電阻應變片測重量

1、應變片測量、系統(tǒng)組成框圖電阻應變式傳感器是應用廣泛的傳感器之一。將電阻應變片粘貼到各種彈性 敏感元件上，可構成測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數的電阻應變 式傳感器。電阻應變式傳感器具有結構簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠，易于實現測 試過程自動化和多點同步測量、遠距測量和遙測，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，已廣泛應用于航空、機械、 電力、化工、建筑等領域。本課題采用的是以8051系列的at89c2051單片機為核心開發(fā)電阻應變片重力測試的系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1-1 :圖2-1系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖如圖 2-1所示，電阻應變式傳感器采集到重力信

2、號傳送給lm324集成運算放大器，lm324集成運算放大器是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四 組運放相互獨立。經過a/d轉換，將轉換的數字信號發(fā)給顯示電路顯示，顯示電路是由四位獨立數碼管組成。電阻應變片重力測試原理電阻應變片簡介：電阻應變片作為傳感元件，將其牢固地粘貼在構件的測點上，構件受力后由于測點發(fā)生應變，應變片也隨之變形而使應變片的電阻發(fā)生變化。電阻應變式傳感器的核心元件是電阻應變片，其工作原理是基于電阻應變效 應。電阻應變片的測量原理為：金屬絲的電阻值除了與材料的性質有關之 外，還與金屬絲的長度，橫截面積有關。將金

3、屬絲粘貼在構件上，當構件受 力變形時，金屬絲長度和橫截面積也隨著構件一起變化，進而發(fā)生電阻變化。dr/r=ks* &其中，ks為材料的靈敏系數，其物理意義是單位應變的電阻變化率， 標志著該類絲材電阻應變片效應顯著與否。e為測點處應變，為無量綱的量， 但習慣上仍給以單位微應變，常用符號仙e表示。由此可知，金屬絲在產生應變效應時，應變e與電阻變化率dr/r成線 性關系，這就是利用金屬應變片來測量構件應變的理論基礎。三、電阻應變式傳感器重力測試系統(tǒng)的單元電路介紹1、電阻應變式傳感器的介紹、結構和類型電阻應變式傳感器(straingauge type transducer )以電阻應變計為轉換 元件的

4、電阻式傳感器。電阻應變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應變計、補償電 阻和外殼組成，可根據具體測量要求設計成多種結構形式。彈性敏感元件受到所 測量的力而產生變形，并使附著其上的電阻應變計一起變形。電阻應變計再將變 形轉換為電阻值的變化，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電阻應變片的基本結構1-基底；2-敏感柵；3-覆蓋層；4-引線圖1.基于應變式稱重傳感器的電子秤系統(tǒng)框圖電橋顯示單元等強度梁半導體應變輸出電壓uo2、電阻應變式傳感器的測量電路常規(guī)的電阻應變片k值很小，約為 2,機械應變度約為0.0001 -0.001.所以，電阻應變片的電阻變化范圍為0.0005

5、 0.1歐姆，所以測量電路應當能精確測量出很小的電阻變化，在電阻應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,。起特點是：當四個橋臂電阻達到相應的關系時，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：191kik其中 r1=r2=r3=r4=350q3、a/d 轉化器(adc0809)a/d0809是一個帶有 8路二位a/d轉換器，8路多路開關以及微處理兼容的控制邏 輯cmos&件。adc0809的內部邏輯結構：in

6、oinidt2ih3ih4in5win7abcale引腳結構：1n31n4)m51n6 in7st”3of ulk vc*cvhh卜 十dm2 ini inoa b cake 】“ d6 口 5cl bo272025arm vref-024、adc0809應用說 明1） adc0809內部帶有輸出鎖存器，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）是否轉換完畢，我們根據eoc信號來判斷。6）當eoc變?yōu)楦唠娖綍r，這時給 oe為高電平，轉換的數據被輸出給單片機四、電

7、阻應變式電子稱電路設計1、供電電源設計稱重傳感器的電源是由2個op-07和互補對管 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)壓集成電路作為預穩(wěn)壓電源。（2）選用低溫漂特性的運放op-07,以降低運放受溫度影響所產生的溫漂。（3）從圖可見，u2、5兩個運放的輸入端均接于精密電壓基準源 mc1403的輸出端上而被鉗位，可以認為5、5輸出電壓的誤差不會來自輸入端。（4） q1與q2是一對互補對管，u2、5的負反饋電路分別通過這對互補管的發(fā)射極。當溫度上升時，u2的輸出電壓上升，q1的丫曲上升，1ab上e升。但是u3得輸出電壓也隨之上

8、升，導致q2的veb電壓下降，rec增大，使iab下降，vab維持了動態(tài)平衡；反之亦然。（5）由于正負三端穩(wěn)壓電源的作用，以及由u2、n1和u3、n2組成的對稱電源結構，稱重傳感器電橋在無負載時vc =0、vd =0。并且由于高阻抗使電橋產生浮地效果，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到十分穩(wěn)定的效果，如果電橋的四臂 應變片的阻值相等，由于受到壓力使電橋對臂阻值同時增大和減小，則電橋電壓的精度將直 接傳遞到電橋輸出端。10k；opotahr4 ywvopozah77% e-5kl - bj1_npn_vee-gnd : gnd.50%日jt npn(3 nd10kl- .r9

9、 a/wgnp ：-gnb-1 5v圖4.運算放大電路2、稱重傳感器調零電路圖2.中標abcdfb分是稱重傳感器全橋電路。電橋輸出端對角線上接一個10 kc電位器，滑動端通過100 kc電阻接與電橋電源負端。這是為了客服制造工藝不完全對稱性而設計的，同時兼做去皮重電路。調節(jié)r9可使vab電位差等于 10v, vcd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）雙端輸入分別進入測量放大器的同相端，所以 輸入阻抗大，能克服電橋傳感

10、器輸出阻抗低的特點。（3）極低的溫漂系數。（4）加一級低通有源濾波器 以濾除由于放大器icl7650內時鐘斬波頻率引起的尖峰脈沖干擾。調整r20使放大倍數為：g=r （1 + 2r9） =250（ 10）r17r20e?- i - 3100nficl7g50scpdlla l1vdd，5v笛 1.4 9-| 工工vdd ：-vdd :，5v ：；二：:gmo: .5 ：r23 .：-：4sk|a.35：圖5.放大電路4、v/f轉換電路v/f控制的原理是產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，產生變頻。lm3

11、31是性能價格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉換器、a/d 轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器及其他相關器件。lm331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內和低到4.0v電源電壓下都有極高的精度。lm331的動態(tài)范圍寬，可達 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，數字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成v/f或f/v等變換電路，并且容易保證轉換精度。本系統(tǒng)采用電壓/頻率轉換器 lm331。其特點是：體積小，精度高，價格低， 用行輸出，占用 cpu的i/o 線少。其最突出的

12、不足之處是轉換速度慢。以下是lm331 一些主要技術指標：(1)最大線性度 0.01%, ( 2)滿量程頻率范圍1hz100khzfont圖6 lm331 的簡化功能框圖工作原理：圖6為電壓/頻率轉換器 lm331的簡化功能框圖。內能隙基準電路產生1.9v直流電壓，送到2腳，外接rs形成基準電流i= 1.9/r so (i=50500ua)。 輸入電壓vin送比較器，引腳 6通常與1腳連接，當 k合上后流過恒電流在rl上產生壓降vx作為閾值電壓。在單脈沖定時器上設有定時比較器，一個輸入端恒接2/3v cc作為參考電壓，另一個輸入端接引腳5。v52/3vcc單脈沖定時器內部的rs觸發(fā)器產生復位信

13、號使k斷開，又迫使驅動晶體管截止。復位后使引腳5與地短接，電容g上的電荷釋放，電壓下降。使v5vx,輸 入比較器使 rs觸發(fā)器產生啟動信號使k閉合，基準電流向 cl充電。使 vx上升，直至vxvin。輸入比較器翻轉，迫使單脈沖定時器產生復位信號使k斷開，c l向rl放電，使vxvn 0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:單脈沖定時器內部的rs觸發(fā)器產生復位信號使k斷開，又迫使驅動晶體管截止，使v3為高點平，vxvn。此時驅動晶體管導通。從波形圖看，vxvn后，要關閉 k是發(fā)生在 v52/3vcc時刻，而使i ave = i*t*f out ,cl 對驅動晶體管截止是在vxp

14、1.0c140(t2 ex) p1.1 匚239p12匚338p1.3 匚437p1,4c536p1.5e635p1.gl734p17c833rste932(rxd)p3.0 匚1031(txd) p3.1c1130(n1d)p3.2 匚1229(intli p3 3e1328t0)p3 4 匚1427qpp3.5 匚1526而ip3.6匚1625(p5)忠祀q7轉換電路并xtal2 d1823xtal1 01922gndc2021 vcc po o (ado) p0.1 (ad1) p0.2 iad2j p0.3iad3：i 3 p0.4 tad4：. p0.5 (ad5) p0 6 lad

15、6：i pd7(ad7：i 3eavpp alejprog 3pseh3 p27 (a15) p26 (a14)3 p2.5 ia13：i p2.4 (a12) pz3ia11)3 p2.2 (a10) pz1 (a9) jp20iae：i輸入端t1上。根據分辨率的要求利用軟件處理，最后得到a/d轉換的結果。所以我們決定采用lm331芯片v/f轉換作為信號轉換的方案。5、單片機電路(a) at89c52 簡介芯片功能介紹及設計：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cmos眇微處理器，俗稱單片機。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準

16、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定時器，計數器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存ram的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止(b)引腳說明vcc供電電壓。gnd接地。圖9.at89c52 芯片引腳圖p0 口： p0 口為一個 8位漏級開路雙向 i/o 口，每腳可

17、吸收 8ttl門電流。 當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據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在 fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當 fiash進行校馬時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1 口： p1 口是一個內部提供上拉電阻的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，這是由于內部上拉的緣故。在flash 編程和校驗時，p1 口作為第八位地址接收。p2 口： p2 口為一個內部上拉電阻的8位雙向i/o 口，p2 口緩沖器可

18、接收，輸出4個ttl門電流，當 p2 口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，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。這是由于內部上拉的緣故。p2 口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，p2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，p2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。p2 口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。p3 口： p3 口管腳是 8個帶內部上拉電阻的雙向i/o 口，可接收輸出 4個ttl門電流。當 p3 口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作

19、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：p3.0rxd （串行輸入口）p3.1 txd （用行輸出口）p3.2/int0 （外部中斷0）p3.3/int1 （外部中斷1）p3.4t0 （記時器0 外部輸入）p3.5t1 （記時器1 外部輸入）p3.6 /wr （外部數據存儲器寫選通）p3.7 /rd （外部數據存儲器讀選通）p3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。rst ： 復位輸入 。當振蕩器復位器件時，要保持rst 腳兩個機器周期的高電平時間。ale/prog ：當訪問外部

20、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：每當用作外部數據存儲器時， 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旨令是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，每個機器周期兩次 psen有效。但在

21、訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的psen信號將不出現。ea/vpp:當ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000h-ffffh）,不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，ea將內部鎖定為reset;當ea端保持高電平時，此間內部程序存儲器。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）單片機原理圖如圖所示， u1為單片機芯片at89c52工作于11.0592mhz時鐘，它的 p3.5 腳（定時 / 計數器 1 的外部脈沖輸入端）和頻率信號相連，對

22、脈沖序列計數，以獲取頻率信息，從而轉換為重量值。u1的p0 口和p2 口是數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段數碼顯示）ogxdp1.0(t2)pl.l(t2ex(ado)1po.0 (adijp0.1pl.2qw2)f0.2p13(ad3jp03p1.4q4d4)p0.4pl.5(ad5jn.5pl.6(adfijpopl.7(ad7jp0jp3.3(ixftl(a8)p2.qp 打(into)(a9jp2.1(aio)p2.2p3.5(t1)(a11jpl3p3.4ft0)(a12jf2.4(abjp2.5ea.atp(a14jp2.6(a15jp1

23、7 xtal1xtal2vccgndrst戰(zhàn)xdipmb般p3j：rd,iale progp3.6(wit)psexu1at89c52圖10.單片機的設計電路（d）輸出顯示1.）輸出顯示電路圖: fid 11344-/中 h5ei0ddihek0diqpmcn二二工卜二圖11顯示電路2.）程序/包含頭文件#include reg52.h#include math.hsbit wei0=p0a0/位定義圖12 v/f信號讀取及處ulong xielv=4975;ulong zhong=0;/定義全局變量void init()/初始化函數sbit wei1=p0a1 sbit wei2=p0a2

24、sbit wei3=p0a3 sbit cs_vf=p3a7;sbit rd_ vf =p3a6;sbit wr_ vf =p3a5;sbit le_573=p3a4;#define uint unsigned int/ 宏定義#define ulong unsigned long#define uchar unsigned 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;le_573=0;wei0=0;wei1=0;wei2=0;wei3=0;void delay_ms(unsigned int a)/ 延時函數unsigned int b;unsigned int c; for(b=0;ba;b+) for(c=0;c1010000) for(i=0;i80;i+) p2=shuma