應(yīng)變傳感器及稱重系統(tǒng)傳感器課程設(shè)計

1、摘 要本文介紹一種以AT89S52單片機(jī)為核心，包括ADC0809類型轉(zhuǎn)換器的擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器的差壓測量系統(tǒng)。簡要介紹了擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器電路的工作原理以及A/D變換電路的工作原理，完成了整個實驗對于壓力的采樣和顯示。與其它類型傳感器相比，擴(kuò)散硅壓阻式電阻應(yīng)變式傳感器有以下特點：測量范圍廣，精度高，輸出特性的線性好，工作性能穩(wěn)定、可靠，能在惡劣的化境條件下工作。由于擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器具有以上優(yōu)點，所以它在測試技術(shù)中獲得十分廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵字：擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器，AT89S52單片機(jī)，ADC0809，數(shù)碼管目錄1.引言41.1 課題開發(fā)的背景和現(xiàn)狀41.2 課題開發(fā)的目的和意義

2、42.設(shè)計方案52.1設(shè)計要求52.2設(shè)計思路53.硬件設(shè)計63.1電路總框圖63.2傳感器電路模塊63.3 A/D變換電路模塊83.4硬件電路連線94.軟件設(shè)計114.1程序設(shè)計語言的選用114.2軟件程序的設(shè)計115.實驗實物圖136小結(jié)17參考文獻(xiàn)18附錄191.引言1.1 課題開發(fā)的背景和現(xiàn)狀傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測量的信息，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的的器件或裝置，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路三部分組成。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，其應(yīng)用的數(shù)量和質(zhì)量已被國際社會作為為衡量一個國家智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的重要標(biāo)志。利用傳感器與檢測技術(shù)實驗室已有的應(yīng)變式稱重

3、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。1.2 課題開發(fā)的目的和意義日常生活和生產(chǎn)中，我們常常想了解溫度、流量、壓力、位移、角度等一系列參數(shù)，壓力傳感器技術(shù)在諸多領(lǐng)域中相對而言最為成熟。根據(jù)工作原理的不同，壓力傳感器通?？梢苑譃闄C(jī)械膜片、硅膜片電容性、壓電性、應(yīng)變性、光纖、霍爾效應(yīng)、壓阻式壓力傳感器等。壓阻式傳感器又包括擴(kuò)

4、散硅型和應(yīng)變片型傳感器，擴(kuò)散硅壓阻式傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、可微型化、輸出信號大、精度高、分辨率高、頻響高、低功耗、體積小、工作可靠等突出特點而在壓阻式壓力傳感器市場中占據(jù)更大的份額。2.設(shè)計方案2.1設(shè)計要求1了解應(yīng)變橋的工作原理；2掌握應(yīng)變橋的調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換；3了解非線性特性和其校正方式； 4使用單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換值并顯示。2.2設(shè)計思路本設(shè)計中采用的處理器是AT89C51單片機(jī)，由此可采用面向MCS-51的程序設(shè)計語言，包括ASM51匯編語言和C51高級語言，這兩種語言各有特點。 匯編語言是一種用文字助記符來表示機(jī)器指令的符號語言，是最接近機(jī)器碼的一種語言。其主要優(yōu)點是占用資源少、程序執(zhí)

5、行效率高。但是不同的CPU，其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。 如果對單片機(jī)C語言有興趣，C語言是一種結(jié)構(gòu)化的高級語言。其優(yōu)點是執(zhí)行效率沒有匯編高。 匯編語言是一種用文字助記符來表示機(jī)器指令的符號語言，是最接近機(jī)器碼的一種語言。其主要優(yōu)點是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU，其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。 而C語言是一種編譯型程序設(shè)計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，它支持當(dāng)前程序設(shè)計中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計

6、技術(shù)。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計方法提供了有力的保障。因此，使用C語言進(jìn)行程序設(shè)計已成為軟件開發(fā)的一個主流。用C語言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。 綜上所述，用單片機(jī)C語言程序設(shè)計是單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢。所以作為一個技術(shù)全面并涉足較大規(guī)模的軟件系統(tǒng)開發(fā)的單片機(jī)開發(fā)人員最好能夠掌握基本的C語言編程。3.硬件設(shè)計3.1電路總框圖該應(yīng)變傳感器及稱重系統(tǒng)實驗，采用金屬絲鉑片壓力傳感器，輸出信號通過AD轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過89C51芯片，在LED數(shù)

7、碼管顯示所要的結(jié)果。總的電路構(gòu)建框圖如下。壓力采集信號調(diào)理AT89C51A/D轉(zhuǎn)換顯示電源圖3.1基于MCS-51單片機(jī)為核心壓力傳感器實驗構(gòu)建框圖表3-1元器件清單名稱型號數(shù)量單片機(jī)AT89S521交流、全橋、測量、差動、放大實驗?zāi)K1金屬絲鉑片式壓力傳感器實驗?zāi)K1模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC08091導(dǎo)線若干3.2傳感器電路模塊 金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時，其電阻值會發(fā)生變化，這就是金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬的電阻表達(dá)式為： （1） 當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時，將伸長，橫截面積相應(yīng)減小，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變，故引起電阻值變化。對式（1）全微分，并用相對變化量來表示，則有： （2

8、） 式中的為電阻絲的軸向應(yīng)變，用表示，常用單位（1=1×）。若徑向應(yīng)變?yōu)椋娮杞z的縱向伸長和橫向收縮的關(guān)系用泊松比表示為，因為=2（），則（2）式可以寫成： （3）式（3）為“應(yīng)變效應(yīng)”的表達(dá)式。稱金屬電阻的靈敏系數(shù)，從式（3）可見，受兩個因素影響，一個是（1+），它是材料的幾何尺寸變化引起的，另一個是，是材料的電阻率隨應(yīng)變引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）。對于金屬材料而言，以前者為主，則，對半導(dǎo)體，值主要是由電阻率相對變化所決定。實驗也表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與軸向應(yīng)變成比例。通常金屬絲的靈敏系數(shù)=2左右。用應(yīng)變片測量受力時，將應(yīng)變片粘貼于被測對象表面上。在外力作用下，被

9、測對象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形時，應(yīng)變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓或電流的變化，根據(jù)（3）式，可以得到被測對象的應(yīng)變值，而根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系： （4）式中 測試的應(yīng)力； E材料彈性模量?？梢詼y得應(yīng)力值。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，因此可以用應(yīng)變片測量上述各量，從而做成各種應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變片可分為金屬絲式應(yīng)變片，金屬箔式應(yīng)變片，金屬薄膜應(yīng)變片。圖3.2金屬絲鉑片壓力傳感器3.3 A/D變換電路模塊 ADC芯片型號很多，在精度、速度和價格方面千差萬別、，較為常見的ADC主要有逐次逼近型、雙積分型和電壓頻率變換型三種。

10、這里我們選用逐次逼近型，即ADC0809。它由±5V電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼器和鎖存電路、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256電阻T型網(wǎng)絡(luò)和樹狀電子開關(guān)以及逐次逼近寄存器。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接接到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，ADC0809可對0V5V的雙極性模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ADC0809是28腳雙列直插式封裝，引腳圖如圖3-3 所示。各引腳功能說明如下：2-1 2-8：8位數(shù)字量輸出引腳，由最低引腳到最高引腳。IN0IN7:8路模擬量輸入引腳。：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（）

11、：參考電壓負(fù)端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。以上兩個信號用于啟動A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳。開始轉(zhuǎn)換時為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。OE：輸出允許控制端。用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時鐘信號輸入端。ADDA、ADDB、ADDC：地址輸入線。經(jīng)譯碼后可選通IN0IN7 8個通道的一個通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖3.3 ADC0809引腳圖 3.4硬件電路連線圖3.4 硬件電路圖硬件連線及原理：1號模板、14號模塊、砝碼200g，±15V電源、±5V電源、0-2V數(shù)顯表。 a、按實驗三全橋性能實驗的步驟， 14號模塊調(diào)零（旋W

12、5、W6，方法同單臂電橋?qū)嶒灒?。具體接線見圖2-1。b、將100g砝碼置于1號模塊的托盤上，調(diào)節(jié)電位器W3、W4使數(shù)顯表顯示為0.100V（2V檔測量）或-0.100V。c、拿去托盤上的砝碼，調(diào)節(jié)電位器W5、W6（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.000V。d、重復(fù)b、c步驟，一直到精確為止，這樣就把電壓量綱V改為重量綱g，就可以稱重。成為一臺原始的電子秤。e、把砝碼依次放在托盤上，填入下表3-4。表3-4重量（g）050100150200250電壓（mv）0501001512012504.軟件設(shè)計4.1程序設(shè)計語言的選用本設(shè)計中采用的處理器是AT89C51單片機(jī)，由此可采用面向MCS-51的程序設(shè)

13、計語言，包括ASM51匯編語言和C51高級語言，這兩種語言各有特點。 匯編語言是一種用文字助記符來表示機(jī)器指令的符號語言，是最接近機(jī)器碼的一種語言。其主要優(yōu)點是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU，其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。 如果對單片機(jī)C語言有興趣，C語言是一種結(jié)構(gòu)化的高級語言。其優(yōu)點是可讀性好，移植容易，是普遍使用的一種計算機(jī)語言。缺點是占用資源較多，執(zhí)行效率沒有匯編高。 匯編語言是一種用文字助記符來表示機(jī)器指令的符號語言，是最接近機(jī)器碼的一種語言。其主要優(yōu)點是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU，其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。 而C語言是一種編譯型程序

14、設(shè)計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，它支持當(dāng)前程序設(shè)計中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計技術(shù)。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計方法提供了有力的保障。因此，使用C語言進(jìn)行程序設(shè)計已成為軟件開發(fā)的一個主流。用C語言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。 綜上所述，用單片機(jī)C語言程序設(shè)計是單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢。所以作

15、為一個技術(shù)全面并涉足較大規(guī)模的軟件系統(tǒng)開發(fā)的單片機(jī)開發(fā)人員最好能夠掌握基本的C語言編程。4.2軟件程序的設(shè)計程序主要由主程序和子程序兩部分構(gòu)成。 主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化， A/D轉(zhuǎn)換，顯示數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)的初始化包括寄存器的初始化（控制寄存器、堆棧、中斷寄存器等），通信的初始化（串口的初始化，ADC0809的初始化，通信緩沖區(qū)的初始化），LED顯示的初始化，輸出端口的初始化，采集、累計數(shù)據(jù)的初始化。 應(yīng)變片壓力接受開 始0809A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理顯示結(jié) 束 圖3-2 程序流程圖如圖3-2流程圖所示：在金屬箔應(yīng)變片模塊上放若干砝碼，通過應(yīng)變片放大感應(yīng)電壓，將電壓值傳到0809的IN0口，通過模數(shù)

16、轉(zhuǎn)換，在89C51單片機(jī)中運行，輸出到led顯示屏上數(shù)字。5.實驗實物圖圖5-1（a）沒有砝碼前端顯示圖5-1（b）沒有砝碼后端顯示說明：如圖5-1所示，因為A/D轉(zhuǎn)換芯片的靈敏性，初始值電壓180mv，轉(zhuǎn)換值為0。所以在沒有放砝碼時，后端顯示為00。圖5-2（a）50g砝碼后端顯示圖5-2（b）50g砝碼前端顯示說明：如圖5-2所示，在放上一個50g的小砝碼的顯示，有0.003mv的誤差，完全在誤差范圍內(nèi)，屬于系統(tǒng)誤差。圖5-3（a）200g砝碼前端顯示圖5-3（b）200g砝碼后端顯示說明：如圖5-3所示，再放上兩個100g的砝碼在前端傳感器上，顯示的輸出。也有一點系統(tǒng)誤差。圖5-4任意重

17、量的顯示說明：如圖5-4所示，圖中操作者按壓金屬箔應(yīng)壓片，測得在范圍內(nèi)任意數(shù)值的顯示?？梢钥闯觯褍x器的敏感度及測量極值。6小結(jié)本次實訓(xùn)結(jié)束之后我對傳感器有了更進(jìn)一步的了解。對AT89C51單片機(jī)我們有了新的認(rèn)識，并且這次課設(shè)讓我們能更加熟練的應(yīng)用單片機(jī)。應(yīng)變片傳感器反應(yīng)不時很靈敏，所以在取數(shù)據(jù)的時候還要稍微等一會，而我做出來的電子稱精度也達(dá)到50mv/50g,這個精度已經(jīng)相當(dāng)好了，可以測出50g到2100g的重量變化。同時我在調(diào)試電路時發(fā)現(xiàn)一個問題就是，這次我做的系統(tǒng)結(jié)果會產(chǎn)生一定的漂移和可用的電壓只能到2.3V，A/D轉(zhuǎn)換的芯片可以承受5V，這就是電路中需要改進(jìn)的地方。在本周的實訓(xùn)，在基本

18、沒有接觸過的實驗儀器上，慢慢摸索出了這次實驗的過程，并且完成了它。 本次實訓(xùn)，有組員的齊心協(xié)力，有老師的提點才能順利的完成，我們組在這次實訓(xùn)中，認(rèn)真的做實訓(xùn)的要求，最終，把正確的結(jié)果展示在老師和其他人的面前，也是很有成就感的。這次課設(shè)增強(qiáng)了我們的動手能力和創(chuàng)新能力，通過這次課設(shè)我們學(xué)習(xí)到了很多東西，這對我們畢業(yè)以后是很有幫助的。參考文獻(xiàn)1 趙偉國,宋執(zhí)環(huán),黃震威,梁國偉. 基于熱膜探頭的新型氣體流量傳感器研究. 儀器儀表學(xué)報, 2009,30(5): 10731077. 2 趙開春,褚金奎,張 強(qiáng),王體昌.

19、0;新型仿生偏振測角傳感器及角度誤差補(bǔ)償算法. 宇航學(xué)報, 2009,30(2): 503508. 3 邊翠華,孫以材,潘國鋒. 一種新型氣敏傳感器測量裝置. 研究與開發(fā), 2009,04: 1417 4 魏利民,胡姝玲,張曉青,孟照魁,胡漢偉. 新型數(shù)字溫度傳感器的原理及應(yīng)用.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2009,9: 4346. 5 劉 顏. 新型電流生物傳感器的研制. 西南師范大學(xué), 2005

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