实验室环境参数综合测量仪及其测重力加速度的方法

摘要

本发明提供一种实验室环境参数综合测量仪，包括运算控制模块、湿度测量模块、光照模块、气压模块、磁偏角测量模块、温度测量模块、位置测量模块、LCD显示模块、按键；湿度测量模块、光照模块、气压模块、磁偏角测量模块、温度测量模块、位置测量模块、LCD显示模块及按键均分别与运算控制模块信号电连接；位置测量模块包括接收经纬度和海拔高度信息的GPS信号接收器；其测量重力加速度的方法主要包括运算控制模块提取位置测量模块接收的纬度和海拔高度信息按照内置程序和算法相应计算出重力加速度值。本发明集温度、湿度、光照强度、磁偏角、大气压和重力加速度等多项参数的测量功能集于一体，操作简单，易于携带，节省成本，适用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及环境参数测量装置，具体涉及一种实验室环境参数综合测量仪及其测量 重力加速度值的方法。

背景技术

重力加速度、温度、湿度、光照强度、磁偏角、大气压等环境参数对于物理、化学、 生物等实验室所作的实验结果的准确程度起着很重要的作用，有时甚至直接影响实验结 果的正确与否。实验室测量这些环境参数的通常做法是：针对不同的环境参数，采用相 应的专门的测量仪器或工具，逐个检测，比较繁琐。在这些参数中，特别是重力加速度 g值的测量更是费时费力。重力加速度g值的精确测定对于力学计量、热工计量、电学 计量、精密物理计量、地球物理学、地震预报、重力探矿和空间科学等方面具有非常重 要的作用。目前重力加速度g值的测量，通常采用单摆测量、圆锥摆测量、滴水法测量、 斜槽测量、打点计时器测量、自由落体运动测量以及称重法原理称出已知质量的法码后 计算测量等方法进行，这些测量方法的步骤繁琐，耗费时间，所需测量工具多，耗费大 量人工，有时为了提高一个数量级的精度，投入的设备费用呈几何级上升，不够经济、 方便。

如申请公布号为CN102280553A的中国专利文献，其公开了一种数显重力加速度测 试仪，其主要由托盘、压力传感器和数据运算器等组成，采用称重法原理，通过称出已 知质量的物体所受的重力进行g=G/M的简单计算后测定重力加速度g值。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种将实验室的重力加速度、温度、 湿度、光照强度、磁偏角和大气压等多种环境参数的测量集于一体的实验室环境参数综 合测量仪，以及利用该实验室环境参数综合测量仪测量重力加速度参数值的方法。

本发明的技术方案是：本发明的实验室环境参数综合测量仪，其结构特点是：包括 运算控制模块、湿度测量模块、光照模块、气压模块、磁偏角测量模块、温度测量模块、 位置测量模块、LCD显示模块、按键；

上述的湿度测量模块设有湿度信号输出端；光照模块设有光照信号输出端；气压模 块设有气压信号输出端；磁偏角测量模块设有磁偏角信号输出端；温度测量模块设有温 度信号输出端；位置测量模块设有地理位置信号输出端；LCD显示模块设有显示信号输 入端和控制信号输入端；按键设有信号输出端；

运算控制模块设有湿度信号输入端、光照信号输入端、气压信号输入端、磁偏角信 号输入端、温度信号输入端、地理位置信号输入端、显示信号输出端、显示控制信号输 出端和按键信号输入端；

运算控制模块的湿度信号输入端与湿度测量模块的湿度信号输出端电连接；运算控 制模块的光照信号输入端与光照模块的光照信号输出端电连接；运算控制模块的气压信 号输入端与气压模块的气压信号输出端电连接；运算控制模块的磁偏角信号输入端与磁 偏角测量模块的磁偏角信号输出端电连接；运算控制模块的温度信号输入端与温度测量 模块的温度信号输出端电连接；运算控制模块的地理位置信号输入端与位置测量模块的 地理位置信号输出端电连接；LCD显示模块的显示信号输入端与运算控制模块的显示信 号输出端电连接；LCD显示模块的控制信号输入端与运算控制模块的显示控制信号输出 端电连接；运算控制模块的按键信号输入端与按键的信号输出端电连接；

上述的位置测量模块包括能够接收经度、纬度和海拔高度信息的GPS信号接收器； 运算控制模块包括通过提取位置测量模块接收的纬度和海拔高度信息并按照内置的程 序和算法计算出重力加速度值的单片机。

进一步的方案是：上述的运算控制模块的单片机的型号为STC89C51；湿度测量模块 包括型号为DHT11的湿度传感器；光照模块包括型号为BH1750的光照传感器；气压模 块包括型号为BMP085的气压传感器；磁偏角测量模块包括型号为HMC5883L的高精度数 字罗盘；温度测量模块包括型号为DS18b20的温度传感器；LCD显示模块包括型号为 LCD12864的液晶显示屏。

进一步的方案是：上述的按键为组件，包括温度输出按键、湿度输出按键、磁偏角 输出按键、光照输出按键、气压输出按键和重力加速度输出按键。

利用上述的实验室环境参数综合测量仪测量重力加速度值的方法，包括以下步骤：

①单片机提取位置测量模块接收的纬度值θ，单片机通过内置的国际大地测量和地 球物理联合会的标准公式：

g_θ=9.780321(1+0.00530244sin²θ-0.00000580sin²2θ)m/s²

计算出该纬度下海拔高度为0的地球重力加速度g_θ；

②单片机提取位置测量模块接收的海拔高度值x,单片机通过重力垂直梯度修正公 式：

g_h=-3.08769×10^-6(1-0.0014437sin²θ)x

计算出重力加速度值g_θ的修正值g_h；

③单片机根据公式g=g_θ+g_h，计算出当前地点实际重力加速度值g。

本发明具有积极的效果：（1）本发明的实验室环境参数综合测量仪，将重力加速度、 温度、湿度、光照强度、磁偏角、大气压等多项参数的测量功能集于一体，需要测量上 述参数时，只需要通过按动相应的选择按键即可进行，操作简单方便，易于携带。（2） 本发明的实验室环境参数综合测量仪，克服了现有技术中需要多个测量仪器分别测量不 同参数值的繁琐，能较大幅度地节省时间成本和仪器购置成本，提高工作效率。（3）利 用本发明的实验室环境参数综合测量仪测量重力加速度的方法，其通过位置测量模块接 收GPS信号，将实验室的经度、纬度及海拔高度等信息传送给运算控制模块，运算控 制模块按照内置的程序和计算公式自行算出重力加速度值并由LCD显示模块显示，重 力加速度参数值的测量方便、快捷。（4）本发明的实验室环境参数综合测量仪，可适用 于物理实验室以及化学、电子、生物等其他专业实验室的环境参数测量，适用性强。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的电原理图。

上述附图中的附图标记如下：

运算控制模块1，湿度测量模块2，光照模块3，气压模块4，磁偏角测量模块5， 温度测量模块6，位置测量模块7，LCD显示模块8，按键9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

（实施例1）

见图1和图2，本实施例的实验室环境参数综合测量仪，主要由运算控制模块1、 湿度测量模块2、光照模块3、气压模块4、磁偏角测量模块5、温度测量模块6、位置 测量模块7、LCD显示模块8、按键9以及图中未画出的电源模块和壳体组成。

LCD显示模块8和按键9固定安装在壳体上，其他各模块安装在壳体内。

电源模块为运算控制模块1、湿度测量模块2、光照模块3、气压模块4、磁偏角测 量模块5、温度测量模块6、位置测量模块7和LCD显示模块8提供+5V的工作电源VCC。

湿度测量模块2设有湿度信号输出端；光照模块3设有光照信号输出端；气压模块 4设有气压信号输出端；磁偏角测量模块5设有磁偏角信号输出端；温度测量模块6设 有温度信号输出端；位置测量模块7设有地理位置信号输出端；LCD显示模块8设有显 示信号输入端和控制信号输入端；按键9设有信号输出端；

运算控制模块1设有湿度信号输入端、光照信号输入端、气压信号输入端、磁偏角 信号输入端、温度信号输入端、地理位置信号输入端、显示信号输出端、显示控制信号 输出端和按键信号输入端。

运算控制模块1的湿度信号输入端与湿度测量模块2的湿度信号输出端电连接；运 算控制模块1的光照信号输入端与光照模块3的光照信号输出端电连接；运算控制模块 1的气压信号输入端与气压模块4的气压信号输出端电连接；运算控制模块1的磁偏角 信号输入端与磁偏角测量模块5的磁偏角信号输出端电连接；运算控制模块1的温度信 号输入端与温度测量模块6的温度信号输出端电连接；运算控制模块1的地理位置信号 输入端与位置测量模块7的地理位置信号输出端电连接；LCD显示模块8的显示信号输 入端与运算控制模块1的显示信号输出端电连接；LCD显示模块8的控制信号输入端与 运算控制模块1的显示控制信号输出端电连接；运算控制模块1的按键信号输入端与按 键9的信号输出端电连接。

运算控制模块1由单片机U1、复位电路、时钟电路和电阻排RP2组成。单片机U1 可采用型号为STC89C51或STC89C52的单片机(MCU)，本实施例中，优选采用型号为 STC89C51的单片机，其设有1到40共40个接线脚（功能端）。复位电路由电解电容C3、 电阻R1和复位按钮Reset组成，复位按钮Reset安装在壳体上。复位按钮Reset的一 端与电解电容C3的正极接电源VCC；复位按钮Reset的另一端、电解电容C3的负极以 及电阻R1的一端具有公共接点，该公共接点与单片机U1的9号接线脚（RESET端）电 连接；电阻R1的另一端接地。时钟电路由电容C1、电容C2和晶振CRY1组成，电容C1 的一端与晶振CRY1的一端具有公共接点，该公共接点与单片机U1的18号接线脚（X2 端）电连接；晶振CRY1的另一端与电容C2的一端具有公共接点，该公共接点与单片机 U1的19号接线脚（X1端）电连接；电容C1的另一端以及电容C2的另一端共同接地。 电阻排RP2由8个电阻组成，电阻排RP2的8个电阻的一端均接电源VCC；电阻排RP2 的8个电阻的另一端与单片机U1的32号接线脚（P07端）至39号接线脚（P00端）分 别一一对应电连接而形成8个公共接点，该8个公共接点共同构成运算控制模块1的显 示信号输出端；电阻排RP2的作用在于上拉输出给LCD显示模块的信号电平。单片机U1 的40号接线脚（VCC端）以及31号接线脚（EA/VP端）均接电源VCC，单片机U1的20 号接线脚（GND端）接地。

单片机U1的1号接线脚（P10端）设为运算控制模块1的湿度信号输入端；单片机 U1的22号接线脚（P21端）和23号接线脚（P22端）共同设为运算控制模块1的光照 信号输入端；单片机U1的16号接线脚（WR端）和17号接线脚（RD端）共同设为运算 控制模块1的气压信号输入端；单片机U1的14号接线脚（T0端）和15号接线脚（T1 端）共同设为运算控制模块1的磁偏角信号输入端；单片机U1的21号接线脚（P20端） 设为运算控制模块1的温度信号输入端；单片机U1的10号接线脚（RXD端）和11号接 线脚（TXD端）共同设为运算控制模块1的地理位置信号输入端；单片机U1的24号接 线脚（P23端）至28号接线脚（P27端）共同构成运算控制模块1的显示控制信号输出 端；单片机U1的2号接线脚（P11端）至7号接线脚（P16端）共同构成运算控制模块 1的按键信号输入端；单片机U1的其他接线脚空置。

湿度测量模块2主要由湿度传感器和电阻R4组成，本实施例中，湿度传感器的型 号优选DHT11湿度传感器，湿度传感器具有1到4号接线脚，湿度传感器的1号接线脚 接电源VCC，2号接线脚与电阻R4的一端共线而形成一个公共接点，该公共接点即为湿 度测量模块2的湿度信号输出端（图2中显示的电连接标记为P1.0），湿度传感器的4 号脚接地；湿度传感器的3号脚空置；电阻R4的另一端接电源VCC，电阻R4用于上拉 输出给单片机U1的信号电平。

光照模块3主要由光照传感器、电阻R2和电阻R3组成。本实施例中，光照传感器 的型号优选BH1750光照传感器，光照传感器具有1至5号共5个接线脚，光照传感器 的1号接线脚、电阻R2的一端以及电阻R3的一端均接电源VCC；光照传感器的2号接 线脚及5号接线脚均接地；光照传感器的3号接线脚与电阻R2的另一端共线而形成一 个公共接点（图2中显示的电连接标记为P2.1），该公共接点与运算控制模块1的单片 机U1的22号接线脚（P21端）电连接；光照传感器的4号接线脚与电阻R3的另一端共 线而形成一个公共接点（图2中显示的电连接标记为P2.2），该公共接点与单片机U1 的23号接线脚（P22端）电连接；该2个公共接点共同构成光照模块3的光照信号输出 端。

气压模块4主要由气压传感器组成，本实施例中，气压传感器优选型号为BMP085 的气压传感器，气压传感器具有1至7号共7个接线脚，其1号接线脚接地，2号接线 脚接电源VCC，气压传感器的3号接线脚（图2中标注电连接标记为P3.6）和4号接线 脚（图2中标注电连接标记为P3.7）共同构成气压模块4的气压信号输出端；气压传感 器的3号接线脚与单片机U1的16号接线脚（WR端）电连接；气压传感器的4号接线脚 与单片机U1的17号接线脚（RD端）电连接；气压传感器的5、6、7号接线脚空置。

磁偏角测量模块5主要由高精度数字罗盘组成，本实施例中，该高精度数字罗盘优 选型号为HMC5883L的高精度数字罗盘；该高精度数字罗盘具有1至4号共4个接线脚， 其1号接线脚接电源VCC，4号接线脚接地；高精度数字罗盘的2号接线脚（图2中标 注电连接标记为P3.4）和3号接线脚（图2中标注电连接标记为P3.5）共同构成磁偏 角测量模块5的磁偏角信号输出端；高精度数字罗盘的2号接线脚与单片机U1的14号 接线脚（T0端）电连接；高精度数字罗盘的3号接线脚与单片机U1的15号接线脚（T1 端）电连接。

温度测量模块6主要由温度传感器和电阻R5组成，本实施例中，温度传感器优选 型号为DS18b20的温度传感器，其具有1、2、3号接线脚，其1号接线脚接地；3号接 线脚与电阻R5的一端均接电源VCC，其2号接线端与电阻R5的另一端因共线而形成一 个公共接点（图2中标注电连接标记为DQ），该公共接点即为温度测量模块6的温度信 号输出端，该公共接点与单片机U1的21号接线脚（P20端）电连接。

位置测量模块7主要由GPS信号接收器组成，本实施例中，GPS信号接收器的型号 优选GR-87GPS模块，其具有1至6号共6个接线脚，其6号接线脚（电源端）接电源 VCC，其2号接线脚（接地端）接地，GPS信号接收器的4号接线脚（图2中标注电连接 标记为RXD）和5号接线脚（图2中标注电连接标记为TXD）共同构成位置测量模块7 的地理位置信号输出端；GPS信号接收器的4号接线脚与单片机U1的10号接线脚（RXD 端）电连接；GPS信号接收器的5号接线脚与单片机U1的11号接线脚（TXD端）电连 接；GPS信号接收器的1号和3号接线脚空置。

LCD显示模块8主要由液晶显示屏和10K欧姆的可变电组器RW组成，本实施例中， 液晶显示屏优选型号为LCD12864的液晶显示屏，其具有1至20号共20个接线脚；液 晶显示屏的1号接线脚和20号接线脚均接地，液晶显示屏的19号接线脚接电源VCC； 液晶显示屏的17号接线脚、15号接线脚、6号接线脚、5号接线脚和4号接线脚共同构 成LCD显示模块8的控制信号输入端；液晶显示屏的17号接线脚与单片机U1的24号 接线脚（P23端）电连接；液晶显示屏的15号接线脚与单片机U1的28号接线脚（P27 端）电连接；液晶显示屏的6号接线脚与单片机U1的27号接线脚（P26端）电连接； 液晶显示屏的5号接线脚与单片机U1的26号接线脚（P25端）电连接；液晶显示屏的 4号接线脚与单片机U1的25号接线脚（P24端）电连接；液晶显示屏的7至14号接线 脚共同构成LCD显示模块8的显示信号输入端；液晶显示屏的3号接线脚与可变电阻器 RW的可移动端电连接；液晶显示屏的2号接线脚以及可变电阻器RW的一个固定端均接 电源VCC；可变电阻器RW的另一个固定端接地。

按键9为组件，包括温度输出按键S1、湿度输出按键S2、磁偏角输出按键S3、光 照输出按键S4、气压输出按键S5和重力加速度输出按键S6共6个开关式按键。温度输 出按键S1的一个接线端、湿度输出按键S2的一个接线端、磁偏角输出按键S3的一个 接线端、光照输出按键S4的一个接线端、气压输出按键S5的一个接线端以及重力加速 度输出按键S6的一个接线端共同构成按键9的信号输出端；温度输出按键S1的另一个 接线端、湿度输出按键S2的另一个接线端、磁偏角输出按键S3的另一个接线端、光照 输出按键S4的另一个接线端、气压输出按键S5的另一个接线端以及重力加速度输出按 键S6的另一个接线端均接地。温度输出按键S1的非接地的接线端（图2中标注电连接 标记为P1.1）与运算控制模块1的单片机U1的2号接线脚（P11端）电连接；湿度输 出按键S2的非接地的接线端（图2中标注电连接标记为P1.2）与单片机U1的3号接线 脚（P12端）电连接；磁偏角输出按键S3的非接地的接线端（图2中标注电连接标记为 P1.3）与单片机U1的4号接线脚（P13端）电连接；光照输出按键S4的非接地的接线 端（图2中标注电连接标记为P1.4）与单片机U1的5号接线脚（P14端）电连接；气 压输出按键S5的非接地的接线端（图2中标注电连接标记为P1.5）与单片机U1的6 号接线脚（P15端）电连接；重力加速度输出按键S6的非接地的接线端（图2中标注电 连接标记为P1.6）与单片机U1的7号接线脚（P16端）电连接。

本实施例的实验室环境参数综合测量仪的工作原理和工作方法如下述：

将本实施例的实验室环境参数综合测量仪（后续简称本机）开机（接电）后，放置 在实验室合适位置，本机进入工作状态，约经过十几秒时间，本机的湿度测量模块2检 测到实验室的湿度参数，光照模块3检测到光照强度参数，气压模块4检测到气压参数， 磁偏角测量模块5检测到磁偏角参数，温度测量模块6检测到温度参数，位置测量模块 7接收GPS系统信号得到当前实验室的经度、纬度以及海拔高度信息，各模块均将相应 参数或信息实时传递给运算控制模块1的单片机U1；

单片机U1接收到相关信息进行相应的处理，当用户需要了解当前的温度、湿度、 磁偏角、光照强度、气压、或重力加速度的参数值时，只需要按下按键9中相应的温度 输出按键S1、湿度输出按键S2、磁偏角输出按键S3、光照输出按键S4、气压输出按键 S5或重力加速度输出按键S6，单片机U1按照内置的程序对与按键9的各个按键电连接 的P11至P16端口进行巡检，当检测到哪一个按键被按下时，单片机U1即将该按键对 应的参数值传输给LCD显示模块8进行数字显示。

利用本实施例的实验室环境参数综合测量仪测量重力加速度值的方法，包括以下步 骤：

①单片机U1提取位置测量模块7接收的纬度值θ，单片机U1通过程序内置的国际 大地测量和地球物理联合会的标准公式：

g_θ=9.780321(1+0.00530244sin²θ-0.00000580sin²2θ)m/s²

计算出该纬度下海拔高度为0的地球重力加速度g_θ；

②单片机U1提取位置测量模块7接收的海拔高度值x,单片机U1通过重力垂直梯 度修正公式：

g_h=-3.08769×10^-6(1-0.0014437sin²θ)x

也即公式：dg_h/dh=-3.08769×10^-6(1-0.0014437sin²θ)

或公式：g_h=-∫3.08769×10^-6(1-0.0014437sin²θ)dx

计算出重力加速度值g_θ的修正值g_h；

③单片机（U1）根据公式g=g_θ+g_h，计算出当前地点实际重力加速度值g。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领 域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得 到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范 围。