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论文摘要：传统的密度测量方法，系统误差和相对误差都较大。本文所提出的智能密度测量仪对密度测量的仪器和方法都进行了改进。系统通过ADHX711芯片将压力传感器信号进行模数转换，以AT89S52单片机为控制核心，实现对各种形状固体和不同液体密度的精确测量；利用按键实现对芯片的实时控制，并以指示灯显示按键的状况；采用自制温度传感器检测当前的水温参数，根据该参数对比出当前水的密度，再由压力传感器测出物体在水中的视重，通过单片机对主控芯片进行数据处理，精确测量出被测物体的密度值。
论文关键词：密度，压力传感器
引言
在物理学中，把某种物质单位体积的质量叫做这种物质的密度。数学表达式为ρ=m/V，而当今对密度的测量方法首先使用天平测出质量，然后使用量筒测出体积，最后使用公式得出密度。方法见下表1。
表1常用密度测量方法
密度这一物理常量在日常生产生活中具有广泛的应用。可从以下几个方面反映出来：1.可鉴别组成物体的材料。2.可计算物体中所含各种物质的成分。3.可计算某些很难称量的物体的质量或形状比较复杂的物体的体积。4.可判定物体是实心还是空心。5.可计算液体内部压强以及浮力等。6.可测量未知液体密度。7.可测量已知液体纯度测量和液体杂质类型。综上所述，可见密度在科学研究和生产生活中有着广泛的应用。对于鉴别未知物质，密度是一个重要的依据。由此对密度测量尤其是高精度的密度的测量更是当今生产与生活过程中的迫切需要。本密度测量仪是高精度的密度测量仪器具有实用，便携，精度高，稳定性好，适用范围广等特点。能够满足日常生产与生活的需要，具有很好的应用前景与推广价值。
2设计原理
2.1传统测量方法：
使用天平和量筒测量不规则固体的密度的方法如下：
物体在空气中质量为。它浸入液体中排开液体体积，则物体的密度为：
（1）
质量使用天平测量，排开液体的体积用量筒测量，人为观察产生的人为误差和二次操作中杯壁上残留的液体等不可避免产生误差，以上的误差使测量结果不准确，使密度变为：
（2）
其中、为人为中产生的误差，从而产生测量误差：
（3）
其中为被测量值密度相对误差，为被测量值质量相对误差，为被测量值体积相对误差，被测量值密度相对误差为质量相对误差和体积相对误差之和，比较大。
2.2利用密度测量的改进测量方法：
A固体密度测量：
如图1，设烧杯+液体重量为，被测物体重量为，所测物体+烧杯+液体水的压力为：
（4）
如图2，设绳子的拉力为，将被测物体全部浸入液体中，则所测物体+烧杯+液体水的压力为：
（5）
（6）
由（5）、（6）得
（7）
由于我们在测量中将初始化为0，与，变为：
（8）
（9）
式中，是液体密度，是排开液体体积，即被测物体体积。所用液体一般用水，液体密度，在附录一中由水的密度与温度对应表查出，由（8）和（9）得出被测物体密度为：（10）
由误差传递公式，得被测物体密度的相对误差为：
（11）
由于和为同一测量条件下，相同物理量，系统误差可以抵消，而为标准值可不计误差，所以使用密度测量的改进测量误差为：
（12）
测量误差基本为0。
B当待测物体密度小于密度时采用在物体下面加一重物配重，方法同上。
C液体密度测量：
把原来的被测物的密度做为标准量，如图3，设物体+烧杯+被测液体的压力为，把小球放入被测液体中，物体+烧杯+被测液体的压力为，由上述的方法可得出被测液体的密度为：
（13）
则所测液体的相对误差为：（14）
由于和为同一测量条件下，相同物理量，系统误差可以抵消，而为精确测量值，可不计误差，所以使用密度测量的改进测量误差为：
（15）
基本为0。
基于上述思想，本系统的密度测量原理如图4所示。
图4系统测量密度原理框图
3系统硬件设计
为了表现整体性和便于检测调试，我们在制作电路时采用了模块化，将电源模块、显示模块以及传感器模块分别放置，体现了合理性，将多个模块同时放在同一块电路板中，这样不会占用太多的空间。系统整体框图如图5所示。
图5系统整体框图
3.1微控制器模块
采用由ATMEL公司的8位AT89S52单片机作为该系统的主控芯片，经典51单片机具有价格低廉，使用简单等特点。它具有充足的信息处理功能，易于操作使用，具有8k的程序存储器，体积小，价格便宜等优点，并且可以同时程序调试，更适于本系统的要求。
3.2数据采集模块
采用电阻应变式压力传感器该传感器具有稳定性好，精度和灵敏度高且对测量的环境要求不太严格等特点。电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，经过放大和模数转换电路既得出所需物理量。此传感器电路简单，体积小，结构紧凑，工作性能稳定。
3.A/D转换模块
采用高精度的HX711。这是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。输入具有AB双通道，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。更加适合这个方案的设计。
3.4显示模块
采用的是带中文字库的12864液晶显示屏。它是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。该模块接口方式灵活，操作指令简单、方便，可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，可构成全中文人机交互图形界面。低电压低功耗也是其又一显著特点。
3.5输入按键模块
输入按键采用４×４的矩阵键盘。矩阵按键具有使用操作方便，占用I\O口少等特点，能够满足硬件设计的需要。利用按键实现对芯片的实时控制。
3.6电源模块
采用手机变压器，再经7805稳压模块为单片机、压力传感器、12864液晶等额定电压为5V器件供电。这样单片机和传感器工作稳定，重量较轻，能够满足系统要求。
4系统软件设计
系统软件设计采用模块化设计方法。整个程序由初始化模块、数据采集模块、数据放大模块、数据转换模块等各种功能模块组成。上电后，进入系统初始化模块，系统软件开始运行。在执行过程中，根据选择分别调用各个功能模块完成对应的功能。程序流程图如图6所示
图6系统整体程序流程图
5密度测量仪的使用方法
5.1固体密度的测量（注：在测量固体密度小于水的密度时，须在水中加一配种物体）
1）将仪器打开，放上烧杯加入适量水进入初始化模块，利用温度传感器测量出水的温度得出该温度下水的密度。
2）选择出测试模式，进入密度测量。
3）将待测物体放在仪器上记录下数据。
4）将待测物体全部没入水中，但不能接触容器底壁和侧壁，记录下数据，通过液晶显示器显示出来压力。
5）重复以上步骤，将数据记录在以下表格中，进行数据处理。如表2。
表2纯铝密度测量结果
次数
物体重量 （）
压力（N）
体积
（m^3）
密度
（g*cm^-3）
误差分析
1
0.9800
0.3610
纯铝的密度，改进型密度仪测出为相对误差，较为准确。
2
0.9789
0.3480
3
0.9802
0.3490
平均值
0.9797
0.3527
5.2液体密度测量
1）将仪器打开，放上烧杯加注液体，进入初始化模块。
2）选择测试模式，将已知物体小球放在仪器上（已知物体体积）测量出它的质量。
3）将小球没在未知液体不能接触容器底壁和侧壁，然后测量出所受压力。
4）重复以上步骤，将数据记录在以下表格中，进行数据处理。浓盐水密度测量结果如表3所示。
表3浓盐水密度测量结果（已知测量标准物体的密度=kg*m^-3）
次数
物体重量 （）
压力（N）
体积
（m^3）
密度
（g*m^-3）
误差分析
1
0.9800
0.4715
1.3000
在28下浓盐水的密度为，
改进型密度测量测出相对误差为，较为准确。
2
0.9802
0.4716
1.3001
3
0.9789
0.4714
1.3014
平
均
值
0.9797
0.4715
1.3005
6结束语
1、采用由数字集成化的传感器测量质量，其与机械式的天平等仪器相比更加方便快捷且避免了人为因素造成的误差的出现。
2、采用自制数字温度传感器，避免了水银式温度计人为因素引起的读数的错误的发生，克服水的密度ρ随温度变化造成测量出的物体密度不准确的缺点，还可以对水温进行实时监测。
3、所测物体的各个参量的精确测量并通过单片机的无误计算并显示结果提高了效率，避免了人为数据获取和数据处理时产生的误差。
4、密度测量的改进对固体、液体密度均可测量，使测量物体范围更加广泛而且更加方便。
5、考虑到中间步骤产生的误差，密度测量的改进没有中间步骤，从而提高了测量精度。
参考文献
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本刊论文