電阻應(yīng)變片測重量

1、應(yīng)變片測量一、系統(tǒng)組成框圖電阻應(yīng)變式傳感器是應(yīng)用廣泛的傳感器之一。將電阻應(yīng)變片粘貼到各種彈性敏感元件上，可構(gòu)成測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)的電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠，易于實(shí)現(xiàn)測試過程自動化和多點(diǎn)同步測量、遠(yuǎn)距測量和遙測，靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量，可以測量多種物理量等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械、電力、化工、建筑等領(lǐng)域。本課題采用的是以8051系列的AT89C2051單片機(jī)為核心開發(fā)電阻應(yīng)變片重力測試的系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1-1：A/D轉(zhuǎn)換四位數(shù)碼管顯示電路電阻應(yīng)變式傳感器LM324集成運(yùn)算放大器圖2-1系統(tǒng)

2、框圖系統(tǒng)框圖如圖2-1所示，電阻應(yīng)變式傳感器采集到重力信號傳送給LM324集成運(yùn)算放大器， LM324集成運(yùn)算放大器是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號發(fā)給顯示電路顯示，顯示電路是由四位獨(dú)立數(shù)碼管組成。二、電阻應(yīng)變片重力測試原理電阻應(yīng)變片簡介：電阻應(yīng)變片作為傳感元件，將其牢固地粘貼在構(gòu)件的測點(diǎn)上，構(gòu)件受力后由于測點(diǎn)發(fā)生應(yīng)變，應(yīng)變片也隨之變形而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變片，其工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片的測量原理為：金屬絲的電阻值除了與

3、材料的性質(zhì)有關(guān)之外，還與金屬絲的長度，橫截面積有關(guān)。將金屬絲粘貼在構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力變形時，金屬絲長度和橫截面積也隨著構(gòu)件一起變化，進(jìn)而發(fā)生電阻變化。dR/R=Ks*其中，Ks為材料的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變的電阻變化率，標(biāo)志著該類絲材電阻應(yīng)變片效應(yīng)顯著與否。為測點(diǎn)處應(yīng)變，為無量綱的量，但習(xí)慣上仍給以單位微應(yīng)變，常用符號表示。由此可知，金屬絲在產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)時，應(yīng)變與電阻變化率dR/R成線性關(guān)系，這就是利用金屬應(yīng)變片來測量構(gòu)件應(yīng)變的理論基礎(chǔ)。三、電阻應(yīng)變式傳感器重力測試系統(tǒng)的單元電路介紹1、電阻應(yīng)變式傳感器的介紹、結(jié)構(gòu)和類型電阻應(yīng)變式傳感器（straingauge type transdu

4、cer ）以電阻應(yīng)變計為轉(zhuǎn)換元件的電阻式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計一起變形。電阻應(yīng)變計再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。圖3-1 電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)1-基底;2-敏感柵;3-覆蓋層;4-引線輸出電壓Uo應(yīng)變功率信號等強(qiáng)度梁半導(dǎo)體應(yīng)變片電橋放大及V/F電路供電電源單片機(jī)顯示單元 圖1. 基于應(yīng)變式稱重傳感器的電子秤系統(tǒng)框圖 重力2、電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路常規(guī)的電阻應(yīng)變片K值很小，約為2，機(jī)械應(yīng)

5、變度約為0.00010.001.所以,電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍為0.00050.1歐姆，所以測量電路應(yīng)當(dāng)能精確測量出很小的電阻變化，在電阻應(yīng)變片傳感器中做常用的是橋式測量電路。橋式測量電路有四個電阻，其中任何一個都可以是電阻應(yīng)變片電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓U，另一個對角線為輸出電壓U0，。起特點(diǎn)是：當(dāng)四個橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計來測量，所以電橋能夠精確的測量微小的電阻變化。電路圖如下圖所示：其中R1=R2=R3=R4=3503、A/D轉(zhuǎn)化器(ADC0809)A/D0809是一個帶有8路=位A/D轉(zhuǎn)換器，8路多路開關(guān)以及微處理兼容的控制邏

6、輯CMOS組件。ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu):引腳結(jié)構(gòu):4、ADC0809應(yīng)用說明1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與8051直接相連。2）初始化時，使ST和OE信號全為低電平。3）送要轉(zhuǎn)換的哪一個通道的地址到A,B,C端口上。4）在ST端給出一個至少有100ms寬的正脈沖信號。5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)被輸出給單片機(jī)。四、電阻應(yīng)變式電子稱電路設(shè)計1、供電電源設(shè)計 稱重傳感器的電源是由2個OP-07和互補(bǔ)對管Q1與Q2組成稱重傳感器的第二級穩(wěn)壓電源，如圖所示。這一級起到高精度穩(wěn)壓作用，其原理：（1）15V的三端穩(wěn)

7、壓集成電路作為預(yù)穩(wěn)壓電源。(2)選用低溫漂特性的運(yùn)放OP-07，以降低運(yùn)放受溫度影響所產(chǎn)生的溫漂。（3）從圖可見，兩個運(yùn)放的輸入端均接于精密電壓基準(zhǔn)源MC1403的輸出端上而被鉗位，可以認(rèn)為輸出電壓的誤差不會來自輸入端。（4）Q1與Q2是一對互補(bǔ)對管，的負(fù)反饋電路分別通過這對互補(bǔ)管的發(fā)射極。當(dāng)溫度上升時，的輸出電壓上升，Q1的上升，上升。但是得輸出電壓也隨之上升，導(dǎo)致Q2的電壓下降，增大，使下降，維持了動態(tài)平衡；反之亦然。（5）由于正負(fù)三端穩(wěn)壓電源的作用，以及由和組成的對稱電源結(jié)構(gòu)，稱重傳感器電橋在無負(fù)載時。并且由于高阻抗使電橋產(chǎn)生浮地效果，完全免除地線帶來的干擾。綜上述處理是傳感器電橋電壓達(dá)

8、到十分穩(wěn)定的效果，如果電橋的四臂應(yīng)變片的阻值相等，由于受到壓力使電橋?qū)Ρ圩柚低瑫r增大和減小，則電橋電壓的精度將直接傳遞到電橋輸出端。 圖4.運(yùn)算放大電路 2、稱重傳感器調(diào)零電路圖2.中標(biāo)ABCD部分是稱重傳感器全橋電路。電橋輸出端對角線上接一個10電位器，滑動端通過100電阻接與電橋電源負(fù)端。這是為了客服制造工藝不完全對稱性而設(shè)計的，同時兼做去皮重電路。調(diào)節(jié)可使電位差等于10V，的輸出范圍為0-15mV。3、放大電路放大電路是由四個ICL7650組成差分輸入單端輸出的專用儀表放大電路。放大電路主要特點(diǎn)是：（1）采用ICL7650斬波自溫零高精度放大器，能比較好的抑制共模電壓干擾。（2）雙端輸入

9、分別進(jìn)入測量放大器的同相端，所以輸入阻抗大，能克服電橋傳感器輸出阻抗低的特點(diǎn)。（3）極低的溫漂系數(shù)。（4）加一級低通有源濾波器以濾除由于放大器ICL7650內(nèi)時鐘斬波頻率引起的尖峰脈沖干擾。調(diào)整使放大倍數(shù)為： （10） 圖5.放大電路4、V/F轉(zhuǎn)換電路V/F控制的原理是產(chǎn)生一個震蕩頻率的電路叫做壓控震蕩器，是一個壓敏電容，當(dāng)受到一個變化的電壓時候它的容量會變化，變化的電容引起震蕩頻率的變化，產(chǎn)生變頻。LM331是性能價格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器及其他相關(guān)器件。LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到4.

10、0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬，可達(dá)100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01，工作頻率低到0.1Hz時尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。本系統(tǒng)采用電壓/頻率轉(zhuǎn)換器LM331。其特點(diǎn)是：體積小，精度高，價格低，串行輸出，占用CPU的I/O線少。其最突出的不足之處是轉(zhuǎn)換速度慢。以下是LM331一些主要技術(shù)指標(biāo)：（1） 最大線性度 0.01%，（2）滿量程頻率范圍 1HZ100KHZ 圖6 LM331的簡化功能框圖 工作原理： 圖6為電壓/頻率轉(zhuǎn)換器LM331的

11、簡化功能框圖。內(nèi)能隙基準(zhǔn)電路產(chǎn)生1.9V直流電壓,送到2腳,外接RS形成基準(zhǔn)電流I= 1.9/RS。（I=50500uA）。 輸入電壓Vin送比較器，引腳6通常與1腳連接，當(dāng)K合上后流過恒電流在RL上產(chǎn)生壓降VX作為閾值電壓。在單脈沖定時器上設(shè)有定時比較器，一個輸入端恒接2/3VCC作為參考電壓，另一個輸入端接引腳5。V5>2/3VCC單脈沖定時器內(nèi)部的RS觸發(fā)器產(chǎn)生復(fù)位信號使K斷開,又迫使驅(qū)動晶體管截止。復(fù)位后使引腳5與地短接，電容C1上的電荷釋放，電壓下降。使V5<2/3VCC,這個單脈沖定時器的定時周期為：t = 1.1R1C1。輸入電壓Vin送比較器與VX進(jìn)行比較.因?yàn)镵合

12、之前VcL=0,則Vin>VX, 輸入比較器使RS觸發(fā)器產(chǎn)生啟動信號使K閉合, 基準(zhǔn)電流向CL充電。使VX上升，直至VX>Vin。 輸入比較器翻轉(zhuǎn), 迫使單脈沖定時器產(chǎn)生復(fù)位信號使K斷開, CL向RL放電,使VX<Vin。然后輸入比較器再次啟動定時器，開始下一次循環(huán)。波形分析：單脈沖定時器內(nèi)部的RS觸發(fā)器產(chǎn)生復(fù)位信號使K斷開,又迫使驅(qū)動晶體管截止，使V3為高點(diǎn)平，VX<Vin?；鶞?zhǔn)電流向CL充電。使VX上升，直至VX>Vin。此時驅(qū)動晶體管導(dǎo)通。從波形圖看，VX>Vin后，要關(guān)閉K是發(fā)生在V5>2/3VCC時刻，而使驅(qū)動晶體管截止是在VX<Vin

13、時刻。對CL充電平均電流： IAVE = i*t*Fout ，CL對RL放電電流 VX/RL=Vin/RL。 顯然，LM331工作時：充電平均電流=放電電流 : (11) 圖7 LM331的工作波形圖8.V/F轉(zhuǎn)換電路圖當(dāng)前，12位以上的A/D轉(zhuǎn)換器的價格仍較昂貴，用V/F變換器來代替A/D轉(zhuǎn)換器，在要求速度不太高的場合是一種較好的選擇。從傳感器來的毫伏級的電壓信號經(jīng)低溫漂運(yùn)算放大器INA126放大到010V后加到V/F變換器LM331的輸入端，從頻率輸出端fo輸出的頻率信號加到單片機(jī)的輸入端T1上。根據(jù)分辨率的要求利用軟件處理，最后得到A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。所以我們決定采用LM331芯片V/F轉(zhuǎn)

14、換作為信號轉(zhuǎn)換的方案。5、單片機(jī)電路（a）AT89C52簡介圖9.AT89C52芯片引腳圖芯片功能介紹及設(shè)計：AT89C52是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。此外，AT89C52設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM

15、，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止（b）引腳說明VCC：供電電壓。     GND：接地。     P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。   

16、60; P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。      P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲

17、器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。  P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C52的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2

18、60;/INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率

19、的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。  EA/VPP：當(dāng)EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加

20、密方式1時，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。   XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。（c）單片機(jī)原理圖如圖所示，為單片機(jī)芯片AT89C52工作于11.0592MHZ時鐘，它的P3.5腳（定時/計數(shù)器1的外部脈沖輸入端）和頻率信號相連，對脈沖序列計數(shù)，以獲取頻率信息，從而轉(zhuǎn)換為重量值。的P0口和P2口是數(shù)碼管顯示電路的接口。其中P0口為4位位碼，P2口提供4位段碼（4位7段數(shù)碼顯示）。 圖10.單片機(jī)的設(shè)計電路（d）輸出顯示1

21、.）輸出顯示電路圖：圖11 顯示電路2）程序#include "reg52.h"/包含頭文件#include "math.h"sbit wei0=P00;/位定義sbit wei1=P01;圖12 V/F信號讀取及處理程序sbit wei2=P02;sbit wei3=P03;sbit cs_VF=P37;sbit rd_ VF =P36;sbit wr_ VF =P35;sbit le_573=P34;#define uint unsigned int/宏定義#define ulong unsigned long#define uchar unsign

22、ed charuchar code shuma=/碼表0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0x8e,0xc1,0xc7,0xc7;ulong xielv=4975;/定義全局變量ulong zhong=0;void init()/初始化函數(shù)le_573=0;wei0=0;wei1=0;wei2=0;wei3=0;void delay_ms(unsigned int a)/延時函數(shù) unsigned int b;unsigned int c;for(b=0;b<a;b+)for(c=0;c<112;c+);void display(ulong shuvf)/顯示函數(shù)uchar qian,bai,shi,ge,i;qian = (shuvf/1000000)%10;bai = (shuvf/100000)%10;shi = (shuvf/10000)%10;ge = (shuvf/1000)%10;if(shuvf>1010000)for(i=0;i<80;i+)P2=shuma16;/顯示千位wei3=1;delay_ms(3);P2=0xff;wei