電子稱綜合課設(shè)

1、南京航空航天大學(xué)綜合課設(shè)報(bào)告題目：電阻應(yīng)變式載荷傳感器及測(cè)試校準(zhǔn)系統(tǒng)學(xué)院： 自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)： 測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器組員： 031030224 黃坤031030218 張馳宇031030228 張震2014年6月27日檢測(cè)技術(shù)綜合課設(shè)一、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、設(shè)計(jì)一個(gè)電阻應(yīng)變式載荷傳感器及傳感器特性自動(dòng)測(cè)試校準(zhǔn)系統(tǒng)。應(yīng)用力學(xué)、傳感器技術(shù)等相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)載荷傳感器，要求使用AUTOCAD繪制傳感器機(jī)械圖，分析推導(dǎo)應(yīng)變和載荷的關(guān)系。責(zé)任設(shè)計(jì)人：031130224黃坤。2、設(shè)計(jì)傳感器調(diào)理電路，要求電路在滿足一定測(cè)試精度的前提下，盡可能簡(jiǎn)單，但可以設(shè)計(jì)兩個(gè)以上的電路。要求輸出電壓范圍為-3V3V。責(zé)任設(shè)計(jì)人：XX

2、XXX。3、設(shè)計(jì)51單片機(jī)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的采集和數(shù)字低通濾波處理，顯示載荷大?。ㄗ⒁獠皇请妷捍笮。?，并將數(shù)據(jù)通過RS232接口傳送給PC機(jī)。責(zé)任設(shè)計(jì)人：XXXXX。4、編寫虛擬儀器程序，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通訊，完成校準(zhǔn)和對(duì)傳感器靜態(tài)特性曲線的顯示，計(jì)算傳感器的線性度（用最小二乘線性度、或端基線性度表示）、重復(fù)誤差等靜態(tài)指標(biāo)。（拓展）責(zé)任設(shè)計(jì)人：XXXXX。二、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.應(yīng)變片的設(shè)計(jì)（1）應(yīng)變片工作原理 電阻應(yīng)變敏感元件的轉(zhuǎn)換原理是基于導(dǎo)線的電阻-應(yīng)變效應(yīng)。由金屬導(dǎo)體的電阻定律知，對(duì)于長(zhǎng)度為、截面積為、電阻率為的金屬絲，其電阻 （式2-1）結(jié)合材料的泊松比定律，經(jīng)數(shù)學(xué)變換得金屬絲電阻

3、應(yīng)變特性 （式2-2）則金屬絲靈敏系數(shù) （式2-3）故有 （式2-4）另外由于應(yīng)變片存在橫向效應(yīng)，因而對(duì)于應(yīng)變片 （式2-5）其中（2）應(yīng)變片的基長(zhǎng)查閱資料可知，為了使測(cè)量誤差減小，將展開為級(jí)數(shù)，并略去高階小量后，可得 （式2-6）粘貼在一定材料試件（為常量）上的應(yīng)變片，對(duì)正弦波的響應(yīng)誤差隨柵長(zhǎng)和頻率的增加而增大。因而在設(shè)計(jì)、應(yīng)用應(yīng)變片時(shí)，就可按上式給定的三者的關(guān)系，根據(jù)給定的精度，來確定合理的或工作頻率，即或 （式2-7）其基長(zhǎng)應(yīng)盡量選取短的，這樣可以更真實(shí)地測(cè)出被測(cè)部位的應(yīng)變值，以提高測(cè)量精度。對(duì)于鋼材，若令精度，最高工作頻率代入上式可得 （式2-8）故取應(yīng)變片柵長(zhǎng)。(2)傳感器彈性元件的

4、設(shè)計(jì)我們組選擇設(shè)計(jì)的是量程為10kg的梁式傳感器，但由于普通的實(shí)心梁式傳感器具有傳感器輸出隨載荷位置的變化而變化這一缺點(diǎn)，我們選擇使用如圖所示的梁式結(jié)構(gòu)： 圖1在板狀梁上有兩個(gè)孔 ,在梁的端部有集中力作用時(shí) ,孔內(nèi)承受彎曲變形。將應(yīng)變片粘貼在孔的內(nèi)壁（其實(shí)黏貼在內(nèi)表面也可以） ,應(yīng)變片處于相反的應(yīng)力區(qū)內(nèi),當(dāng)上表面應(yīng)變片變形為拉伸時(shí) ,下表面則為壓縮變形 ,四個(gè)應(yīng)變片組成差動(dòng)電橋，輸出特性的線性度好。另外，這種梁的剛度比單梁好，故動(dòng)特性好 ,滯后小。根據(jù)應(yīng)力分布圖可以看出 ,受力點(diǎn)位置變化時(shí) ,一孔的彎矩增加，另一孔的彎矩減小，可在橋路內(nèi)自動(dòng)補(bǔ)償，從而提高了傳感器精度，使用時(shí)對(duì)力點(diǎn)位置的要求也有

5、所降低。 圖2 雙孔梁受力分析如下：可以把彈性體看作是上、下對(duì)稱的平行梁式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)屬于3次超靜定問題。即此結(jié)構(gòu)上的未知約束反力的數(shù)目比能列出的獨(dú)立靜力平衡方程的數(shù)目多三個(gè)。由理論力學(xué)可知：“限制物體某些運(yùn)動(dòng)的條件稱為約束”。物體與約束之間相互作用著力，約束給物體的力限制物體的某些運(yùn)動(dòng)?！凹s束給被約束物體的力稱為約束反力”。例如單懸臂梁結(jié)構(gòu)見圖9(a)，其一端固定，另一端為自由端。當(dāng)自由端作用力P時(shí)，固定端約束該梁在水平、垂直方向的移動(dòng)及相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。固定端給橫梁的約束用約束反力X、Y、表示。如圖9(b)所示。取坐標(biāo)系x0y，此力系為平面一般力系，能列三個(gè)獨(dú)立平衡方程來求解三個(gè)約束反力。即： X

6、=0 , - PL =0, （式2-9）此結(jié)構(gòu)為靜定結(jié)構(gòu)。根據(jù)上面分析，我們可將圖8的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為下圖所示的 圖3計(jì)算簡(jiǎn)圖。在上、下梁的固定端作用六個(gè)約束反力，它們分別是：、（作用在上梁）、（作用在下梁）此力系仍是平面一般力系，僅用靜力平衡方程只能解出三個(gè)約束反力，其余三個(gè)約束反力需用材料力學(xué)辦法才能求解。求解過程較復(fù)雜，我只引用其結(jié)論，在力P單獨(dú)作用下，當(dāng)t1/t2很小時(shí)，有： X= PL/2H(H為上下臂梁的高度) =P/2 =PL/4 （式2-10）載荷P及約束反力均為作用在梁上的外力，要討論梁的變形須分析作用在梁上各橫截面上的內(nèi)力。由于此結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱，且結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同，所受外力也相同，我

7、只研究上梁任一橫截面上的內(nèi)力。用材料力學(xué)的分析方法，為顯示出截面上的內(nèi)力，沿面aa假想地把梁分成兩部分，并以左段為研究對(duì)象。則：由于原來的梁處于平衡狀態(tài)，所以梁的左段仍應(yīng)處于平衡狀態(tài)。作用于左段上的力，除外力、外，在截面aa上還有右段對(duì)它的作用內(nèi)力，把這些內(nèi)力、外力分別投影于x軸、y軸上，其總和應(yīng)等于零。由，得： （橫截面aa上的軸力）由，得： = （橫截面aa上的剪力）若把左段上的所有外力和內(nèi)力對(duì)截面aa的形心O取矩 ，其力矩總和應(yīng)等于零。一般說，這就要求在截面aa上有一個(gè)內(nèi)力偶矩M，由得： （式2-11）因?yàn)樵谕饬ψ饔孟?，變形主要產(chǎn)生在梁深最小的截面附近，因此可以認(rèn)為截面A-A在變形后仍保

8、持為平面且該截面的轉(zhuǎn)角不影響截面右邊的應(yīng)力場(chǎng)，那么令A(yù)-A截面的轉(zhuǎn)角為零?？梢哉J(rèn)為左段上的約束反力作用在A-A截面上。由于軸力和剪力對(duì)梁的變形影響很小，故在此僅討論彎矩M所產(chǎn)生的變形。由上式得出： （式2-12）將 和 代入上式得： （式2-13）x =0時(shí)， x = L/2時(shí)，x L時(shí)， (式2-14)雙孔梁尺寸設(shè)計(jì)如下：圖4由于我們用的是鋁合金材料，查資料可知其許用應(yīng)力=110MPa,彈性模量E=72GPa，假設(shè)黏貼應(yīng)變片處的梁孔的截面的寬度為b,高度為h，則，由于此傳感器的量程是0100N，在四處貼應(yīng)變處最大的應(yīng)變?yōu)椋?=(PL2+M)/EW （式2-15）其中P=100N,M=PL/4

9、,而且=E (式2-16)取L2=150mm L=100mm b=30mm h=3mm H= 46mm 代入（式2-16）得=64.8MPa110MPa,滿足要求。用CAD繪得結(jié)構(gòu)圖如下： (3)應(yīng)變片的黏貼工藝在處理好底層的彈性元件上，劃好貼片的定位線，經(jīng)清洗和干燥后，在貼片處均勻地涂一層貼片膠，適當(dāng)時(shí)間后按給定的方位將應(yīng)變計(jì)準(zhǔn)確地放在粘貼部位上，而后在應(yīng)變計(jì)上蓋上一層氟塑料薄膜并用手指或小工具朝一個(gè)方向碾壓，擠出氣泡和過量的粘接劑，保證膠層薄而均勻。然后在上面放一塊硅橡膠并用夾具夾緊放入干燥箱進(jìn)行固化處理。貼片時(shí)膠層的厚度必須嚴(yán)加控制，片基和粘接劑膠層厚度對(duì)于減少蠕變有非常重要的影響，并也

10、使粘結(jié)強(qiáng)度增高，更能準(zhǔn)確地傳遞試件的應(yīng)變。在實(shí)際工藝過程中膠層的厚度還受到其它因素的限制，例如絕緣電阻，因而也下能無限制地薄，否則將降低其絕緣電阻造成傳感器性能不穩(wěn)定。貼片之后應(yīng)進(jìn)行初步檢查，檢查基底，蓋底有無損壞，敏感柵是否變形，貼片方位是否正確，有無斷路、短路，有無氣泡，有無局部未貼牢，貼片后電阻值變化不能太大(一般變化不大于±0.5)等。粘貼后的結(jié)構(gòu)如下：(4)總結(jié)與體會(huì)這次綜合課設(shè)，我吸取了上次單片機(jī)課設(shè)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，早日準(zhǔn)備，提前動(dòng)手，但卻還是做得狀況百出。由于我們選擇的是梁式結(jié)構(gòu)，而梁式結(jié)構(gòu)的尺寸計(jì)算老師的PPT上沒有點(diǎn)出來，書上也沒有，完全得靠我自己去查找資料，自己計(jì)算。

11、幸虧，我數(shù)學(xué)功底還算過得去，在得出一系列的公式之后，我用試湊法，先假設(shè)出一些尺寸，然后驗(yàn)證它是否滿足彈性元件的強(qiáng)度條件，幾次試湊之后，我得出了上述數(shù)據(jù)。這樣的計(jì)算量也不是很大，而且易于理解，我覺得是個(gè)不錯(cuò)的方法。對(duì)于我來說的另外一個(gè)難點(diǎn)就是工程力學(xué)的分析，大二時(shí)工程力學(xué)我就考了60多分，這次倒不失為一個(gè)絕佳的復(fù)習(xí)的機(jī)會(huì)。我翻閱了以前的課本，認(rèn)真復(fù)習(xí)了工程力學(xué)的材料力學(xué)部分，材料的剛度條件、強(qiáng)度條件、彎矩、撓度等篇章做了仔細(xì)回顧，終于分析清楚了為什么雙孔梁式結(jié)構(gòu)的輸出不隨載荷位置而變化。而這次課設(shè)于我來說最困難的一點(diǎn)就是CAD制圖，由于電腦系統(tǒng)的某些問題，CAD06、CAD07、CAD14等相關(guān)

12、軟件硬是裝不上，只能借用別人的電腦，這對(duì)我的情緒造成了很大的影響。于是，我便在別人的電腦上，靠著一本CAD06的教程用cad14畫出了上面這幅圖?？傊@次課設(shè)，不管結(jié)果如何，我覺得對(duì)我來說都是成功的，我明白了學(xué)而時(shí)習(xí)之的重要性，我明白了團(tuán)隊(duì)合作的必要性，我明白了虛心求教的價(jià)值，還有很多很多。在此，我要感謝我的兩位隊(duì)友張馳宇與張震，我要感謝兩位指導(dǎo)老師的辛苦工作，謝謝你們！三、恒壓源供電電路1.調(diào)理電路圖。 電橋的供電方式有兩種，即恒流源供電和恒壓源供電。采用恒流源，輸出與恒流源供給的電流大小和精度有關(guān)，但是電橋的輸出與溫度無關(guān)，可以消除溫度的影響。采用恒壓源，電橋的輸出與電源的大小和精度都有

13、關(guān)，與溫度也有關(guān)，且與溫度的關(guān)系是非線性的，不能消除溫度的影響。 我使用的是恒壓源供電，主要分為三部分。第一部分是差動(dòng)電橋，待測(cè)物也是在這一部分通過改變滑片位置改變輸出電壓值V1和V2。第二部分是測(cè)量放大電路，放大電路可以對(duì)傳感器的輸出阻抗進(jìn)行匹配，變換為低阻抗輸出，還可以放大傳感器的微弱信號(hào)，還能提高信噪比，提高靈敏度。第三部分是AD轉(zhuǎn)換電路。 這樣設(shè)計(jì)額的電路有以下特點(diǎn)：（1） 線性好；（2） 遲滯小；（3） 重復(fù)性好；（4） 零漂、蠕變??；（5） 測(cè)量結(jié)果與力的作用位置無關(guān)。2.調(diào)理電路分析。 采用5V恒壓源供電電橋部分可以通過R10調(diào)零，即當(dāng)無載荷時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)R10使傳感器輸出為零

14、。在電橋中加入R9和電位計(jì)R10。將R10分為和,假設(shè)并聯(lián)在R1、R3和R5、R7上的電阻分別為,則 當(dāng)最小（即，）時(shí)，最大，即當(dāng)最小（即，）時(shí)，最大，即由式（1-5）和（1-6）可見，R9的大小決定了平衡范圍，R9越小，調(diào)節(jié)的平衡范圍就越大。 三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的測(cè)量放大器由兩級(jí)組成，兩個(gè)對(duì)稱的同相放大器構(gòu)成第一級(jí)，第二級(jí)為差動(dòng)放大器減法器。若A1、A2、A3都是理想運(yùn)放，則所以測(cè)量放大器第一級(jí)的閉環(huán)放大倍數(shù)為整個(gè)放大器的輸出電壓為為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的影響，應(yīng)根據(jù)上下對(duì)稱的原則選擇電阻，若取，R15=R17，則輸出電壓為第二級(jí)的閉環(huán)放大倍數(shù)為若取R14=R15=R16=R17，則

15、，由式（2-7）可以看出，改變電阻RG的大小，可方便地調(diào)節(jié)放大器的增益。3心得體會(huì)。這次的綜合課設(shè)和以往的課設(shè)有很大的不同，它集成了大量過去所學(xué)的知識(shí)，包括電路、單片機(jī)、編程技術(shù)、傳感器設(shè)計(jì)、以及工程力學(xué)和測(cè)試技術(shù)等，所以這次課設(shè)是對(duì)我們學(xué)過知識(shí)的檢測(cè)。這次課設(shè)我的第一個(gè)收獲就是學(xué)會(huì)了使用protel這個(gè)軟件。以前我從來沒聽說過這個(gè)軟件，這幾天先是安裝，然后從百度上找到教程，對(duì)照著教程一點(diǎn)點(diǎn)的摸索著這個(gè)軟件，感覺自己熟悉的差不多了，看著課設(shè)的電路圖，一點(diǎn)點(diǎn)的搭建sch電路。我覺得這種學(xué)習(xí)的過程很重要，它讓我明白了知識(shí)從無到有，一步步學(xué)習(xí)的方式，這對(duì)我們一生都是很重要的。我的第二個(gè)收獲就是明白了

16、理論知識(shí)和實(shí)際運(yùn)用的關(guān)系。以前學(xué)習(xí)電路知識(shí)只是枯燥的記著公式，想著考試考多少分，這次課設(shè)讓我們覺得自己的所學(xué)是有實(shí)際作用的。我們像一個(gè)研究者一樣進(jìn)行電子稱的一步步開發(fā)，這種回憶終生難忘。還有一個(gè)收獲，通過這次課設(shè)，我們明白了處理復(fù)雜問題的一般方法。這次課設(shè)是一個(gè)大標(biāo)題，老師幫我們分為三部分，三人一組解決問題。而且每一部分也是比較復(fù)雜的，我把我的這一部分進(jìn)行拆分，分為設(shè)計(jì)電路，protel作圖，還有分析電路三部分，這樣一步步進(jìn)行，復(fù)雜的問題變簡(jiǎn)單了。一周的課設(shè)生活就這樣過去了，在這次課設(shè)中我得到了巨大的收獲，希望這種課設(shè)越來越多。同時(shí)也感謝我們小組的其他成員黃坤和張震，我們的團(tuán)結(jié)合作是成功的保障

17、！四、三、單片機(jī)仿真1.Proteus仿真圖。流程圖開始AD0808采樣數(shù)字低通濾波RS232傳數(shù)據(jù)到PCLED 顯示2.程序設(shè)計(jì)。LED_0 EQU 30H;存放三個(gè)數(shù)碼管的段碼LED_1 EQU 31HLED_2EQU 32HADC EQU 35H;存放AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)ST BIT P3.2OE BIT P3.0EOC BIT P3.1ORG 0000HLJMPMAINORG0030HMAIN:MOV LED_0,#00H ;給顯示賦初值0 MOV LED_1,#00HMOV LED_2,#00H SETB P3.4 SETB P3.5 CLR P3.6;選擇通道3WAIT: CLR ST

18、 SETB ST CLR ST;啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換 JNB EOC,$;等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 SETB OE;允許輸出 MOV ADC ,P1;暫存轉(zhuǎn)換結(jié)果 CLR OE;關(guān)閉輸出 LCALL BCD;調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序 LCALL LED;調(diào)用顯示程序，顯示轉(zhuǎn)換的值 SJMP WAITBCD:MOVA,ADC;將AD轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換成BCD碼MOV B,#85 ;255/85=3.00V DIV AB MOV LED_2,A;個(gè)位數(shù)字存入LED_2中 MOV A,B;余數(shù)大于19H，F(xiàn)0為1乘法溢出，結(jié)果加5 CLR F0 SUBB A,#1AH MOV F0,C MOV A, #10 MUL AB MOV

19、B,#85 DIV AB JB F0,LOOP2 ADD A,#5LOOP2:MOV LED_1,A;小數(shù)后的第一位存入LED_1中 MOV A,B CLR F0 SUBB A,#1AH MOV F0,C MOV A,#10 MUL AB MOV B,#51DIV AB JB F0,LOOP3 ADD A,#5LOOP3:MOV LED_0,A;小數(shù)后的第二位存入LED_0中 RETMOV R0,#35H ;電壓轉(zhuǎn)換成質(zhì)量MOV R1,#46H ;MOV 47H,#00H ;LK1: MOV A,R0 ;。MOV B,#0AH ; MUL AB;47H ADD A,47H;MOV B,#0AH

20、 ;DIV AB ;MOV 47H,A ;MOV A,B ;MOV R1,ADEC R0 ;移動(dòng)指針DEC R1CJNE R0,#2FH,LK1 ;判斷電壓是否轉(zhuǎn)換完全MOV A,47H ;MOV 42H,ACHG2: RETLED:MOVA,LED_0;數(shù)碼顯示子程序MOV DPTR,#TABLE ;送段碼表首地址 MOVC A,A+DPTR SETB P2.3;允許百位輸出，該數(shù)碼管為共陽(yáng)極形 MOV P0,A;將位段碼送給P0口 LCALL DELAY;調(diào)用延時(shí)程序 CLR P2.3;關(guān)閉百位顯示 MOV A,LED_1 MOV DPTR,#TABLE ;送段碼表首地址 MOVC A,A

21、+DPTR SETB P2.2;允許十位輸出，該數(shù)碼管為共陽(yáng)極形 MOV P0,A;將位段碼送給P0口 LCALL DELAY;調(diào)用延時(shí)程序 CLR P2.2;關(guān)閉十位顯示 MOV A,LED_2 MOV DPTR,#TABLE2 ;送段碼表首地址 MOVC A,A+DPTR SETB P2.1;允許個(gè)位輸出，該數(shù)碼管為共陽(yáng)極形 MOV P0,A;將位段碼送給P0口 LCALL DELAY ;調(diào)用延時(shí)程序 CLR P2.1;關(guān)閉個(gè)位顯示 RETDELAY:MOV R6,#2;延時(shí)1MS子程序D1: MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RETTABLE:DB 0C0

22、H,0F9H,0A4H,0B0H,99H DB 92H, 82H,0F8H, 80H,90H;共陽(yáng)極09十個(gè)段碼TABLE2:DB 40H,79H,24H,30H,19H,12H;帶小數(shù)點(diǎn)的05六個(gè)段碼 END<2>.限幅濾波 原理：由于單片機(jī)系統(tǒng)中存在隨機(jī)脈沖干擾，從而造成測(cè)量電壓信號(hào)的嚴(yán)重失真。對(duì)于這種隨機(jī)干擾，采用限幅濾波是一種簡(jiǎn)單而有效地基本方法。基本方法是把兩次相鄰時(shí)刻（n和n-1）的采樣值Yn和Yn-1相減，求出其差值，以絕對(duì)值表示，然后將這個(gè)差值與兩次采樣允許的最大偏差值Y比較，如果兩次采樣值的差值超過了允許的最大偏差值Y，則認(rèn)為發(fā)生了隨機(jī)干擾。開始取數(shù)據(jù)Yn-Yn-

23、1>a將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來程序：#define A 0.1 /A值可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整char data; /上一次的數(shù)據(jù)char filter_1()char datanew; /新數(shù)據(jù)變量datanew=get_data(); /獲得新數(shù)據(jù)/濾波算法if (datanew-data>A)|(data-datanew>A) return data;return datanew;<3>數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)RS232ORG 0000HAJMP MAIN、ORG 0023H AJMP RECEIVE ;跳轉(zhuǎn)到接收中斷入口 ORG 0030HMAIN: MOV TMOD,#20H ;T1