电子称综合课设

1、南京航空航天大学综合课设报告题目：电阻应变式载荷传感器及测试校准系统学院： 自动化学院专业： 测试计量技术及仪器组员： 031030224 黄坤031030218 张驰宇031030228 张震2014年6月27日检测技术综合课设一、设计内容1、设计一个电阻应变式载荷传感器及传感器特性自动测试校准系统。应用力学、传感器技术等相关知识设计一个载荷传感器，要求使用AUTOCAD绘制传感器机械图，分析推导应变和载荷的关系。责任设计人：031130224黄坤。2、设计传感器调理电路，要求电路在满足一定测试精度的前提下，尽可能简单，但可以设计两个以上的电路。要求输出电压范围为-3V3V。责任设计人：XX

2、XXX。3、设计51单片机应用程序，实现电压信号的采集和数字低通滤波处理，显示载荷大小（注意不是电压大小），并将数据通过RS232接口传送给PC机。责任设计人：XXXXX。4、编写虚拟仪器程序，实现与单片机的通讯，完成校准和对传感器静态特性曲线的显示，计算传感器的线性度（用最小二乘线性度、或端基线性度表示）、重复误差等静态指标。（拓展）责任设计人：XXXXX。二、传感器结构设计1.应变片的设计（1）应变片工作原理 电阻应变敏感元件的转换原理是基于导线的电阻-应变效应。由金属导体的电阻定律知，对于长度为、截面积为、电阻率为的金属丝，其电阻 （式2-1）结合材料的泊松比定律，经数学变换得金属丝电阻

3、应变特性 （式2-2）则金属丝灵敏系数 （式2-3）故有 （式2-4）另外由于应变片存在横向效应，因而对于应变片 （式2-5）其中（2）应变片的基长查阅资料可知，为了使测量误差减小，将展开为级数，并略去高阶小量后，可得 （式2-6）粘贴在一定材料试件（为常量）上的应变片，对正弦波的响应误差随栅长和频率的增加而增大。因而在设计、应用应变片时，就可按上式给定的三者的关系，根据给定的精度，来确定合理的或工作频率，即或 （式2-7）其基长应尽量选取短的，这样可以更真实地测出被测部位的应变值，以提高测量精度。对于钢材，若令精度，最高工作频率代入上式可得 （式2-8）故取应变片栅长。(2)传感器弹性元件的

4、设计我们组选择设计的是量程为10kg的梁式传感器，但由于普通的实心梁式传感器具有传感器输出随载荷位置的变化而变化这一缺点，我们选择使用如图所示的梁式结构： 图1在板状梁上有两个孔 ,在梁的端部有集中力作用时 ,孔内承受弯曲变形。将应变片粘贴在孔的内壁（其实黏贴在内表面也可以） ,应变片处于相反的应力区内,当上表面应变片变形为拉伸时 ,下表面则为压缩变形 ,四个应变片组成差动电桥，输出特性的线性度好。另外，这种梁的刚度比单梁好，故动特性好 ,滞后小。根据应力分布图可以看出 ,受力点位置变化时 ,一孔的弯矩增加，另一孔的弯矩减小，可在桥路内自动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置的要求也有

5、所降低。 图2 双孔梁受力分析如下：可以把弹性体看作是上、下对称的平行梁式结构，该结构属于3次超静定问题。即此结构上的未知约束反力的数目比能列出的独立静力平衡方程的数目多三个。由理论力学可知：“限制物体某些运动的条件称为约束”。物体与约束之间相互作用着力，约束给物体的力限制物体的某些运动。“约束给被约束物体的力称为约束反力”。例如单悬臂梁结构见图9(a)，其一端固定，另一端为自由端。当自由端作用力P时，固定端约束该梁在水平、垂直方向的移动及相对转动。固定端给横梁的约束用约束反力X、Y、表示。如图9(b)所示。取坐标系x0y，此力系为平面一般力系，能列三个独立平衡方程来求解三个约束反力。即： X

6、=0 , - PL =0, （式2-9）此结构为静定结构。根据上面分析，我们可将图8的结构简化为下图所示的 图3计算简图。在上、下梁的固定端作用六个约束反力，它们分别是：、（作用在上梁）、（作用在下梁）此力系仍是平面一般力系，仅用静力平衡方程只能解出三个约束反力，其余三个约束反力需用材料力学办法才能求解。求解过程较复杂，我只引用其结论，在力P单独作用下，当t1/t2很小时，有： X= PL/2H(H为上下臂梁的高度) =P/2 =PL/4 （式2-10）载荷P及约束反力均为作用在梁上的外力，要讨论梁的变形须分析作用在梁上各横截面上的内力。由于此结构上下对称，且结构参数均相同，所受外力也相同，我

7、只研究上梁任一横截面上的内力。用材料力学的分析方法，为显示出截面上的内力，沿面aa假想地把梁分成两部分，并以左段为研究对象。则：由于原来的梁处于平衡状态，所以梁的左段仍应处于平衡状态。作用于左段上的力，除外力、外，在截面aa上还有右段对它的作用内力，把这些内力、外力分别投影于x轴、y轴上，其总和应等于零。由，得： （横截面aa上的轴力）由，得： = （横截面aa上的剪力）若把左段上的所有外力和内力对截面aa的形心O取矩 ，其力矩总和应等于零。一般说，这就要求在截面aa上有一个内力偶矩M，由得： （式2-11）因为在外力作用下，变形主要产生在梁深最小的截面附近，因此可以认为截面A-A在变形后仍保

8、持为平面且该截面的转角不影响截面右边的应力场，那么令A-A截面的转角为零。可以认为左段上的约束反力作用在A-A截面上。由于轴力和剪力对梁的变形影响很小，故在此仅讨论弯矩M所产生的变形。由上式得出： （式2-12）将 和 代入上式得： （式2-13）x =0时， x = L/2时，x L时， (式2-14)双孔梁尺寸设计如下：图4由于我们用的是铝合金材料，查资料可知其许用应力=110MPa,弹性模量E=72GPa，假设黏贴应变片处的梁孔的截面的宽度为b,高度为h，则，由于此传感器的量程是0100N，在四处贴应变处最大的应变为：1=(PL2+M)/EW （式2-15）其中P=100N,M=PL/4

9、,而且=E (式2-16)取L2=150mm L=100mm b=30mm h=3mm H= 46mm 代入（式2-16）得=64.8MPa110MPa,满足要求。用CAD绘得结构图如下： (3)应变片的黏贴工艺在处理好底层的弹性元件上，划好贴片的定位线，经清洗和干燥后，在贴片处均匀地涂一层贴片胶，适当时间后按给定的方位将应变计准确地放在粘贴部位上，而后在应变计上盖上一层氟塑料薄膜并用手指或小工具朝一个方向碾压，挤出气泡和过量的粘接剂，保证胶层薄而均匀。然后在上面放一块硅橡胶并用夹具夹紧放入干燥箱进行固化处理。贴片时胶层的厚度必须严加控制，片基和粘接剂胶层厚度对于减少蠕变有非常重要的影响，并也

10、使粘结强度增高，更能准确地传递试件的应变。在实际工艺过程中胶层的厚度还受到其它因素的限制，例如绝缘电阻，因而也下能无限制地薄，否则将降低其绝缘电阻造成传感器性能不稳定。贴片之后应进行初步检查，检查基底，盖底有无损坏，敏感栅是否变形，贴片方位是否正确，有无断路、短路，有无气泡，有无局部未贴牢，贴片后电阻值变化不能太大(一般变化不大于±0.5)等。粘贴后的结构如下：(4)总结与体会这次综合课设，我吸取了上次单片机课设的经验教训，早日准备，提前动手，但却还是做得状况百出。由于我们选择的是梁式结构，而梁式结构的尺寸计算老师的PPT上没有点出来，书上也没有，完全得靠我自己去查找资料，自己计算。

11、幸亏，我数学功底还算过得去，在得出一系列的公式之后，我用试凑法，先假设出一些尺寸，然后验证它是否满足弹性元件的强度条件，几次试凑之后，我得出了上述数据。这样的计算量也不是很大，而且易于理解，我觉得是个不错的方法。对于我来说的另外一个难点就是工程力学的分析，大二时工程力学我就考了60多分，这次倒不失为一个绝佳的复习的机会。我翻阅了以前的课本，认真复习了工程力学的材料力学部分，材料的刚度条件、强度条件、弯矩、挠度等篇章做了仔细回顾，终于分析清楚了为什么双孔梁式结构的输出不随载荷位置而变化。而这次课设于我来说最困难的一点就是CAD制图，由于电脑系统的某些问题，CAD06、CAD07、CAD14等相关

12、软件硬是装不上，只能借用别人的电脑，这对我的情绪造成了很大的影响。于是，我便在别人的电脑上，靠着一本CAD06的教程用cad14画出了上面这幅图。总之，这次课设，不管结果如何，我觉得对我来说都是成功的，我明白了学而时习之的重要性，我明白了团队合作的必要性，我明白了虚心求教的价值，还有很多很多。在此，我要感谢我的两位队友张驰宇与张震，我要感谢两位指导老师的辛苦工作，谢谢你们！三、恒压源供电电路1.调理电路图。 电桥的供电方式有两种，即恒流源供电和恒压源供电。采用恒流源，输出与恒流源供给的电流大小和精度有关，但是电桥的输出与温度无关，可以消除温度的影响。采用恒压源，电桥的输出与电源的大小和精度都有

13、关，与温度也有关，且与温度的关系是非线性的，不能消除温度的影响。 我使用的是恒压源供电，主要分为三部分。第一部分是差动电桥，待测物也是在这一部分通过改变滑片位置改变输出电压值V1和V2。第二部分是测量放大电路，放大电路可以对传感器的输出阻抗进行匹配，变换为低阻抗输出，还可以放大传感器的微弱信号，还能提高信噪比，提高灵敏度。第三部分是AD转换电路。 这样设计额的电路有以下特点：（1） 线性好；（2） 迟滞小；（3） 重复性好；（4） 零漂、蠕变小；（5） 测量结果与力的作用位置无关。2.调理电路分析。 采用5V恒压源供电电桥部分可以通过R10调零，即当无载荷时，可以通过调节R10使传感器输出为零

14、。在电桥中加入R9和电位计R10。将R10分为和,假设并联在R1、R3和R5、R7上的电阻分别为,则 当最小（即，）时，最大，即当最小（即，）时，最大，即由式（1-5）和（1-6）可见，R9的大小决定了平衡范围，R9越小，调节的平衡范围就越大。 三运放结构的测量放大器由两级组成，两个对称的同相放大器构成第一级，第二级为差动放大器减法器。若A1、A2、A3都是理想运放，则所以测量放大器第一级的闭环放大倍数为整个放大器的输出电压为为了提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的影响，应根据上下对称的原则选择电阻，若取，R15=R17，则输出电压为第二级的闭环放大倍数为若取R14=R15=R16=R17，则

15、，由式（2-7）可以看出，改变电阻RG的大小，可方便地调节放大器的增益。3心得体会。这次的综合课设和以往的课设有很大的不同，它集成了大量过去所学的知识，包括电路、单片机、编程技术、传感器设计、以及工程力学和测试技术等，所以这次课设是对我们学过知识的检测。这次课设我的第一个收获就是学会了使用protel这个软件。以前我从来没听说过这个软件，这几天先是安装，然后从百度上找到教程，对照着教程一点点的摸索着这个软件，感觉自己熟悉的差不多了，看着课设的电路图，一点点的搭建sch电路。我觉得这种学习的过程很重要，它让我明白了知识从无到有，一步步学习的方式，这对我们一生都是很重要的。我的第二个收获就是明白了

16、理论知识和实际运用的关系。以前学习电路知识只是枯燥的记着公式，想着考试考多少分，这次课设让我们觉得自己的所学是有实际作用的。我们像一个研究者一样进行电子称的一步步开发，这种回忆终生难忘。还有一个收获，通过这次课设，我们明白了处理复杂问题的一般方法。这次课设是一个大标题，老师帮我们分为三部分，三人一组解决问题。而且每一部分也是比较复杂的，我把我的这一部分进行拆分，分为设计电路，protel作图，还有分析电路三部分，这样一步步进行，复杂的问题变简单了。一周的课设生活就这样过去了，在这次课设中我得到了巨大的收获，希望这种课设越来越多。同时也感谢我们小组的其他成员黄坤和张震，我们的团结合作是成功的保障

17、！四、三、单片机仿真1.Proteus仿真图。流程图开始AD0808采样数字低通滤波RS232传数据到PCLED 显示2.程序设计。LED_0 EQU 30H;存放三个数码管的段码LED_1 EQU 31HLED_2EQU 32HADC EQU 35H;存放AD转换后的数据ST BIT P3.2OE BIT P3.0EOC BIT P3.1ORG 0000HLJMPMAINORG0030HMAIN:MOV LED_0,#00H ;给显示赋初值0 MOV LED_1,#00HMOV LED_2,#00H SETB P3.4 SETB P3.5 CLR P3.6;选择通道3WAIT: CLR ST

18、 SETB ST CLR ST;启动AD转换 JNB EOC,$;等待转换结束 SETB OE;允许输出 MOV ADC ,P1;暂存转换结果 CLR OE;关闭输出 LCALL BCD;调用数据处理子程序 LCALL LED;调用显示程序，显示转换的值 SJMP WAITBCD:MOVA,ADC;将AD转换结果转换成BCD码MOV B,#85 ;255/85=3.00V DIV AB MOV LED_2,A;个位数字存入LED_2中 MOV A,B;余数大于19H，F0为1乘法溢出，结果加5 CLR F0 SUBB A,#1AH MOV F0,C MOV A, #10 MUL AB MOV

19、B,#85 DIV AB JB F0,LOOP2 ADD A,#5LOOP2:MOV LED_1,A;小数后的第一位存入LED_1中 MOV A,B CLR F0 SUBB A,#1AH MOV F0,C MOV A,#10 MUL AB MOV B,#51DIV AB JB F0,LOOP3 ADD A,#5LOOP3:MOV LED_0,A;小数后的第二位存入LED_0中 RETMOV R0,#35H ;电压转换成质量MOV R1,#46H ;MOV 47H,#00H ;LK1: MOV A,R0 ;。MOV B,#0AH ; MUL AB;47H ADD A,47H;MOV B,#0AH

20、 ;DIV AB ;MOV 47H,A ;MOV A,B ;MOV R1,ADEC R0 ;移动指针DEC R1CJNE R0,#2FH,LK1 ;判断电压是否转换完全MOV A,47H ;MOV 42H,ACHG2: RETLED:MOVA,LED_0;数码显示子程序MOV DPTR,#TABLE ;送段码表首地址 MOVC A,A+DPTR SETB P2.3;允许百位输出，该数码管为共阳极形 MOV P0,A;将位段码送给P0口 LCALL DELAY;调用延时程序 CLR P2.3;关闭百位显示 MOV A,LED_1 MOV DPTR,#TABLE ;送段码表首地址 MOVC A,A

21、+DPTR SETB P2.2;允许十位输出，该数码管为共阳极形 MOV P0,A;将位段码送给P0口 LCALL DELAY;调用延时程序 CLR P2.2;关闭十位显示 MOV A,LED_2 MOV DPTR,#TABLE2 ;送段码表首地址 MOVC A,A+DPTR SETB P2.1;允许个位输出，该数码管为共阳极形 MOV P0,A;将位段码送给P0口 LCALL DELAY ;调用延时程序 CLR P2.1;关闭个位显示 RETDELAY:MOV R6,#2;延时1MS子程序D1: MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RETTABLE:DB 0C0

22、H,0F9H,0A4H,0B0H,99H DB 92H, 82H,0F8H, 80H,90H;共阳极09十个段码TABLE2:DB 40H,79H,24H,30H,19H,12H;带小数点的05六个段码 END<2>.限幅滤波 原理：由于单片机系统中存在随机脉冲干扰，从而造成测量电压信号的严重失真。对于这种随机干扰，采用限幅滤波是一种简单而有效地基本方法。基本方法是把两次相邻时刻（n和n-1）的采样值Yn和Yn-1相减，求出其差值，以绝对值表示，然后将这个差值与两次采样允许的最大偏差值Y比较，如果两次采样值的差值超过了允许的最大偏差值Y，则认为发生了随机干扰。开始取数据Yn-Yn-

23、1>a将数据存储起来程序：#define A 0.1 /A值可根据实际情况调整char data; /上一次的数据char filter_1()char datanew; /新数据变量datanew=get_data(); /获得新数据/滤波算法if (datanew-data>A)|(data-datanew>A) return data;return datanew;<3>数据传送到PC机RS232ORG 0000HAJMP MAIN、ORG 0023H AJMP RECEIVE ;跳转到接收中断入口 ORG 0030HMAIN: MOV TMOD,#20H ;T1