应变传感器及称重系统传感器课程设计.doc

1 摘 要 本文介绍一种以 AT89S52单片机为核心，包括 ADC0809类型转换器的扩散硅压阻式 压力传感器的差压测量系统。简要介绍了扩散硅压阻式压力传感器电路的工作原理以 及 A/D 变换电路的工作原理，完成了整个实验对于压力的采样和显示。与其它类型传 感器相比，扩散硅压阻式电阻应变式传感器有以下特点：测量范围广，精度高，输出 特性的线性好，工作性能稳定、可靠，能在恶劣的化境条件下工作。由于扩散硅压阻 式压力传感器具有以上优点，所以它在测试技术中获得十分广泛的应用。 关键字：关键字：扩散硅压阻式压力传感器，AT89S52 单片机，ADC0809，数码管 2 目录目录 1.引言引言.4 1.1 课题开发的背景和现状.4 1.2 课题开发的目的和意义.4 2.2.设计方案设计方案.5 2.1 设计要求.5 2.2 设计思路.5 3.硬件设计硬件设计.6 3.1 电路总框图 .6 3.2 传感器电路模块 .6 3.3 A/D 变换电路模块 .8 3.4 硬件电路连线 .9 4.软件设计软件设计.11 4.1 程序设计语言的选用.11 4.2 软件程序的设计.11 5.实验实物图实验实物图.13 6小结小结.17 参考文献参考文献.18 附录附录.19 3 1.引言引言 1.1 课题开发的背景和现状 传感器是一种能够感受规定的被测量的信息，并按照一定规律转换成可用输出信 号的的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。传感器技术 是现代信息技术的三大支柱之一，其应用的数量和质量已被国际社会作为为衡量一个 国家智能化、数字化、网络化的重要标志。 利用传感器与检测技术实验室已有的应变式称重台，将四片应变片此采用全桥形 式接入测量电路，经过运放 OP07 组成仪表放大器放大，再由串行模数转换芯片 TLC549 进行 A/D 转换，转换结果送入单片机 At89C51，通过同向门 7407 驱动四位数码管显示。仪表放大器的输出需经采集卡采集，经 CSY9.0 虚拟仪器软 件分析，得到较好的线性度和灵敏度后，再送入 AD 芯片进行转换。 1.2 课题开发的目的和意义 日常生活和生产中，我们常常想了解温度、流量、压力、位移、角度等一系列参 数，压力传感器技术在诸多领域中相对而言最为成熟。根据工作原理的不同，压力传 感器通常可以分为机械膜片、硅膜片电容性、压电性、应变性、光纤、霍尔效应、压 阻式压力传感器等。压阻式传感器又包括扩散硅型和应变片型传感器，扩散硅压阻式 传感器由于具有结构简单、可微型化、输出信号大、精度高、分辨率高、频响高、低 功耗、体积小、工作可靠等突出特点而在压阻式压力传感器市场中占据更大的份额。 4 2.2.设计方案设计方案 2.1 设计要求 1了解应变桥的工作原理； 2掌握应变桥的调理电路和 AD 转换； 3了解非线性特性和其校正方式； 4使用单片机读取转换值并显示。 2.2 设计思路 本设计中采用的处理器是 AT89C51 单片机，由此可采用面向 MCS-51 的程序设计语 言，包括 ASM51 汇编语言和 C51 高级语言，这两种语言各有特点。 汇编语言是一种 用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。其主要优点 是占用资源少、程序执行效率高。但是不同的 CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不 易移植。 如果对单片机 C 语言有兴趣，C 语言是一种结构化的高级语言。其优点是执行效率 没有汇编高。 汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一 种语言。其主要优点是占用资源少、程序执行效率高。但是不同的 CPU，其汇编语言可 能有所差异，所以不易移植。 而 C 语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇 编语言的功能。C 语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移 植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C 语言是一种结构化程序设计语言，它支 持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C 语言程序具有完 善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。 因此，使用 C 语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用 C 语言来编写目标系 统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而 研制出规模更大、性能更完备的系统。 综上所述，用单片机 C 语言程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。所以作为 一个技术全面并涉足较大规模的软件系统开发的单片机开发人员最好能够掌握基本的 C 语言编程。 5 3.硬件设计硬件设计 3.1 电路总框图 该应变传感器及称重系统实验，采用金属丝铂片压力传感器，输出信号通过 AD 转 换器实现模拟到数字的转换，再经过 89C51 芯片，在 LED 数码管显示所要的结果。总 的电路构建框图如下。 压力采集压力采集信号调理信号调理AT89C51A/D 转换转换显示显示 电源电源 图图 3.13.1 基于基于 MCS-51MCS-51 单片机为核心压力传感器实验构建框图单片机为核心压力传感器实验构建框图 表 3-1 元器件清单 名称名称型号型号数量数量 单片机 AT89S521 交流、全桥、测量、 差动、放大实验模块 1 金属丝铂片式压力 传感器实验模块 1 模数转换 ADC08091 导线若干 3.2 传感器电路模块 6 金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻 应变效应。金属的电阻表达式为： l R S （1） 当金属电阻丝受到轴向拉力 F 作用时，将伸长 l ，横截面积相应减小 S ，电阻率 因晶格变化等因素的影响而改变 ，故引起电阻值变化 R 。对式（1）全微分，并用 相对变化量来表示，则有： RlS RlS （2） 式中的 l l 为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（1=1 6 10 mm mm ） 。 若径向应变为 r r ，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为 lr rl （） ，因为 S S =2（ r r ） ，则（2）式可以写成： 0 1212 Rlll k Rll lll （）（） （3） 式（3）为“应变效应”的表达式。 0 k 称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见， 0 k 受两个因素影响，一个是（1+ 2 ） ，它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是 （） ，是材料的电阻率 随应变引起的（称“压阻效应” ） 。对于金属材料而言，以 前者为主，则 21 0 k ，对半导体， 0 k 值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也 表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵 敏系数 0 k =2 左右。 用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对 象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通 过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变 值，而根据应力应变关系： E （4） 式中 测试的应力； E材料弹性模量。 可以测得应力值 。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物 理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电 阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。 7 图图 3.23.2 金属丝铂片压力传感器金属丝铂片压力传感器 3.3 A/D 变换电路模块 ADC 芯片型号很多，在精度、速度和价格方面千差万别、 ，较为常见的 ADC 主要有 逐次逼近型、双积分型和电压频率变换型三种。 这里我们选用逐次逼近型，即 ADC0809。它由5V 电源供电，片内带有锁存功能 的 8 路模拟多路开关，片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器、 稳定的比较器，256 电阻 T 型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。输出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809 可对 0V5V 的双极性模拟信号进行转换。ADC0809 是 28 脚双列直插式封装，引脚图如 图 3-3 所示。各引脚功能说明如下： 2-1 2-8：8 位数字量输出引脚，由最低引脚到最高引脚。 IN0IN7:8 路模拟量输入引脚。 CC V ：+5V 工作电压。 GND：地。 REF（+）：参考电压正端。 REF（）：参考电压负端。 START：A/D 转换启动信号输入端。 ALE：地址锁存允许信号输入端。以上两个信号用于启动 A/D 转换。 EOC：转换结束信号输出引脚。开始转换时为低电平，转换结束时为高电平。 OE：输出允许控制端。用以打开三态数据输出锁存器。 CLK：时钟信号输入端。 ADDA、ADDB、ADDC：地址输入线。经译码后可选通 IN0IN7 8 个通道的一个通道 进行转换。 8 图图 3.33.3 ADC0809ADC0809 引脚图引脚图 3.4 硬件电路连线 图图 3.43.4 硬件电路图硬件电路图 硬件连线及原理： 1 号模板、14 号模块、砝码 200g，15V 电源、5V 电源、0-2V 数显表。 a、按实验三全桥性能实验的步骤， 14 号模块调零（旋 W5、W6，方法同单臂 电桥实验） 。具体接线见图 2-1。 b、将 100g 砝码置于 1 号模块的托盘上，调节电位器 W3、W4 使数显表显示为 0.100V（2V 档测量）或-0.100V。 c、拿去托盘上的砝码，调节电位器 W5、W6（零位调节）使数显表显示为 0.000V。 9 d、重复 b、c 步骤，一直到精确为止，这样就把电压量纲 V 改为重量纲 g，就可以 称重。成为一台原始的电子秤。 e、把砝码依次放在托盘上，填入下表 3-4。 表表 3-43-4 重量（g）050100150200250 电压 （mv） 0 50100151201 250 10 4.软件设计软件设计 4.1 程序设计语言的选用 本设计中采用的处理器是 AT89C51 单片机，由此可采用面向 MCS-51 的程序设计 语言，包括 ASM51 汇编语言和 C51 高级语言，这两种语言各有特点。 汇编语言是 一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。其主要 优点是占用资源少、程序执行效率高。但是不同的 CPU，其汇编语言可能有所差异， 所以不易移植。 如果对单片机 C 语言有兴趣，C 语言是一种结构化的高级语言。其优点是可读性 好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。缺点是占用资源较多，执行效率没有 汇编高。 汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种 语言。其主要优点是占用资源少、程序执行效率高。但是不同的 CPU，其汇编语言可 能有所差异，所以不易移植。 而 C 语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇 编语言的功能。C 语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可 移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C 语言是一种结构化程序设计语言， 它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C 语言程序 具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的 保障。因此，使用 C 语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用 C 语言来编写 目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充， 从而研制出规模更大、性能更完备的系统。 综上所述，用单片机 C 语言程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。所以作为 一个技术全面并涉足较大规模的软件系统开发的单片机开发人员最好能够掌握基本的 C 语言编程。 4.2 软件程序的设计 程序主要由主程序和子程序两部分构成。 主程序主要实现系统的初始化， A/D 转换，显示数据。 系统的初始化包括寄存器的初始化（控制寄存器、堆栈、中断寄存器等） ，通信的 11 初始化（串口的初始化，ADC0809 的初始化，通信缓冲区的初始化） ，LED 显示的初 始化，输出端口的初始化，采集、累计数据的初始化。 应变片压力接受应变片压力接受 开开 始始 0809A/D 转换转换 数据处理数据处理 显示显示 结结 束束 图 3-2 程序流程图 如图 3-2 流程图所示：在金属箔应变片模块上放若干砝码，通过应变片放 大感应电压，将电压值传到 0809 的 IN0 口，通过模数转换，在 89C51 单 片机中运行，输出到 led 显示屏上数字。 12 5.实验实验实物图实物图 图 5-1（a）没有砝码前端显示 图 5-1（b）没有砝码后端显示 说明：如图 5-1 所示，因为 A/D 转换芯片的灵敏性，初始值电压 180mv， 转换值为 0。所以在没有放砝码时，后端显示为 00。 13 图 5-2（a）50g 砝码后端显示 图 5-2（b）50g 砝码前端显示 说明：如图 5-2 所示，在放上一个 50g 的小砝码的显示，有 0.003mv 的误 差，完全在误差范围内，属于系统误差。 14 图 5-3（a）200g 砝码前端显示 图 5-3（b）200g 砝码后端显示 说明：如图 5-3 所示，再放上两个 100g 的砝码在前端传感器上，显示的输 出。也有一点系统误差。 15 图 5-4 任意重量的显示 说明：如图 5-4 所示，图中操作者按压金属箔应压片，测得在范围内任意 数值的显示。可以看出，已仪器的敏感度及测量极值。 16 6小结小结 本次实训结束之后我对传感器有了更进一步的了解。对 AT89C51 单 片机我们有了新的认识，并且这次课设让我们能更加熟练的应用单片 机。应变片传感器反应不时很灵敏，所以在取数据的时候还要稍微等 一会，而我做出来的电子称精度也达到 50mv/50g,这个精度已经相当 好了，可以测出 50g 到 2100g 的重量变化。同时我在调试电路时发现 一个问题就是，这次我做的系统结果会产生一定的漂移和可用的电压 只能到 2.3V，A/D 转换的芯片可以承受 5V，这就是电路中需要改进 的地方。在本周的实训，在基本没有接触过的实验仪器上，慢慢摸索 出了这次实验的过程，并且完成了它。 本次实训，有组员的齐心协力，有老师的提点才能顺利的完成，我 们组在这次实训中，认真的做实训的要求，最终，把正确的结果展示 在老师和其他人的面前，也是很有成就感的。这次课设增强了我们的 动手能力和创新能力，通过这次课设我们学习到了很多东西，这对我 们毕业以后是很有帮助的。 17 参考文献参考文献 1 赵伟国,宋执环,黄震威,梁国伟. 基于热膜探头的新型气体流量传感器研 究. 仪器仪表学报, 2009,30(5): 10731077. 2 赵开春,褚金奎,张 强,王体昌. 新型仿生偏振测角传感器及角度误差补偿 算法. 宇航学报, 2009,30(2): 503508. 3 边翠华,孙以材,潘国锋. 一种新型气敏传感器测量装置. 研究与开发, 2009,04: 1417 4 魏利民,胡姝玲,张晓青,孟照魁,胡汉伟. 新型数字温度传 感器的原理及应用.单片机与嵌入式系统应用, 2009,9: 4346. 5 刘 颜. 新型电流生物传感器的研制. 西南师范大学, 2005,04. 6 吴 艳. 多传感器数据融合算法研究. 西安电子科技大学, 2003,04. 7 杨 静. 遥感多传感器图像融合中若干问题的研究. 中国科学院, 2003,09. 8 尹辉娟,史智兴. 模糊控制技术在节水灌溉中的应用. 安徽农业科学, 2009,37(23): 1119011191. 18 附录附录 DICE-51 仿真软件程序：（c 语言编程） #include #include #include #define uchar unsigned char #define com8155 XBYTE0 xff20/*8155 控制字*/ #define pa8155 XBYTE0 xff21/*数码管字位口*/ #define pb8155 XBYTE0 xff22/*数码管字形口*/ #define ad0809 XBYTE0 x9000 void delay(unsigned int i) /*延时子程序*/ unsigned int j