步骤4：将砝码片放在与微拉力计相连的吊环上，数码管电压显示屏的电压数值将随吊环所受压力的变化而变化，而且变化为线性；利用已知质量的砝码片计算出电压的变化对应的压力变化；
步骤5：将吊环调平浸入液面中，打开排水阀门使水位缓慢下降，吊环受力随液面高度变化，与吊环相连的微拉力计将力信号转变为电信号，所述电信号一方面显示在步骤2中提到的数码管，另外一部分则发送给单片机，单片机将电信号波形数据显示在OLED显示屏上，并发送至已连接的上位机；
步骤6：吊环离开液面的瞬间，突变的力为表面张力，对应一个突变电压，突变电压由单片机捕捉，并在OLED显示屏上显示突变电压值。
与现有技术相比，本装置具有以下有益效果：
本发明可以直接通过上位机上的波形图、数码管电压显示屏显示的电压、突变电压值轻而易举地得到表面张力突变对应的电压值，进而求出张力。这样的改进减小了时刻注视显示屏的示数变化以在液膜破裂瞬间读得示数的困难，也避免了实验时录制视频，实验后通过回放视频读取示数的麻烦，降低了实验难度并节省了时间；此外，可以通过控温装置，测定不同温度下的张力值，拓展了仪器的使用条件。
附图说明
图1是本发明中拉脱法测量原理图；
图2是本发明的模块框图；
图3是本发明中部分模块的模块框图；
图4是本发明中的逻辑连接结构示意图；
图5是本发明中部分信号传输示意图；
图6是本发明中液膜破裂前后上位机接收的数据波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，本发明中的测量原理如下：
在液面上作一长为L的线段，则表面张力的作用就表现在线段两边的液体以一定的力F相互作用，且作用力方向与L垂直，其大小与线段的长度成正比。即F＝αL，式中：α为液体表面张力系数，即作用于液面单位长度上的表面张力。
若将一个“O”型薄铝环浸入被测液体内，然后慢慢的将它从液面中拉出，可看到铝环带出一层液膜，设铝环的外径为d1，内径为d2，m为质量，拉起液膜将要破裂时的拉力为F，液膜的高度为h，因为拉出的液膜有内外两个表面，而且其中间有一层液膜，液膜的厚度为铝环的壁厚，即
这层液膜有自身的重量，所受重力为G＝mg。
由
代入可得：
上式中：p为液体密度，V为液膜体积，S为液膜底面积，π为圆周率，g为当地重力加速度，d1为铝环外径，d2为铝环内径(由于铝环的壁厚很小，所以这一项一般忽略不计)，所受表面张力f＝α(d1+d2)π，故有拉力：
F＝f+Mg
式中，Mg为铝环自重，f为被测液体表面张力，F为拉力。将f＝α(d1+d2)π，代入上式中有：
F＝α(d1+d2)π+Mg
变换得：
因此，只要测定出拉力F，铝环自重Mg，铝环的外径d1，内径d2，便可以计算出被测液体的表面张力系数α。
如图2-5所示，一种基于STM32单片机智能控制的液体表面张力系数测量仪，包括上位机、匿名数传、OLED显示屏、单片机、微拉力计、液体表面张力系数测量仪、吊环、检测杯和排水阀门、温控系统；所述单片机电连接上位机、OLED显示屏和微拉力计，所述微拉力计电连接液体表面张力系数测量仪，所述微拉力计线连接吊环，所述吊环浸入检测杯的液体内，所述检测杯侧壁上设置有排水阀门，所述温控系统接12V电源，且温控系统的测温探头浸入检测杯的液体中，温控系统的加热膜粘在检测杯内壁上，所述加热膜为聚酰胺加热膜，聚酰胺加热膜贴附于检测杯内液体液面以下的侧壁上。所述吊环保持不动，排水系统的检测杯内待测液体液面下降，吊环相对液面上升。
所述液体表面张力系数测量仪为LB-TC液体表面张力系数测量仪，为现有技术，所述液体表面张力系数测量仪包括数码管电压显示屏、峰值保持开关、调零旋钮、航空插头接口、电源开关与变压器，且所述液体表面张力系数测量仪外接电源。STM32单片机将采集到的电信号实时显示在OLED上，电压随时间变化在OLED显示屏上形成电信号的波形曲线。发生电压跳变时，OLED波形显示系统会将跳变电压值显示到OLED上。
所述微拉力计通过航空插头与单片机的插口相接，所述单片机的型号为STM32F407ZGT6；OLED显示屏为ALIENTEK型OLED显示屏；微拉力计为LANGBOW微拉力计；所述液体表面张力系数测量仪为LB-TC液体表面张力系数测量仪；温控系统为XH-W1308温控系统；所述上位机为电脑。
所述上位机和单片机之间通过有线传输或无线传输，所述有线传输为所述单片机自带串口，通过USB转TTL和上位机通信，所述无线传输为上位机和单片机之间通过匿名数传连接实现无线通讯。具体地讲，单片机与上位机之间采用的是串口通信。单片机将数据发送至上位机，上位机接收数据后绘出参量随时间的变化曲线。通信方式有两种，一种是用单片机自带串口，通过USB转TTL与上位机实现有线数据传输；另一种是用匿名数传，将RX、TX与单片机串口引脚连接后，直接实现无线数据传输。
温度是影响最大的外界因素。控制好温度是整个实验顺利进行的必要条件。温控系统由两部分组成，一是测温探头，负责传回温度数值；另一个是聚酰胺加热膜，由XH-W1308温度控制器用增量式PID控制。
温度控制系统主要采用温度PID控制，由测温探头负责感受温度，温度控制模块通过控制聚酰胺加热膜的加热功率来实现对温度的精确、稳定控制。吊环-微拉力机-液体表面张力系数测量仪为出厂时自带部分，吊环感受力的变化，并传递到微拉力计。微拉力计通过航空插头与主板相连，将采集到的力信号转变为电信号进行处理。测量过程中会将吊环进入水中，打开排水阀门，液面下降，至与吊环脱离接触，吊环所受液体的表面张力会发生突变，通过对该突变信号进行分析处理，便可得到突变的力大小，即对应温度下的表面张力。数据-波形显示系统则是利用单片机的ADC功能，采集处理后的电信号，其波形信息显示在OLED屏上.数据如需保存，则可通过上位机连接蓝牙接收数据，并实时绘制波形图。
在检测杯内增加了温控系统，将测温探头浸入液体中，并在杯内壁粘贴上聚酰胺加热膜，由XH-W1308温度控制器闭环控制；使用STM32单片机的ADC数据采集功能采集到LB-TC液体表面张力系数测量仪的电信号，并实时显示在OLED显示屏上，构成OLED波形显示系统；另外将采集到的电信号通过串口通信传输到上位机系统，上位机接收实时数据，并绘制出图线，显示张力的变化全程，便于实验后的进一步分析处理。
一种STM32单片机智能控制的液体表面张力系数测量仪的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：连接电源，设置目标温度，液体的温度-时间图像满足PID响应；
步骤2：实验者将微拉力机的航空插头与液体表面张力系数测量仪的插口相连接，液体表面张力系数测量仪在连接电源后为微拉力计供电，微拉力机的数据通过插口传输到液体表面张力系数测量仪上进行处理，并将处理后的实时电信号显示在由液体表面张力系数测量仪控制的数码管上；
步骤3：转动与液体表面张力系数测量仪的调零旋钮，使数码管电压显示屏上的电压值处于合理的范围内；
步骤4：将砝码片放在与微拉力计相连的吊环上，数码管电压显示屏的电压数值将随吊环所受压力的变化而变化，而且变化为线性；利用已知质量的砝码片计算出电压的变化对应的压力变化；
步骤5：将吊环调平浸入液面中，打开排水阀门使水位缓慢下降，吊环受力随液面高度变化，与吊环相连的微拉力计将力信号转变为电信号，所述电信号一方面显示在步骤2中提到的数码管，另外一部分则发送给单片机，单片机将电信号波形数据显示在OLED显示屏上，并发送至已连接的上位机；
步骤6：吊环离开液面的瞬间，突变的力为表面张力，对应一个突变电压，突变电压由单片机捕捉，并在OLED显示屏上显示突变电压值。
本发明中的装置克服传统拉脱法数据不稳定、数据采集困难的问题，借助于单片机进行实时信号传输对于数据变化精准定位，并能对数据进行快速分析、绘图、导出，实现数据采集分析一体化。装置引入温控系统，丰富实验数据的多样性、可靠性。装置引入OLED波形显示系统，将数据实时可视化。整体上，装置引入单片机智能控制，充分提高了液体表面张力仪的操作可行性、数据准确性、样本完备性、结果精确性，使得液体表面张力测量实验更具有便捷性与可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于STM32单片机智能控制的液体表面张力仪，其特征在于，包括上位机、匿名数传、OLED显示屏、单片机、微拉力计、液体表面张力系数测量仪、吊环、检测杯和排水阀门、温控系统；所述单片机电连接上位机、OLED显示屏和微拉力计，所述微拉力计电连接液体表面张力系数测量仪，所述微拉力计线连接吊环，所述吊环浸入检测杯的液体内，所述检测杯侧壁上设置有排水阀门，所述温控系统接电源，且温控系统的测温探头浸入检测杯的液体中，温控系统的加热膜粘在检测杯内壁上。
2.根据权利要求1所述的基于STM32单片机智能控制的液体表面张力仪，其特征在于，所述微拉力计通过航空插头与单片机的插口相接。
3.根据权利要求1所述的基于STM32单片机智能控制的液体表面张力仪，其特征在于，所述液体表面张力仪包括数码管电压显示屏、峰值保持开关、调零旋钮、航空插头接口、电源开关与变压器，且所述液体表面张力仪外接电源。
4.根据权利要求1所述的基于STM32单片机智能控制的液体表面张力仪，其特征在于，所述单片机的型号为STM32F407ZGT6；OLED显示屏为ALIENTEK型OLED显示屏；微拉力计为LANGBOW微拉力计；液体表面张力仪为LB-TC液体表面张力系数测量仪；温控系统为XH-W1308温控系统；所述上位机为电脑。
5.根据权利要求1所述的基于STM32单片机智能控制的液体表面张力仪，其特征在于，所述上位机和单片机之间通过有线传输或无线传输，所述有线传输为所述单片机自带串口，通过USB转TTL和上位机通信，所述无线传输为上位机和单片机之间通过匿名数传连接实现无线通讯。
6.根据权利要求1所述的基于STM32单片机智能控制的液体表面张力仪，其特征在于，所述吊环保持不动，排水系统的检测杯内待测液体液面下降，吊环相对液面上升。
7.根据权利要求1所述的基于STM32单片机智能控制的液体表面张力仪，其特征在于，所述加热膜为聚酰胺加热膜，聚酰胺加热膜贴附于检测杯内液体液面以下的侧壁上。
8.一种根据权利要求1-7任一所述的基于STM32单片机智能控制的液体表面张力仪的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：连接电源，设置目标温度，液体的温度-时间图像满足PID响应；
步骤2：实验者将微拉力机的航空插头与液体表面张力系数测量仪的插口相连接，液体表面张力系数测量仪在连接电源后为微拉力计供电，微拉力机的数据通过插口传输到液体表面张力系数测量仪上进行处理，并将处理后的实时电信号显示在由液体表面张力系数测量仪控制的数码管上；
步骤3：转动与液体表面张力系数测量仪的调零旋钮，使数码管电压显示屏上的电压值处于合理的范围内；
步骤4：将砝码片放在与微拉力计相连的吊环上，数码管电压显示屏的电压数值将随吊环所受压力的变化而变化，而且变化为线性；利用已知质量的砝码片计算出电压的变化对应的压力变化；
步骤5：将吊环调平浸入液面中，打开排水阀门使水位缓慢下降，吊环受力随液面高度变化，与吊环相连的微拉力计将力信号转变为电信号，所述电信号一方面显示在步骤2中提到的数码管，另外一部分则发送给单片机，单片机将电信号波形数据显示在OLED显示屏上，并发送至已连接的上位机；
步骤6：吊环离开液面的瞬间，突变的力为表面张力，对应一个突变电压，突变电压由单片机捕捉，并在OLED显示屏上显示突变电压值。
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