應(yīng)變式稱重系統(tǒng)論文(傳感器)

1、應(yīng)變式稱重系統(tǒng) 傳感器綜合實訓論文文學院名稱： 電氣信息工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 09電氣1W姓 名：學 號：指導教師：2012年3月目錄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-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-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 故障分析與解決方案-105 功能測試及結(jié)果分析 -115.1 測試儀器 -11

2、5.2 測試結(jié)果與分析-116 體會與建議-11參考文獻 -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，平時在見到電子稱的時候我就會想，這東西到底是怎么實現(xiàn)稱重的呢？傳統(tǒng)的機械 稱在稱重的時候由于人為因素，誤差很大。在學完傳感器之后，我對應(yīng)變片這一塊很感興趣，同時也了解到用于電子秤的稱重傳感器的壓縮量通?？梢院雎圆挥?，可以安裝在工業(yè)過程設(shè)備中。在這一次設(shè)計的系統(tǒng)是基于單片機控制的電子稱可以說是精度高，智能化程度高，可以在實踐生產(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與檢測技術(shù)實驗室已有的應(yīng)變式稱重臺，將四片應(yīng)變片此采用全橋形式接入測量電路，經(jīng)過運放OP

3、07組成儀表放大器放大，再由串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC549進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機At89C51，通過同向門7407驅(qū)動四位數(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。當被測物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。其主要缺點是輸出信號小、線

4、性范圍窄，而且動態(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)計彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器在測量力、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)變片是最常用的測力傳感元件。當用應(yīng)變片測試時，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發(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。通過測量電路，轉(zhuǎn)換成電信號輸出顯示。當具有初始電阻值R的應(yīng)變片粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化。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

5、為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測試件上的應(yīng)變在其軸向受到單向應(yīng)力時，引起的電阻相對變化與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變之比。電阻應(yīng)變片計把機械應(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)變片計的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。通常采用惠斯登電橋電路實現(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，即兩個受拉應(yīng)變，兩個受壓應(yīng)變，將兩

6、個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路。圖2 全橋電路在接入四片應(yīng)變片時，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，相對橋臂應(yīng)變片應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)相同?？珊喎Q為：“相鄰相反，相對相同”。此時全橋差動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的4倍，同時具有溫度補償作用。當E和電阻相對變化一定時，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儀表放大器電路儀表放大器工作原理由于傳感器的輸出信號往往較小，必須經(jīng)過放大電路進行調(diào)理放大，再進行測量。常用的放大電路可以由單運放放大器、雙運放放大器、三運放放大器或直接由集成儀表放大器（如AD620、AD623）等

7、構(gòu)成。下面以三運放構(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，運算放大器選擇高精度運放OP07。圖3 OP07管腳功能圖儀表放大器工作電路圖4、圖5是壓力傳感器的測量電路，并在Multisim10.1仿真軟件仿真測試（見附錄一），由兩個部分組成。前一部分是采用三個運放構(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一步放大。R8是電橋的調(diào)零電阻，R17是整個放大電路的調(diào)零電阻，R8，R19調(diào)整運放增益。儀表放大器因為輸入阻抗高，共模抑制能力好而作為電橋的接口電路。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

8、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芯片價格比較貴，考慮到實驗室條件，本次設(shè)計采用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三條口線進行串行接口 "具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17微秒。允許的最高轉(zhuǎn)換速率為40000次/秒?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB（最低有效位）?？捎糜谳^小信號的采樣。與AT89C51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。S

9、DO、CS 、SCLK分別接AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2 引腳。圖3TLC549電路連接TLC549在讀出前一次數(shù)據(jù)后，馬上進行電壓采樣，ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完后就進入HOLD模式，直到再次讀取數(shù)據(jù)時，芯片才會進行下一次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，讀操作后就會再啟動一次轉(zhuǎn)換，一次轉(zhuǎn)換所用的時間最長為17uS。2.4.顯示電路采用4個共陰數(shù)碼管，以動態(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3.1程序流程圖3.2 源程序清單#include<reg51.h>#include <intrins.h>#define uch

10、ar 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;uint ADSS;uchar ADS20;void delayshort();void display();void TOBC

11、D();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+) SCLK=1; _nop_(); _nop_();ADSj=ADSj<<1;if(SDO=1)ADSj+;SCLK=0;CS=

12、1; /禁止TLC549,再次啟動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void display() uchar i; bitpoint=0x00; for(i=0;i<4;i+) P0=wordBCDi; P2=bi

13、twordi; 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) 首先判斷購買的各個元器件本身是否已經(jīng)損壞，再則根據(jù)電路原理圖仔細檢查元器件是否有組裝上的錯誤，諸如極性電容、集成塊安裝方向錯誤等。再利用萬用表檢測各個焊點是否存在虛

14、焊等問題，并且按照原理圖一部分一部分的檢測，著重注意走線、接點之間是否存在相互間的短路、開路或接錯等。(2) 根據(jù)圖10所示，應(yīng)變式傳感器已經(jīng)裝在傳感器試驗臺上。傳感器中各應(yīng)變片上的R1、R2、R3、R4接線顏色分別為黃色、藍色、紅色、白色，可用萬用表測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)，將實驗板調(diào)節(jié)增益電位器R8（參考圖7和圖8）順時針調(diào)節(jié)大致到中間位置，再進行儀表放大器調(diào)零，方法為將儀表放大器的正、負輸入端（在做板時要預(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R8

15、、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)換程序的調(diào)試：參照TLC549的數(shù)據(jù)手冊，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊上的時序圖編寫程序，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)

16、試在完成了硬件和軟件調(diào)試工作以后，便可進行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試一般采用全速斷點調(diào)試運行方式，在這個階段的主要工作是排除系統(tǒng)中遺留的錯誤以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度。4.4.故障分析與解決方案故障出現(xiàn)情況(1)在調(diào)節(jié)整個電路的調(diào)零電阻時，電路輸出電壓不發(fā)生變化；(2) 有一個芯片十分燙手。解決方案（針對上述故障一一對應(yīng)的解決方案）(1)在第一次測量電橋電阻式得到了正確的阻值，但在實驗中無論怎么調(diào)節(jié)調(diào)零電阻，輸出電壓也不為零。再次檢查時卻發(fā)現(xiàn)電橋紅線電阻阻值會發(fā)生微弱變化，推斷出紅線的接觸可能不好，通過萬用表測量后發(fā)現(xiàn)紅線時斷時續(xù)，可能在調(diào)解時式斷開的。焊接后的到想要的結(jié)果。(2)起初懷疑是焊接方面的問題，但和得出實驗結(jié)果的板子對比之后發(fā)現(xiàn)并沒有焊錯。于是我測量了芯片引腳相應(yīng)的電壓，得到的也是正確值。后來在和同學調(diào)換一塊芯片后問題也得到了解決。5.功能測試及結(jié)果分析5.1 測試儀器 (1) 應(yīng)變式稱重臺(2) 直流穩(wěn)壓電源(3) 數(shù)字萬用表5.2 測試結(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。記下實驗結(jié)果填入表1中。表1 測試數(shù)據(jù)重量20406080100120140160180200220電壓194324