應變傳感器及稱重系統(tǒng)傳感器課程設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹一種以AT89S52單片機為核心，包括ADC0809類型轉換器的擴散硅壓阻式壓力傳感器的差壓測量系統(tǒng)。簡要介紹了擴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，完成了整個實驗對于壓力的采樣和顯示。與其它類型傳感器相比，擴散硅壓阻式電阻應變式傳感器有以下特點：測量范圍廣，精度高，輸出特性的線性好，工作

2、性能穩(wěn)定、可靠，能在惡劣的化境條件下工作。由于擴散硅壓阻式壓力傳感器具有以上優(yōu)點，所以它在測試技術中獲得十分廣泛的應用。</p><p>　　關鍵字：擴散硅壓阻式壓力傳感器，AT89S52單片機，ADC0809，數(shù)碼管</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1.引言4</b></p&

3、gt;<p>　　1.1 課題開發(fā)的背景和現(xiàn)狀4</p><p>　　1.2 課題開發(fā)的目的和意義4</p><p><b>　　2.設計方案5</b></p><p><b>　　2.1設計要求5</b></p><p><b>　　2.2設計思路5</b&

4、gt;</p><p><b>　　3.硬件設計6</b></p><p>　　3.1電路總框圖6</p><p>　　3.2傳感器電路模塊6</p><p>　　3.3 A/D變換電路模塊8</p><p>　　3.4硬件電路連線9</p><p><b&

5、gt;　　4.軟件設計11</b></p><p>　　4.1程序設計語言的選用11</p><p>　　4.2軟件程序的設計11</p><p>　　5.實驗實物圖13</p><p><b>　　6．小結17</b></p><p><b>　　參考文獻18&

6、lt;/b></p><p><b>　　附錄19</b></p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　1.1 課題開發(fā)的背景和現(xiàn)狀</p><p>　　傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測量的信息，并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的的器件或裝置，通常由敏感元件、轉換元件、測

7、量電路三部分組成。傳感器技術是現(xiàn)代信息技術的三大支柱之一，其應用的數(shù)量和質量已被國際社會作為為衡量一個國家智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化的重要標志。</p><p>　　利用傳感器與檢測技術實驗室已有的應變式稱重臺，將四片應變片此采用全橋形式接入測量電路，經(jīng)過運放OP07組成儀表放大器放大，再由串行模數(shù)轉換芯片TLC549進行A/D轉換，轉換結果送入單片機At89C51，通過同向門7407</p><

8、p>　　驅動四位數(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芯片進行轉換。</p><p>　　1.2 課題開發(fā)的目的和意義</p><p>　　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)，壓力傳感器技術在諸多領域中相對而言最為成熟。根據(jù)工作原理的不同，壓力傳感器通?？梢苑譃闄C械膜片、

9、硅膜片電容性、壓電性、應變性、光纖、霍爾效應、壓阻式壓力傳感器等。壓阻式傳感器又包括擴散硅型和應變片型傳感器，擴散硅壓阻式傳感器由于具有結構簡單、可微型化、輸出信號大、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而在壓阻式壓力傳感器市場中占據(jù)更大的份額。</p><p><b>　　2.設計方案</b></p><p><b>　　2.1設計

10、要求</b></p><p>　　1．了解應變橋的工作原理；</p><p>　　2．掌握應變橋的調理電路和AD轉換；</p><p>　　3．了解非線性特性和其校正方式； </p><p>　　4．使用單片機讀取轉換值并顯示。</p><p><b>　　2.2設計思路</b><

11、;/p><p>　　本設計中采用的處理器是AT89C51單片機，由此可采用面向MCS-51的程序設計語言，包括ASM51匯編語言和C51高級語言，這兩種語言各有特點。 匯編語言是一種用文字助記符來表示機器指令的符號語言，是最接近機器碼的一種語言。其主要優(yōu)點是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU，其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。 </p><p>　　如果對單片機C語言有興趣，

12、C語言是一種結構化的高級語言。其優(yōu)點是執(zhí)行效率沒有匯編高。 </p><p>　　匯編語言是一種用文字助記符來表示機器指令的符號語言，是最接近機器碼的一種語言。其主要優(yōu)點是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU，其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。 </p><p>　　而C語言是一種編譯型程序設計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)、運

13、算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結構化程序設計語言，它支持當前程序設計中廣泛采用的由頂向下結構化程序設計技術。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結構，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設計方法提供了有力的保障。因此，使用C語言進行程序設計已成為軟件開發(fā)的一個主流。用C語言來編寫目標系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進和擴充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)

14、。 </p><p>　　綜上所述，用單片機C語言程序設計是單片機開發(fā)與應用的必然趨勢。所以作為一個技術全面并涉足較大規(guī)模的軟件系統(tǒng)開發(fā)的單片機開發(fā)人員最好能夠掌握基本的C語言編程。</p><p><b>　　3.硬件設計</b></p><p><b>　　3.1電路總框圖</b></p><p&g

15、t;　　該應變傳感器及稱重系統(tǒng)實驗，采用金屬絲鉑片壓力傳感器，輸出信號通過AD轉換器實現(xiàn)模擬到數(shù)字的轉換，再經(jīng)過89C51芯片，在LED數(shù)碼管顯示所要的結果?？偟碾娐窐嫿驁D如下。</p><p>　　圖3.1基于MCS-51單片機為核心壓力傳感器實驗構建框圖</p><p><b>　　表3-1元器件清單</b></p><p>　　3.2傳

16、感器電路模塊</p><p>　　金屬絲在外力作用下發(fā)生機械形變時，其電阻值會發(fā)生變化，這就是金屬的電阻應變效應。金屬的電阻表達式為： </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　當金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時，將伸長，橫截面積相應減小，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。對式（1）全微分，并用相對變

17、化量來表示，則有：</p><p><b>　　（2） </b></p><p>　　式中的為電阻絲的軸向應變，用表示，常用單位（1=1×）。若徑向應變?yōu)?，電阻絲的縱向伸長和橫向收縮的關系用泊松比表示為，因為=2（），則（2）式可以寫成：</p><p><b>　　（3）</b></p><

18、p>　　式（3）為“應變效應”的表達式。稱金屬電阻的靈敏系數(shù)，從式（3）可見，受兩個因素影響，一個是（1+），它是材料的幾何尺寸變化引起的，另一個是，是材料的電阻率隨應變引起的（稱“壓阻效應”）。對于金屬材料而言，以前者為主，則，對半導體，值主要是由電阻率相對變化所決定。實驗也表明，在金屬絲拉伸比例極限內，電阻相對變化與軸向應變成比例。通常金屬絲的靈敏系數(shù)=2左右。</p><p>　　用應變片測量受力時，

19、將應變片粘貼于被測對象表面上。在外力作用下，被測對象表面產(chǎn)生微小機械變形時，應變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化。通過轉換電路轉換為相應的電壓或電流的變化，根據(jù)（3）式，可以得到被測對象的應變值，而根據(jù)應力應變關系：</p><p><b>　　（4）</b></p><p>　　式中 σ——測試的應力；</p><p>　　

20、E——材料彈性模量。</p><p>　　可以測得應力值σ。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉換為應變，因此可以用應變片測量上述各量，從而做成各種應變式傳感器。電阻應變片可分為金屬絲式應變片，金屬箔式應變片，金屬薄膜應變片。</p><p>　　圖3.2金屬絲鉑片壓力傳感器</p><p>　　3.3 A/D變換電路模塊 </p>

21、<p>　　ADC芯片型號很多，在精度、速度和價格方面千差萬別、，較為常見的ADC主要有逐次逼近型、雙積分型和電壓—頻率變換型三種。</p><p>　　這里我們選用逐次逼近型，即ADC0809。它由±5V電源供電，片內帶有鎖存功能的8路模擬多路開關，片內具有多路開關的地址譯碼器和鎖存電路、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256Ω電阻T型網(wǎng)絡和樹狀電子開關以及逐次逼近寄存器。輸出具有TTL三態(tài)

22、鎖存緩沖器，可直接接到單片機數(shù)據(jù)總線上。通過適當?shù)耐饨与娐?，ADC0809可對0V～5V的雙極性模擬信號進行轉換。ADC0809是28腳雙列直插式封裝，引腳圖如圖3-3 所示。各引腳功能說明如下：</p><p>　　2-1 ～2-8：8位數(shù)字量輸出引腳，由最低引腳到最高引腳。</p><p>　　IN0—IN7:8路模擬量輸入引腳。</p><p><b&g

23、t;　?。?5V工作電壓。</b></p><p><b>　　GND：地。</b></p><p>　　REF（+）：參考電壓正端。</p><p>　　REF（—）：參考電壓負端。</p><p>　　START：A/D轉換啟動信號輸入端。</p><p>　　ALE：地址鎖存允許

24、信號輸入端。以上兩個信號用于啟動A/D轉換。</p><p>　　EOC：轉換結束信號輸出引腳。開始轉換時為低電平，轉換結束時為高電平。</p><p>　　OE：輸出允許控制端。用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。</p><p>　　CLK：時鐘信號輸入端。</p><p>　　ADDA、ADDB、ADDC：地址輸入線。經(jīng)譯碼后可選通IN0—IN

25、7 8個通道的一個通道進行轉換。</p><p>　　圖3.3 ADC0809引腳圖 </p><p><b>　　3.4硬件電路連線</b></p><p>　　圖3.4 硬件電路圖</p><p><b>　　硬件連線及原理：</b></p><p>　　1號模板、

26、14號模塊、砝碼200g，±15V電源、±5V電源、0-2V數(shù)顯表。</p><p>　　a、按實驗三全橋性能實驗的步驟， 14號模塊調零（旋W5、W6，方法同單臂電橋實驗）。具體接線見圖2-1。</p><p>　　b、將100g砝碼置于1號模塊的托盤上，調節(jié)電位器W3、W4使數(shù)顯表顯示為0.100V（2V檔測量）或-0.100V。</p><p&

27、gt;　　c、拿去托盤上的砝碼，調節(jié)電位器W5、W6（零位調節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.000V。</p><p>　　d、重復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。成為一臺原始的電子秤。</p><p>　　e、把砝碼依次放在托盤上，填入下表3-4。</p><p><b>　　表3-4</b></p>

28、<p><b>　　4.軟件設計</b></p><p>　　4.1程序設計語言的選用</p><p>　　本設計中采用的處理器是AT89C51單片機，由此可采用面向MCS-51的程序設計語言，包括ASM51匯編語言和C51高級語言，這兩種語言各有特點。 匯編語言是一種用文字助記符來表示機器指令的符號語言，是最接近機器碼的一種語言。其主要優(yōu)點是占用資

29、源少、程序執(zhí)行效率高。但是不同的CPU，其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。 </p><p>　　如果對單片機C語言有興趣，C語言是一種結構化的高級語言。其優(yōu)點是可讀性好，移植容易，是普遍使用的一種計算機語言。缺點是占用資源較多，執(zhí)行效率沒有匯編高。 </p><p>　　匯編語言是一種用文字助記符來表示機器指令的符號語言，是最接近機器碼的一種語言。其主要優(yōu)點是占用資源少、程序執(zhí)行效率

30、高。但是不同的CPU，其匯編語言可能有所差異，所以不易移植。 </p><p>　　而C語言是一種編譯型程序設計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結構化程序設計語言，它支持當前程序設計中廣泛采用的由頂向下結構化程序設計技術。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結構，從而為軟件開發(fā)中

31、采用模塊化程序設計方法提供了有力的保障。因此，使用C語言進行程序設計已成為軟件開發(fā)的一個主流。用C語言來編寫目標系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進和擴充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。 </p><p>　　綜上所述，用單片機C語言程序設計是單片機開發(fā)與應用的必然趨勢。所以作為一個技術全面并涉足較大規(guī)模的軟件系統(tǒng)開發(fā)的單片機開發(fā)人員最好能夠掌握基本的C語言編程。</p&

32、gt;<p>　　4.2軟件程序的設計</p><p>　　程序主要由主程序和子程序兩部分構成。 </p><p>　　主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化， A/D轉換，顯示數(shù)據(jù)。 </p><p>　　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

33、，輸出端口的初始化，采集、累計數(shù)據(jù)的初始化。 </p><p>　　圖3-2 程序流程圖</p><p>　　如圖3-2流程圖所示：在金屬箔應變片模塊上放若干砝碼，通過應變片放大感應電壓，將電壓值傳到0809的IN0口，通過模數(shù)轉換，在89C51單片機中運行，輸出到led顯示屏上數(shù)字。</p><p><b>　　5.實驗實物圖</b><

34、/p><p>　　圖5-1（a）沒有砝碼前端顯示</p><p>　　圖5-1（b）沒有砝碼后端顯示</p><p>　　說明：如圖5-1所示，因為A/D轉換芯片的靈敏性，初始值電壓180mv，轉換值為0。所以在沒有放砝碼時，后端顯示為00。</p><p>　　圖5-2（a）50g砝碼后端顯示</p><p>　　圖5-

35、2（b）50g砝碼前端顯示</p><p>　　說明：如圖5-2所示，在放上一個50g的小砝碼的顯示，有0.003mv的誤差，完全在誤差范圍內，屬于系統(tǒng)誤差。</p><p>　　圖5-3（a）200g砝碼前端顯示</p><p>　　圖5-3（b）200g砝碼后端顯示</p><p>　　說明：如圖5-3所示，再放上兩個100g的砝碼在前端

36、傳感器上，顯示的輸出。也有一點系統(tǒng)誤差。</p><p>　　圖5-4任意重量的顯示</p><p>　　說明：如圖5-4所示，圖中操作者按壓金屬箔應壓片，測得在范圍內任意數(shù)值的顯示?？梢钥闯觯褍x器的敏感度及測量極值。</p><p><b>　　6．小結</b></p><p>　　本次實訓結束之后我對傳感器有了更進

37、一步的了解。對AT89C51單片機我們有了新的認識，并且這次課設讓我們能更加熟練的應用單片機。應變片傳感器反應不時很靈敏，所以在取數(shù)據(jù)的時候還要稍微等一會，而我做出來的電子稱精度也達到50mv/50g,這個精度已經(jīng)相當好了，可以測出50g到2100g的重量變化。同時我在調試電路時發(fā)現(xiàn)一個問題就是，這次我做的系統(tǒng)結果會產(chǎn)生一定的漂移和可用的電壓只能到2.3V，A/D轉換的芯片可以承受5V，這就是電路中需要改進的地方。在本周的實訓，在基本沒

38、有接觸過的實驗儀器上，慢慢摸索出了這次實驗的過程，并且完成了它。</p><p>　　本次實訓，有組員的齊心協(xié)力，有老師的提點才能順利的完成，我們組在這次實訓中，認真的做實訓的要求，最終，把正確的結果展示在老師和其他人的面前，也是很有成就感的。這次課設增強了我們的動手能力和創(chuàng)新能力，通過這次課設我們學習到了很多東西，這對我們畢業(yè)以后是很有幫助的。</p><p><b>　　參考

39、文獻</b></p><p>　　[1] 趙偉國,宋執(zhí)環(huán),黃震威,梁國偉. 基于熱膜探頭的新型氣體流量傳感器研究. 儀器儀表學報, 2009,30(5): 1073~1077. </p><p>　　[2] 趙開春,褚金奎,張 強,王體昌. 新型仿生偏振測角傳感器及角度誤差補償算法.

40、60;宇航學報, 2009,30(2): 503~508. </p><p>　　[3] 邊翠華,孫以材,潘國鋒. 一種新型氣敏傳感器測量裝置. 研究與開發(fā), 2009,04: 14~17 [4] 魏利民,胡姝玲,張曉青,孟照魁,胡漢偉. 新型數(shù)字溫度傳感器的原理及應用.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 

41、;2009,9: 43~46. </p><p>　　[5] 劉 顏. 新型電流生物傳感器的研制. 西南師范大學, 2005,04. </p><p>　　[6] 吳 艷. 多傳感器數(shù)據(jù)融合算法研究. 西安電子科技大學, 2003,04. </p

42、><p>　　[7] 楊 靜. 遙感多傳感器圖像融合中若干問題的研究. 中國科學院, 2003,09. </p><p>　　[8] 尹輝娟,史智興. 模糊控制技術在節(jié)水灌溉中的應用. 安徽農(nóng)業(yè)科學, 2009,37(23): 11190~11191.</p><p

43、><b>　　附錄</b></p><p>　　DICE-51仿真軟件程序：（c語言編程）</p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　#include<absacc.h></p><p>　　#include<intrins.h></p&g

44、t;<p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define com8155 XBYTE[0xff20]/*8155控制字*/</p><p>　　#define pa8155 XBYTE[0xff21]/*數(shù)碼管字位口*/</p><p>　　#define pb8155 XBYTE[0xff

45、22]/*數(shù)碼管字形口*/</p><p>　　#define ad0809 XBYTE[0x9000]</p><p>　　void delay(unsigned int i) /*延時子程序*/</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int j,k;<

46、/p><p>　　for(k=0;k<i;k++)</p><p>　　for(j=0;j<100;j++); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main(void)</p><p>　　{ uchar idata disbuf[6]={0,8,0,

47、9,5,5}; /*定義數(shù)碼管字形碼數(shù)組*/</p><p>　　uchar code table[20]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,0xFF,0x0C,0x89,0xDE}; /*七段LED數(shù)碼管段選碼*/</p><p>　　com815

48、5=0x43;/*8155控制字設置*/</p><p><b>　　while(1)</b></p><p>　　{uchar x=6,y=0x20,m,n,w,r,shi,ge,t=0xff; /*X:表示6個數(shù)碼管，Y：送LED數(shù)碼管字位值*/</p><p>　　y=~y; /*取反命令*/</p>

49、;<p>　　ad0809=0x00; /*0809的0通道采樣*/</p><p><b>　　delay(1);</b></p><p>　　m=ad0809; /*取出采樣值*/</p><p>　　/*將采樣取出的16進制數(shù)拆分送LED數(shù)碼管顯示*/</p><p>　　/*取

50、出采樣值低4位*/</p><p><b>　　m=m&t;</b></p><p>　　r=100*m/(256-m);</p><p><b>　　w=r；</b></p><p><b>　　ge=w%10;</b></p><p>　　d

51、isbuf[5]=ge;</p><p>　　shi=w/10;/*取出采樣值高4位*/</p><p>　　disbuf[4]=shi;</p><p>　　for(x=0;x<6;x++)/*六位數(shù)碼管動態(tài)循環(huán)顯示*/</p><p>　　{pb8155=table[disbuf[x]]; /*將顯

52、示數(shù)值轉化成LED段選碼送數(shù)碼管字形口*/</p><p>　　pa8155=y;/*將字位值送數(shù)碼管字位口*/</p><p>　　delay(2);/*延時幾毫秒*/</p><p>　　y=_cror_(y,1);/*位選碼右移一位，再選通下一個數(shù)碼管，依次循環(huán)顯示*/</p><p><b>