應(yīng)變傳感器及稱重系統(tǒng)傳感器課程設(shè)計(jì)

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(cè)量系統(tǒng)。簡(jiǎn)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(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)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(diǎn)：測(cè)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(diǎn)，所以它在測(cè)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(kāi)發(fā)的背景和現(xiàn)狀41.2 課題開(kāi)發(fā)的目的和意義

2、42.設(shè)計(jì)方案52.1設(shè)計(jì)要求52.2設(shè)計(jì)思路53.硬件設(shè)計(jì)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(jì)114.1程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的選用114.2軟件程序的設(shè)計(jì)115.實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖136小結(jié)17參考文獻(xiàn)18附錄191.引言1.1 課題開(kāi)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(cè)量的信息，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的的器件或裝置，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)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(guó)際社會(huì)作為為衡量一個(gè)國(guó)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(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室已有的應(yīng)變式稱重

3、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(guò)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(guò)同向門(mén)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。1.2 課題開(kāi)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(duì)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(jiǎn)單、可微型化、輸出信號(hào)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(diǎn)而在壓阻式壓力傳感器市場(chǎng)中占據(jù)更大的份額。2.設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)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(jì)思路本設(shè)計(jì)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(jì)語(yǔ)言，包括ASM51匯編語(yǔ)言和C51高級(jí)語(yǔ)言，這兩種語(yǔ)言各有特點(diǎn)。 匯編語(yǔ)言是一種用文字助記符來(lái)表示機(jī)器指令的符號(hào)語(yǔ)言，是最接近機(jī)器碼的一種語(yǔ)言。其主要優(yōu)點(diǎn)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(yǔ)言可能有所差異，所以不易移植。 如果對(duì)單片機(jī)C語(yǔ)言有興趣，C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化的高級(jí)語(yǔ)言。其優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行效率沒(méi)有匯編高。 匯編語(yǔ)言是一種用文字助記符來(lái)表示機(jī)器指令的符號(hào)語(yǔ)言，是最接近機(jī)器碼的一種語(yǔ)言。其主要優(yōu)點(diǎn)是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU，其匯編語(yǔ)言可能有所差異，所以不易移植。 而C語(yǔ)言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具備匯編語(yǔ)言的功能。C語(yǔ)言有功能豐富的庫(kù)函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它支持當(dāng)前程序設(shè)計(jì)中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)

6、技術(shù)。此外，C語(yǔ)言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開(kāi)發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法提供了有力的保障。因此，使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)已成為軟件開(kāi)發(fā)的一個(gè)主流。用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開(kāi)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(yǔ)言程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢(shì)。所以作為一個(gè)技術(shù)全面并涉足較大規(guī)模的軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)人員最好能夠掌握基本的C語(yǔ)言編程。3.硬件設(shè)計(jì)3.1電路總框圖該應(yīng)變傳感器及稱重系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，采用金屬絲鉑片壓力傳感器，輸出信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)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(hào)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(shí)驗(yàn)構(gòu)建框圖表3-1元器件清單名稱型號(hào)數(shù)量單片機(jī)AT89S521交流、全橋、測(cè)量、差動(dòng)、放大實(shí)驗(yàn)?zāi)K1金屬絲鉑片式壓力傳感器實(shí)驗(yàn)?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(shí)，其電阻值會(huì)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(shí)，將伸長(zhǎng)，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(duì)式（1）全微分，并用相對(duì)變化量來(lái)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(zhǎng)和橫向收縮的關(guān)系用泊松比表示為，因?yàn)?2（），則（2）式可以寫(xiě)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(jiàn)，受兩個(gè)因素影響，一個(gè)是（1+），它是材料的幾何尺寸變化引起的，另一個(gè)是，是材料的電阻率隨應(yīng)變引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）。對(duì)于金屬材料而言，以前者為主，則，對(duì)半導(dǎo)體，值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定。實(shí)驗(yàn)也表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)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(cè)量受力時(shí)，將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)對(duì)象表面上。在外力作用下，被

9、測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形時(shí)，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(guò)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(cè)對(duì)象的應(yīng)變值，而根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系： （4）式中 測(cè)試的應(yīng)力； E材料彈性模量?？梢詼y(cè)得應(yīng)力值。通過(guò)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(cè)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(hào)很多，在精度、速度和價(jià)格方面千差萬(wàn)別、，較為常見(jiàn)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(kāi)關(guān)，片內(nèi)具有多路開(kāi)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(shù)狀電子開(kāi)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(guò)適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，ADC0809可對(duì)0V5V的雙極性模擬信號(hào)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(shuō)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(dòng)信號(hào)輸入端。ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。以上兩個(gè)信號(hào)用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳。開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。OE：輸出允許控制端。用以打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。ADDA、ADDB、ADDC：地址輸入線。經(jīng)譯碼后可選通IN0IN7 8個(gè)通道的一個(gè)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(hào)模板、14號(hào)模塊、砝碼200g，±15V電源、±5V電源、0-2V數(shù)顯表。 a、按實(shí)驗(yàn)三全橋性能實(shí)驗(yàn)的步驟， 14號(hào)模塊調(diào)零（旋W

12、5、W6，方法同單臂電橋?qū)嶒?yàn)）。具體接線見(jiàn)圖2-1。b、將100g砝碼置于1號(hào)模塊的托盤(pán)上，調(diào)節(jié)電位器W3、W4使數(shù)顯表顯示為0.100V（2V檔測(cè)量）或-0.100V。c、拿去托盤(pán)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(tái)原始的電子秤。e、把砝碼依次放在托盤(pán)上，填入下表3-4。表3-4重量（g）050100150200250電壓（mv）0501001512012504.軟件設(shè)計(jì)4.1程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的選用本設(shè)計(jì)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(jì)語(yǔ)言，包括ASM51匯編語(yǔ)言和C51高級(jí)語(yǔ)言，這兩種語(yǔ)言各有特點(diǎn)。 匯編語(yǔ)言是一種用文字助記符來(lái)表示機(jī)器指令的符號(hào)語(yǔ)言，是最接近機(jī)器碼的一種語(yǔ)言。其主要優(yōu)點(diǎn)是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU，其匯編語(yǔ)言可能有所差異，所以不易移植。 如果對(duì)單片機(jī)C語(yǔ)言有興趣，C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化的高級(jí)語(yǔ)言。其優(yōu)點(diǎn)是可讀性好，移植容易，是普遍使用的一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。缺點(diǎn)是占用資源較多，執(zhí)行效率沒(méi)有匯編高。 匯編語(yǔ)言是一種用文字助記符來(lái)表示機(jī)器指令的符號(hào)語(yǔ)言，是最接近機(jī)器碼的一種語(yǔ)言。其主要優(yōu)點(diǎn)是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU，其匯編語(yǔ)言可能有所差異，所以不易移植。 而C語(yǔ)言是一種編譯型程序

14、設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具備匯編語(yǔ)言的功能。C語(yǔ)言有功能豐富的庫(kù)函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它支持當(dāng)前程序設(shè)計(jì)中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。此外，C語(yǔ)言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開(kāi)發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法提供了有力的保障。因此，使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)已成為軟件開(kāi)發(fā)的一個(gè)主流。用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開(kāi)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(yǔ)言程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢(shì)。所以作

15、為一個(gè)技術(shù)全面并涉足較大規(guī)模的軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)人員最好能夠掌握基本的C語(yǔ)言編程。4.2軟件程序的設(shè)計(jì)程序主要由主程序和子程序兩部分構(gòu)成。 主程序主要實(shí)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(jì)數(shù)據(jù)的初始化。 應(yīng)變片壓力接受開(kāi) 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(guò)應(yīng)變片放大感應(yīng)電壓，將電壓值傳到0809的IN0口，通過(guò)模數(shù)

16、轉(zhuǎn)換，在89C51單片機(jī)中運(yùn)行，輸出到led顯示屏上數(shù)字。5.實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖圖5-1（a）沒(méi)有砝碼前端顯示圖5-1（b）沒(méi)有砝碼后端顯示說(shuō)明：如圖5-1所示，因?yàn)锳/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(méi)有放砝碼時(shí)，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(shuō)明：如圖5-2所示，在放上一個(gè)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(shuō)明：如圖5-3所示，再放上兩個(gè)100g的砝碼在前端傳感器上，顯示的輸出。也有一點(diǎn)系統(tǒng)誤差。圖5-4任意重

17、量的顯示說(shuō)明：如圖5-4所示，圖中操作者按壓金屬箔應(yīng)壓片，測(cè)得在范圍內(nèi)任意數(shù)值的顯示。可以看出，已儀器的敏感度及測(cè)量極值。6小結(jié)本次實(shí)訓(xùn)結(jié)束之后我對(duì)傳感器有了更進(jìn)一步的了解。對(duì)AT89C51單片機(jī)我們有了新的認(rèn)識(shí)，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(shí)很靈敏，所以在取數(shù)據(jù)的時(shí)候還要稍微等一會(huì)，而我做出來(lái)的電子稱精度也達(dá)到50mv/50g,這個(gè)精度已經(jīng)相當(dāng)好了，可以測(cè)出50g到2100g的重量變化。同時(shí)我在調(diào)試電路時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題就是，這次我做的系統(tǒng)結(jié)果會(huì)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(shí)訓(xùn)，在基本

18、沒(méi)有接觸過(guò)的實(shí)驗(yàn)儀器上，慢慢摸索出了這次實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，并且完成了它。 本次實(shí)訓(xùn)，有組員的齊心協(xié)力，有老師的提點(diǎn)才能順利的完成，我們組在這次實(shí)訓(xùn)中，認(rèn)真的做實(shí)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(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，通過(guò)這次課設(shè)我們學(xué)習(xí)到了很多東西，這對(duì)我們畢業(yè)以后是很有幫助的。參考文獻(xiàn)1 趙偉國(guó),宋執(zhí)環(huán),黃震威,梁國(guó)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(bào), 2009,30(5): 10731077. 2 趙開(kāi)春,褚金奎,張 強(qiáng),王體昌.

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