摘 要

土的颗粒分析试验作为土工研究其中一重要项目，利用比重计对土壤颗粒的试液进行比重测量后，对其进行定性分析。目前，大部分土工颗粒分析试验是采用人工使用婆美式比重计对土壤颗粒试液进行比重读数、记录，但是这种测量方法需求专业测试人员，操作繁琐，效率较低。若将人工的读数、记录过程进行精简，采用电子自动化的方式，达到自动化测量土壤颗粒试液比重的目的，不仅能够相对减少人力资源的使用，而且还能大大提升土工实验的效率，提高试验的可靠性。

基于上述问题，本课题设计了一个用于土工颗粒分析试验测量土壤颗粒试液比重的电子化比重计系统。本设计通过间接测量比重计在试液液面上方的长度，换算成相应的比重读数达到测量试液比重的目的。该电子比重计系统以ST公司的STM32F103芯片作为主控制器，使用57步进电机作为传动装置，光电传感器以及自行设计的液面传感器作为测量比重计液面上方长度的信号始末端，通过使用编码器计数的方式计算这两个信号之间步进电机所移动的位移，得到液面上方比重计的长度，经过换算得到相应的比重值，最后通过串口在PC端显示出来，使整个电子比重计系统具有自动测量、数据处理、PC端显示的功能。

经试验测试表明，本次设计的电子比重计实现了预期的全部功能，极大地促进了土工颗粒分析试验的有效进行。

关键字：土工颗粒分析；自动化；电子比重计；步进电机

Abstract

Soil particle analysis test As an important project of geotechnical research, the specific gravity of the test solution of soil particles was measured by hydrometer, and then qualitative analysis was carried out. At present，most of the geotextile analysis test is the use of artificial use of American hydrometer gravity test paper on the proportion of soil particles read, record. But this measurement requires professional testing staff, cumbersome operation, low efficiency. If the manual reading, recording process to streamline the use of electronic automation, to achieve the purpose of automatic measurement of the proportion of soil particles test solution, not only can reduce the relative human resources, but also greatly enhance the efficiency of geotechnical experiments to improve the reliability of the test.

Based on the above problems, this paper designs an electronic hydrometer system for measuring the specific gravity of soil particles in geomembrane analysis. The design by indirect measurement of hydrometer in the test liquid surface length above, converted into the corresponding proportion of the proportion of the test solution to achieve the purpose of the proportion. The electronic hydrometer system to ST's STM32F103 chip as the main controller, the use of 57 stepper motor as a transmission, Photoelectric sensors and self-designed surface sensors as a measure of the proportion of the length of the signal above the liquid level. Calculating the displacement of the stepper motor between the two signals by using the encoder count to get the length of the hydrometer above the liquid level, after conversion to get the corresponding specific gravity, and finally through the serial port shown on the PC side. So that the entire electronic hydrometer system has automatic measurement, data processing, PC-side display function.

Experiments show that the design of the electronic hydrometer to achieve the expected all the functions, which greatly promoted the effective analysis of geotextile analysis.

Key Words：soil particle analysis; automation; Electronic hydrometer; Stepper motor

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 3

第2章 电子比重计总体方案设计 4

2.1 电子比重计功能分析 4

2.2 测量方式的选择 4

2.3 电子比重计的硬件设计 5

2.4 电子比重计测量流程设计 6

第3章 步进电机选型及控制 8

3.1 步进电机结构及类型 8

3.1.1 步进电机结构 8

3.1.2 步进电机分类 9

3.2 步进电机工作原理 9

3.3 步进电机驱动器 11

3.3.1 57步进电机 11

3.3.2 步进电机驱动芯片 13

3.3.3 步进电机驱动器 13

3.4 步进电机导轨的选择 17

第4章 硬件选型及设计 19

4.1 STM32单片机 19

4.1.1 I/O端口 20

4.1.2 定时器 21

4.1.3 STM32串口通讯 21

4.2 编码器 22

4.2.1 增量式编码器 22

4.2.2 增量式编码器脉冲输入模式 22

4.3 光电传感器 23

4.4 液面传感器 24

4.4.1 液面传感器方案设计 24

4.4.2 液面传感器电路设计 25

4.5 硬件装配 26

4.6 硬件成本分析 27

第5章 电子比重计程序设计 29

5.1 电子比重计测量程序 29

5.1.1 硬件程序设计 29

5.1.2 中断程序设计 30

5.1.3 主程序设计 31

5.2 电子比重计主要程序分析 31

5.2.1 中断优先级配置 31

5.2.2 中断服务函数 33

5.2.3 步进电机控制 35

5.2.4 编码器控制 36

第6章 系统功能测试 39

第7章 全文总结与展望 42

参考文献 43

附录 程序主要代码 44

附1 main.c 44

附2 stm32f10x_it.c 45

附3 bsp_TB6600_TIM.c 47

附4 bsp_encode.c 50

附5 bsp_nvic.c 51

附6 bsp_exti.c 55

附7 sys.c 58

附8 usart.c 59

致谢 63

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

土的颗粒分析试验是为了研究是土的级配状态，不同的级配土壤的性质有所不同，通过土工试验对其进行性质分析^[7]。作为土工试验中必不可少的一个环节，它可以在土的物理性质等方面提供研究依据。土的颗粒分析试验中所用的比重计法是对细小土粒进行测量的一般方法。传统比重计是一种用于测量液体密度的仪器，它的制作原理是根据阿基米德定律使其在液体中静置平衡。在标准温度25度下，借助测量液体比重（密度）来求的液体的浓度^[16]。根据浮力原理，当比重计静置于较大浓度的液体中，它会排开少量液体，所以比重计浸没于液面下的深度就小些；而在浓度较小的液体中，比重计排开的液体较多,导致比重计更多部分浸没在液面以下。放在静止液体中的物体受到液体作用力大小等于物体排开的液体的重力^[8]。这个合力称为浮力，这就是著名的“阿基米德定律”(Archimedes)，又称阿基米德原理，该原理该定理是由公元200年前古希腊学者阿基米德(Archimedes,287-212BC)发现的。浮力可利用如下公式计算：F =ρ_液gV_排。婆美式比重计是比较常见玻璃仪器，如图1.1，它的使用方法很简单，在需要测量的液体中放入比重计，等待其不再上下移动后，读出液体凹面处与比重计上端细管壁上平齐的刻度值即可读出所测液体比重值，这也是国内大多数土工实验室用来分析土工颗粒的常用比重计。