CN115248024A - 一种基于stm32单片机的自动化测量杨氏模量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于STM32单片机的自动化测量杨氏模量的装置，包括底座，所述底座的上侧固定连接有平行连杆，所述所述平行连杆的上端固定连接有顶板，所述平行连杆的一侧设有置于所述底座上的基座，所述基座上放置有量筒，所述量筒内设置有水，所述量筒内还设置有圆柱体，所述圆柱体的上端连接有托盘，所述托盘与所述顶板之间固定连接有待测的金属丝，所述基座上还设置有单点式称重传感器，本发明结构操作简单，自动化读数，单片机自动计算数据，出结果速度快，大大降低了现有装置因结构上的缺陷导致读数误差较大、计算容易出错的缺点。

Description

一种基于STM32单片机的自动化测量杨氏模量的装置

技术领域

本发明涉及实验装置领域，具体涉及到一种基于STM32单片机的自动化测量杨氏模量的装置。

背景技术

设粗细均匀的金属丝的原长为L，横截面积为S，沿长度方向施力F后，其长度改变ΔL，则金属丝单位面积上受到的垂直作用力

称为正应力，金属丝的相对伸长量

称为线应变。实验结果指出，在弹性范围内，由胡克定律可知物体的正应力与线应变成正比，即

比例系数Y为杨氏弹性模量，简称杨氏模量。在它表征材料本身的性质，Y越大的材料，要使它发生一定的相对形变所需要的单位横截面积上的作用力也越大。Y的国际单位制单位为帕斯卡，记为Pa(1Pa＝1N/m²)。

而ΔL是一个微小长度变化(在此实验中，当L≈1m时，F每变化1kg相应的ΔL约为0.3mm)。因此，本实验利用光杠杆的光学放大作用实现对钢丝微小伸长量ΔL的间接测量。

但是在实际测量的过程中，由于金属丝和金属丝下面的槽码很难保持平稳，会导致投影的光标上下左右飘忽不定，难以做到精确读数，产生实验误差。因此需要一种能更精确，更有效，更稳定的测量金属丝伸长量的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种基于STM32单片机的自动化测量杨氏模量的装置，通过单片机自动计算数据，出结果速度快，大大降低了现有装置因结构上的缺陷导致读数误差较大、计算容易出错的缺点。

技术方案

一种基于STM32单片机的自动化测量杨氏模量的装置，包括底座，所述底座的上侧固定连接有平行连杆，所述所述平行连杆的上端固定连接有顶板，所述平行连杆的一侧设有置于所述底座上的基座，所述基座上放置有量筒，所述量筒内设置有水，所述量筒内还设置有圆柱体，所述圆柱体的上端连接有托盘，所述托盘与所述顶板之间固定连接有待测的金属丝，所述基座上还设置有单点式称重传感器，所述单点式称重传感器还电路连接有模拟重量变送器、蓝牙电路模块、OLED屏幕、STM单片机最小系统板。

进一步的，所述圆柱体的上半端与所述托盘衔接固定。

进一步的，所述圆柱体在插入所述量筒后存在间隙。

进一步的，所述托盘上放置有用于增加重量以拉伸所述金属丝的槽码。

进一步的，所述圆柱体插入所述量筒内并与所述水接触，当所述圆柱体下降后，通过所述单点式称重传感器测量所述量筒变化的重力数据可算出所述圆柱体下降的距离。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.实验器材相较于现有装置使用简单，廉价，并且不易损坏；

2.操作简单，测量完毕后，结果直接显示到OLED屏幕上面，使用方便，易上手，极易拆卸和组装；

3.读数精确稳定，传感器读数精度高，即使金属丝和槽码有轻微晃动，对读数也不会较大影响；

4.原理简单，上手实操通俗易懂具有较高的精确性；

5.自动化读数，单片机自动计算数据，出结果速度快，大大降低了现有装置因结构上的缺陷导致读数误差较大、计算容易出错的缺点。

附图说明

图1为本发明一种基于STM32单片机的自动化测量杨氏模量的装置的结构示意图；

图2为STM32单片机中央控制部分电路原理图；

图3为STM32单片机晶振电路电路原理图；

图4为STM32单片机OLED显示模块电路原理图；

图5为STM32单片机LM2596S降压模块电路原理图；

图6为STM32单片机HX711 A/D转换器电路原理图；

图7为STM32单片机HC-05蓝牙模块电路原理图；

图8为本发明圆柱体导致水面上升示意图。

附图标号：1、量筒，2、圆柱体，3、水，4、托盘，5、槽码，6、金属丝，7、平行连杆，8、顶板，9、底座,10、模拟重量变送器，11、蓝牙电路模块，12、OLED屏幕，13、STM32单片机最小系统板，14、单点式称重传感器，15、基座，F、金属丝对圆柱体的拉力，l、水面上升高度。

具体实施方式

为使本组合装置测量方法、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，提供诸如具体的装置和组件的特征细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例，因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本组合装置的范围和精神，另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中，因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例，此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

在本发明的各种实施例中，应理解，下述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请所提供的实施例中，应理解，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其它信息确定B。

有图1-图8所示，本发明公开了一种基于STM32单片机的自动化测量杨氏模量的装置，包括底座9，底座9的上侧固定连接有平行连杆7，平行连杆7的上端固定连接有顶板8，平行连杆7的一侧设有置于底座9上的基座15，基座15上放置有量筒1，量筒1内设置有水3，量筒1内还设置有圆柱体2，圆柱体2的上端连接有托盘4，托盘4与顶板8之间固定连接有待测的金属丝6，基座15上还设置有单点式称重传感器14，单点式称重传感器14还电路连接有模拟重量变送器10、蓝牙电路模块11、OLED屏幕12、STM32单片机最小系统板13。

进一步的，圆柱体2的上半端与托盘4衔接固定。

进一步的，圆柱体2在插入量筒1后存在间隙。

进一步的，托盘4上放置有用于增加重量以拉伸金属丝6的槽码5。

进一步的，圆柱体2插入量筒1内并与水3接触，当圆柱体2下降后，通过单点式称重传感器14测量量筒1变化的重力数据可算出圆柱体2下降的距离。

具体地，设量筒1的内壁直径为D₁，内盛有密度为ρ的水3，足够长的圆柱体2的直径为D₂(D₁＞D₂且D₁≈D₂)，将圆柱体2固定或悬挂在与金属丝6相连的托盘4的底部，将圆柱体2插入量筒1，使量筒1里的水3能完全没过圆柱体2的底面，固定好量筒1的位置；

在托盘4上添加槽码5，金属丝6在槽码的重力作用下向下拉伸的距离为x，圆柱体2向下移动距离x，水面上升高度l，同时压力传感器数值变化F_浮，F_浮是水3对圆柱体2增加的浮力，排水量为V，

公式推导：

设圆柱体2的质量为m₁，水3和量筒1质量m₂，记S₀为量筒1的底面积。

对圆柱体2：F_拉+F_浮＝m₁g(1)

对圆柱体2和水3整体：F_拉+F_压＝(m₁+m₂)g(2)

(2)-(1)F_压＝m₂g+F_浮

F_浮＝ρ_水gS₀l

F_压＝m₂g+ρ_水g·S₀·l

故F_压与l成线性关系

有

即，且

又

即

通过公式可以看出，可以通过测量水面上升高度l来间接测量金属丝向下拉伸长度x，如果令

可以称k为放大倍数，

有

l＝kx

F_压＝m₂g+ρ_水g·S₀·k·x

故F_压与x成线性关系，

x＝k₁F_压+b₀

多次试验可以得出k₁，b₀

如果取实心圆柱体2的直径D₂＝100mm，可得D₁-D₂与k之间的关系如下表：

k	10	15	20	30	40	50
							D<sub>1</sub>-D<sub>2</sub>(单位：mm)	4.881	3.280	2.470	1.653	1.242	0.995

可见，放大倍数越高，则D₁与D₂之间相差甚小，而且测量精度要求也更高，这是不易实现的，但是可以通过增大圆柱直径D₂，使在螺旋测微计可测精度范围内增大放大倍数k，以减小实验误差；

另一方面，如果采用传统的添加槽码产生正压力F＝mg的方法，则还应考虑烧杯里的水对圆柱产生的F_浮的影响，公式就变成

将钢丝横截面积

带入公式(2)得杨氏模量

其中x＝k₁F_压+b₀

其中，上面式子中的x可结合逐差法取平均值替代，以减小实验误差；

上述计算过程通过STM32单片机来完成，测量完毕后，计算结果直接显示到OLED屏幕上面，从而可直接获知结果。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前叙述实施对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (5)

1.一种基于STM32单片机的自动化测量杨氏模量的装置，其特征在于：包括底座(9)，所述底座(9)的上侧固定连接有平行连杆(7)，所述所述平行连杆(7)的上端固定连接有顶板(8)，所述平行连杆(7)的一侧设有置于所述底座(9)上的基座(15)，所述基座(15)上放置有量筒(1)，所述量筒(1)内设置有水(3)，所述量筒(1)内还设置有圆柱体(2)，所述圆柱体(2)的上端连接有托盘(4)，所述托盘(4)与所述顶板(8)之间固定连接有待测的金属丝(6)，所述基座(15)上还设置有单点式称重传感器(14)，所述单点式称重传感器(14)还电路连接有模拟重量变送器(10)、蓝牙电路模块(11)、OLED屏幕(12)、STM32单片机最小系统板(13)。

2.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的自动化测量杨氏模量的装置，其特征在于：所述圆柱体(2)的上半端与所述托盘(4)衔接固定。

3.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的自动化测量杨氏模量的装置，其特征在于：所述圆柱体(2)在插入所述量筒(1)后存在间隙。

4.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的自动化测量杨氏模量的装置，其特征在于：所述托盘(4)上放置有用于增加重量以拉伸所述金属丝(6)的槽码(5)。

5.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的自动化测量杨氏模量的装置，其特征在于：所述圆柱体(2)插入所述量筒(1)内并与所述水(3)接触，当所述圆柱体(2)下降后，通过所述单点式称重传感器(14)测量所述量筒(1)变化的重力数据可算出所述圆柱体(2)下降的距离。

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