應(yīng)變式稱重系統(tǒng)論文(傳感器)

1、傳感器實(shí)訓(xùn)報(bào)告應(yīng)變式稱重系統(tǒng) 傳感器綜合實(shí)訓(xùn)論文文 學(xué)院名稱： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 09電氣 1W 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2012年3月第 14 頁 共 16 頁目錄1概述 -11.1 引言 -11.2 采用應(yīng)變片稱重的基本原理 -11.3 組成及框圖 -12 硬件電路設(shè)計(jì) -22.1 應(yīng)變電橋電路 -22.2 儀表放大器電路 -32.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 -52.4 顯示電路 -63 軟件設(shè)計(jì) -73.1 程序流程圖 -73.2 源程序清單 -74 系統(tǒng)調(diào)試與分析 -94.1 硬件調(diào)試 -94.2 軟件調(diào)試 -104.3 綜合調(diào)試 -104.4

2、故障分析與解決方案 -105 功能測(cè)試及結(jié)果分析 -115.1 測(cè)試儀器 -115.2 測(cè)試結(jié)果與分析 -116 體會(huì)與建議 -11 參考文獻(xiàn) -12附 錄 -131概 述1.1.前 言在日常生活中，電子稱的應(yīng)用十分廣泛，平時(shí)在見到電子稱的時(shí)候我就會(huì)想，這東西到底是怎么實(shí)現(xiàn)稱重的呢？傳統(tǒng)的機(jī)械 稱在稱重的時(shí)候由于人為因素，誤差很大。在學(xué)完傳感器之后，我對(duì)應(yīng)變片這一塊很感興趣，同時(shí)也了解到用于電子秤的稱重傳感器的壓縮量通常可以忽略不計(jì)，可以安裝在工業(yè)過程設(shè)備中。在這一次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于單片機(jī)控制的電子稱可以說是精度高，智能化程度高，可以在實(shí)踐生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。1.2.應(yīng)變稱重系統(tǒng)基本原理利用傳感器

3、與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室已有的應(yīng)變式稱重臺(tái)，將四片應(yīng)變片此采用全橋形式接入測(cè)量電路，經(jīng)過運(yùn)放OP07組成儀表放大器放大，再由串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC549進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機(jī)At89C51，通過同向門7407驅(qū)動(dòng)四位數(shù)碼管顯示。儀表放大器的輸出需經(jīng)采集卡采集，經(jīng)CSY9.0虛擬儀器軟件分析，得到較好的線性度和靈敏度后，再送入AD芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。1.3.組成及框圖圖1 系統(tǒng)框圖2硬件電路設(shè)計(jì)2.1 應(yīng)變電橋電路電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上時(shí)，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過

4、轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電量輸出，電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。其主要缺點(diǎn)是輸出信號(hào)小、線性范圍窄，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。但由于應(yīng)變片的體積小，商品化的應(yīng)變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計(jì)彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器在測(cè)量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)中仍有非常廣泛的應(yīng)用。應(yīng)變片是最常用的測(cè)力傳感元件。當(dāng)用應(yīng)變片測(cè)試時(shí)，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測(cè)試體表面，測(cè)件受力發(fā)生形變，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測(cè)量電路，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出顯示。當(dāng)具有初始電阻值R的應(yīng)變片粘貼于試件表面時(shí)，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵

5、，使其產(chǎn)生電阻相對(duì)變化。在一定應(yīng)變范圍內(nèi)與的關(guān)系滿足下式： 式中，為應(yīng)變片的軸向應(yīng)變。 定義為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測(cè)試件上的應(yīng)變?cè)谄漭S向受到單向應(yīng)力時(shí)，引起的電阻相對(duì)變化與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變之比。 電阻應(yīng)變片計(jì)把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成后，應(yīng)變電阻變化一般都很微小，例如傳感器的應(yīng)變片電阻值120，靈敏系數(shù)K=2，彈性體在額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變1000，應(yīng)變電阻相對(duì)變化量為：可以看出電阻變化只有120*0.002=0.24，其電阻變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化既難以直接精確測(cè)量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變片計(jì)的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。通常采用惠斯登電

6、橋電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖2所示，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。圖2 全橋電路在接入四片應(yīng)變片時(shí)，需滿足以下條件：相鄰橋臂應(yīng)變片應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)相反，相對(duì)橋臂應(yīng)變片應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)相同。可簡(jiǎn)稱為：“相鄰相反，相對(duì)相同”。 此時(shí) 全橋差動(dòng)電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度是圖2全橋電路為單片工作時(shí)的4倍，同時(shí)具有溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)E和電阻相對(duì)變化一定時(shí)，電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無關(guān)。2.2儀表放大器電路2.2.1儀表放大器工作原理由于傳感器的輸出信號(hào)往往較小，必須經(jīng)過放大電路進(jìn)行調(diào)理放大，再進(jìn)行測(cè)量。常用

7、的放大電路可以由單運(yùn)放放大器、雙運(yùn)放放大器、三運(yùn)放放大器或直接由集成儀表放大器（如AD620、AD623）等構(gòu)成。下面以三運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器為例說明儀表放大器的工作原理及性能指標(biāo)，運(yùn)算放大器選擇高精度運(yùn)放OP07。圖3 OP07管腳功能圖2.2.3儀表放大器工作電路圖4、圖5是壓力傳感器的測(cè)量電路，并在Multisim10.1仿真軟件仿真測(cè)試（見附錄一），由兩個(gè)部分組成。前一部分是采用三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器，后面的放大器將儀表放大器的輸出電壓進(jìn)一步放大。R8是電橋的調(diào)零電阻，R17是整個(gè)放大電路的調(diào)零電阻，R8，R19調(diào)整運(yùn)放增益。儀表放大器因?yàn)檩斎胱杩垢?，共模抑制能力好而作為電橋的接口?/p>

8、路。其增益可用下式表示：反相放大器部分的增益可用下式表示：圖1 儀表放大器圖2 反向放大器2.3.A/D轉(zhuǎn)換電路一般電子秤的A/D轉(zhuǎn)換精度越高越好，A/D精度越高，電子秤的靈敏度越高。但12位的A/D芯片價(jià)格比較貴，考慮到實(shí)驗(yàn)室條件，本次設(shè)計(jì)采用8位串行A/D芯片TLC549。TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器通過SDO、SCLK、CS三條口線進(jìn)行串行接口 "具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長17微秒。允許的最高轉(zhuǎn)換速率為40000次/秒。總失調(diào)誤差最大為±0.5LSB（最低有效位）。可用于較小信號(hào)的采樣。與A

9、T89C51的具體連接線路如圖6所示。REF+接5V電源，REF-接地， TLC549的AIN引腳接儀表放大器的輸出端。SDO、CS 、SCLK分別接AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2 引腳。圖3 TLC549電路連接TLC549在讀出前一次數(shù)據(jù)后，馬上進(jìn)行電壓采樣，ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完后就進(jìn)入HOLD模式，直到再次讀取數(shù)據(jù)時(shí)，芯片才會(huì)進(jìn)行下一次A/D轉(zhuǎn)換。也就是說，本次讀出的數(shù)據(jù)是前一次轉(zhuǎn)換的值，讀操作后就會(huì)再啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換，一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間最長為17uS。2.4.顯示電路采用4個(gè)共陰數(shù)碼管，以動(dòng)態(tài)掃描方式顯示電壓值，如下圖示。圖4 顯示電路3.軟件設(shè)計(jì)3.1程序流程圖3.2 源程序

10、清單 #include<reg51.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define datapoint P0 #define bitpoint P2uchar code word=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x27,0x7f,0x6f;uchar code bitword=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;sbit SCLK=P12;sbit SDO=P10;sbit CS=P11;uchar BCD4;u

11、int ADSS;uchar ADS20;void delayshort();void display();void TOBCD();void AD();void delay_50us(uint t);void main( ) uchar p; while(1) AD( ); TOBCD( ); for(p=0;p<100;p+) display(); void AD( ) uchar i,j; for(j=0;j<20;j+) CS=1; SCLK=0; _nop_(); _nop_(); CS=0; _nop_(); _nop_(); for(i=0;i<8;i+) SC

12、LK=1; _nop_(); _nop_(); ADSj=ADSj<<1; if(SDO=1) ADSj+; SCLK=0; CS=1; /禁止TLC549,再次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換 delay_50us(1); ADSS=0; for(i=0;i<20;i+) ADSS=ADSS+ADSi; ADSS=ADSS/20;void TOBCD() uint temp; temp=ADSS; temp=temp*5000.0/255; BCD0=temp%10; /最低位 BCD1=temp/10%10; BCD2=temp/100%10; BCD3=temp/1000; /最高位vo

13、id display() uchar i; bitpoint=0x00; for(i=0;i<4;i+) P0=wordBCDi; P2=bitwordi; delayshort(); void delayshort()uint i,j;for(i=6;i>0;i-)for(j=100;j>0;j-);void delay_50us(uint t)uchar j; for(;t>0;t-) for(j=19;j>0;j-) ;4.系統(tǒng)調(diào)試與分析4.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試是整個(gè)調(diào)試步驟中第一步，硬件電路的正確性，是其它各部分正常工作的先決條件。(1) 首先判斷購買的各

14、個(gè)元器件本身是否已經(jīng)損壞，再則根據(jù)電路原理圖仔細(xì)檢查元器件是否有組裝上的錯(cuò)誤，諸如極性電容、集成塊安裝方向錯(cuò)誤等。再利用萬用表檢測(cè)各個(gè)焊點(diǎn)是否存在虛焊等問題，并且按照原理圖一部分一部分的檢測(cè)，著重注意走線、接點(diǎn)之間是否存在相互間的短路、開路或接錯(cuò)等。(2) 根據(jù)圖10所示，應(yīng)變式傳感器已經(jīng)裝在傳感器試驗(yàn)臺(tái)上。傳感器中各應(yīng)變片上的R1、R2、R3、R4接線顏色分別為黃色、藍(lán)色、紅色、白色，可用萬用表測(cè)量同一種顏色的兩端判別，R1=R2=R3=R4=350。圖5 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖(3) 接入電源，撥通電源開關(guān)，將實(shí)驗(yàn)板調(diào)節(jié)增益電位器R8（參考圖7和圖8）順時(shí)針調(diào)節(jié)大致到中間位置，再進(jìn)行儀表放

15、大器調(diào)零，方法為將儀表放大器的正、負(fù)輸入端（在做板時(shí)要預(yù)留插孔）與地短接，調(diào)節(jié)電路板上調(diào)零電位器R17，輸出的電壓讀數(shù)為零，關(guān)閉電源。（注意：當(dāng)R8、R17的位置一旦確定，就不能改變）(4) 電路板上的R1、R2、R4和R5接入電橋，接成直流全橋。檢查接線無誤后，接通電源。調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器R3，使電路板的輸出電壓壓降為零。4.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試主要應(yīng)用Keil軟件進(jìn)行程序的調(diào)試，Keil軟件全面支持匯編語言，C51語言的編譯/連接、調(diào)試。(1) 顯示程序的調(diào)試：編寫顯示程序，在數(shù)碼管上顯示1，2，3，4或其它已知信息。當(dāng)數(shù)碼管能夠正常顯示則顯示程序及硬件部分正確。 (2) A/D轉(zhuǎn)換程序的

16、調(diào)試：參照TLC549的數(shù)據(jù)手冊(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)上的時(shí)序圖編寫程序，在TLC549的模擬輸入端輸入已知電壓，經(jīng)轉(zhuǎn)換在數(shù)碼管上顯示電壓值。4.3 綜合調(diào)試在完成了硬件和軟件調(diào)試工作以后，便可進(jìn)行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試一般采用全速斷點(diǎn)調(diào)試運(yùn)行方式，在這個(gè)階段的主要工作是排除系統(tǒng)中遺留的錯(cuò)誤以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和精度。4.4.故障分析與解決方案4.4.1 故障出現(xiàn)情況(1)在調(diào)節(jié)整個(gè)電路的調(diào)零電阻時(shí)，電路輸出電壓不發(fā)生變化；(2) 有一個(gè)芯片十分燙手。4.4.2 解決方案（針對(duì)上述故障一一對(duì)應(yīng)的解決方案）(1)在第一次測(cè)量電橋電阻式得到了正確的阻值，但在實(shí)驗(yàn)中無論怎么調(diào)節(jié)調(diào)零電阻，輸出電壓也不為零。

17、再次檢查時(shí)卻發(fā)現(xiàn)電橋紅線電阻阻值會(huì)發(fā)生微弱變化，推斷出紅線的接觸可能不好，通過萬用表測(cè)量后發(fā)現(xiàn)紅線時(shí)斷時(shí)續(xù)，可能在調(diào)解時(shí)式斷開的。焊接后的到想要的結(jié)果。(2)起初懷疑是焊接方面的問題，但和得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的板子對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)并沒有焊錯(cuò)。于是我測(cè)量了芯片引腳相應(yīng)的電壓，得到的也是正確值。后來在和同學(xué)調(diào)換一塊芯片后問題也得到了解決。5.功能測(cè)試及結(jié)果分析5.1 測(cè)試儀器 (1) 應(yīng)變式稱重臺(tái)(2) 直流穩(wěn)壓電源(3) 數(shù)字萬用表5.2 測(cè)試結(jié)果在托盤上放置一只砝碼，讀取電壓數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的電壓值。記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1中。表1 測(cè)試數(shù)據(jù)重量20406080100120140160180200220電壓19