應變傳感器及稱重系統(tǒng)傳感器設計

1、 1 摘 要本文介紹一種以 AT89S52單片機為核心，包括 ADC0809類型轉(zhuǎn)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。關鍵字：關鍵字：擴散硅壓阻式壓力傳感器，AT89S52 單片機，ADC0809，數(shù)碼管 2目錄目錄1.引言引言.41.1 課題開發(fā)的背

2、景和現(xiàn)狀.41.2 課題開發(fā)的目的和意義.42.2.設計方案設計方案.52.1 設計要求.52.2 設計思路.53.硬件設計硬件設計.63.1 電路總框圖 .63.2 傳感器電路模塊 .63.3 A/D 變換電路模塊 .83.4 硬件電路連線 .94.軟件設計軟件設計.114.1 程序設計語言的選用.114.2 軟件程序的設計.115.實驗實物圖實驗實物圖.136小結(jié)小結(jié).17參考文獻參考文獻.18附錄附錄.19 31.引言引言1.1 課題開發(fā)的背景和現(xiàn)狀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(zhuǎn)換成可用輸出信號的的器件或裝置，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路三部分組成。傳感器

3、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(zhì)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。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(zhuǎn)換芯片 TLC549進行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機 At89C51，通過同向門 7407驅(qū)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(zhuǎn)換。1.2 課題開發(fā)的目的和意義日常生活和生產(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

4、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、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(jié)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。 42.2.設計方案設計方案2.1 設計要求1了解應變橋的工作原理；2掌握應變橋的調(diào)理電路和 AD 轉(zhuǎn)換；3了解非線性特性和其校正方式； 4使用單片機讀取轉(zhuǎn)換值并顯示。2.2 設計思路本設計中采用的處理器是 AT89C51 單片機，由此

5、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。 如果對單片機 C 語言有興趣，C 語言是一種結(jié)構化的高級語言。其優(yōu)點是執(zhí)行效率沒有匯編高。 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。 而 C 語言是一種編譯型程序設計語言，它

6、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(jié)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(jié)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(jié)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)。 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。

7、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。 53.硬件設計硬件設計3.1 電路總框圖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(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過 89C51 芯片，在 LED 數(shù)碼管顯示所要的結(jié)果。總的電路構建框圖如下。壓力采集壓力采集信號調(diào)理信號調(diào)理AT89C51A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換顯示顯示電源電源圖圖 3.13.1 基于基于 MCS-51MCS-51 單片機為核心壓力傳感器實驗構建框圖單片機為核心壓力傳感器實驗構建框圖表 3-1 元器件清單名稱名稱型號型號數(shù)量數(shù)量單片機AT89S521交流、全

8、橋、測量、差動、放大實驗模塊1金屬絲鉑片式壓力傳感器實驗模塊1模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC08091導線若干3.2 傳感器電路模塊 6 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： lRS （1） 當金屬電阻絲受到軸向拉力 F 作用時，將伸長l，橫截面積相應減小S，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R。對式（1）全微分，并用相對變化量來表示，則有：RlSRlS （2） 式中的ll為電阻絲的軸向應變，用表示，常用單位（1=1610mmmm） 。若徑向應變?yōu)閞r，電阻絲的縱向伸長和橫向收縮的關系用泊松比表示為lrrl （），因為SS=2（

9、rr） ，則（2）式可以寫成：01212RlllkRll lll （）（） （3）式（3）為“應變效應”的表達式。0k稱金屬電阻的靈敏系數(shù)，從式（3）可見，0k受兩個因素影響，一個是（1+2） ，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210k，對半導體，0k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(nèi)，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)0k=2 左右。用應變片測量受力時，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，

10、其電阻值發(fā)生相應變化。通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)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：E （4）式中 測試的應力； E材料彈性模量?？梢詼y得應力值 。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)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。 7圖圖 3.23.2 金屬絲鉑片壓力傳感器金屬絲鉑片壓力傳感器3.3 A/D 變換電路模塊 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。這里

11、我們選用逐次逼近型，即 ADC0809。它由5V 電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的 8 路模擬多路開關，片內(nèi)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，256 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)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 0V5V 的雙極性模擬信號進行轉(zhuǎn)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：2-1 2-8：8 位數(shù)字量輸出引腳，由最低引腳到最高引腳。IN0IN7:8 路模擬量輸入引腳。CCV：+5V 工作電壓。GND：地。REF（+）：

12、參考電壓正端。REF（）：參考電壓負端。START：A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。以上兩個信號用于啟動 A/D 轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳。開始轉(zhuǎn)換時為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。OE：輸出允許控制端。用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時鐘信號輸入端。ADDA、ADDB、ADDC：地址輸入線。經(jīng)譯碼后可選通 IN0IN7 8 個通道的一個通道進行轉(zhuǎn)換。 8圖圖 3.33.3 ADC0809ADC0809 引腳圖引腳圖 3.4 硬件電路連線圖圖 3.43.4 硬件電路圖硬件電路圖硬件連線及原理：1 號模板、14 號模塊、砝碼 200g，15V 電源、5V

13、電源、0-2V 數(shù)顯表。 a、按實驗三全橋性能實驗的步驟， 14 號模塊調(diào)零（旋 W5、W6，方法同單臂電橋?qū)嶒灒?。具體接線見圖 2-1。b、將 100g 砝碼置于 1 號模塊的托盤上，調(diào)節(jié)電位器 W3、W4 使數(shù)顯表顯示為0.100V（2V 檔測量）或-0.100V。c、拿去托盤上的砝碼，調(diào)節(jié)電位器 W5、W6（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.000V。 9d、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。e、把砝碼依次放在托盤上，填入下表 3-4。表表 3-43-4重量（g）050100150200250電壓（mv）0501001

14、51201250 104.軟件設計軟件設計4.1 程序設計語言的選用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。 如果對單片機 C 語言有興趣，C 語言是一種結(jié)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。 匯編語言是一種用文字助記符來表

15、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。 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(jié)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(jié)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(jié)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

16、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)。 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。4.2 軟件程序的設計程序主要由主程序和子程序兩部分構成。 主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化， A/D 轉(zhuǎn)換，顯示數(shù)據(jù)。 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 11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，輸出端口的初始化，采集、累

17、計數(shù)據(jù)的初始化。 應變片壓力接受應變片壓力接受開開 始始0809A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理顯示顯示結(jié)結(jié) 束束圖 3-2 程序流程圖如圖 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(zhuǎn)換，在 89C51 單片機中運行，輸出到 led 顯示屏上數(shù)字。 125.實驗實驗實物圖實物圖圖 5-1（a）沒有砝碼前端顯示圖 5-1（b）沒有砝碼后端顯示說明：如圖 5-1 所示，因為 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的靈敏性，初始值電壓 180mv，轉(zhuǎn)換值為 0。所以在沒有放砝碼時，后端顯示為 00。 13圖 5-2（a）50g 砝碼后端顯

18、示圖 5-2（b）50g 砝碼前端顯示說明：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(nèi)，屬于系統(tǒng)誤差。 14圖 5-3（a）200g 砝碼前端顯示圖 5-3（b）200g 砝碼后端顯示說明：如圖 5-3 所示，再放上兩個 100g 的砝碼在前端傳感器上，顯示的輸出。也有一點系統(tǒng)誤差。 15圖 5-4 任意重量的顯示說明：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(nèi)任意數(shù)值的顯示。可以看出，已儀器的敏感度及測量極值。 166小結(jié)小結(jié)本次實訓結(jié)束之后我對傳感器有了更進一步的了解。對 AT89C51 單片機我們有了新的認識，并

19、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(diào)試電路時發(fā)現(xiàn)一個問題就是，這次我做的系統(tǒng)結(jié)果會產(chǎn)生一定的漂移和可用的電壓只能到 2.3V，A/D 轉(zhuǎn)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。 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(jié)果展示在老師和其他人

20、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。 17參考文獻參考文獻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, 2021,30(5): 10731077. 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. 宇航學報, 2021,30(2): 503508. 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), 2021,04: 1417 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

21、用.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2021,9: 4346. 5 劉 顏. 新型電流生物傳感器的研制. 西南師范大學, 2021 ,04. 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, 2021 ,04. 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, 2021 ,09. 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, 2021,37(23): 1119011191. 18附錄附錄DICE-51 仿真軟件程序：（c 語言編程）#include#include#include#define uchar unsigned char#defin

22、e com8155 XBYTE0 xff20/*8155 控制字*/#define pa8155 XBYTE0 xff21/*數(shù)碼管字位口*/#define pb8155 XBYTE0 xff22/*數(shù)碼管字形口*/#define ad0809 XBYTE0 x9000void delay(unsigned int i) /*延時子程序*/ unsigned int j,k; for(k=0;ki;k+) for(j=0;j100;j+); void main(void) uchar idata disbuf6=0,8,0,9,5,5; /*定義數(shù)碼管字形碼數(shù)組*/ uchar code 19

23、table20=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90,0 x88,0 x83,0 xC6,0 xA1,0 x86,0 x8E,0 xFF,0 x0C,0 x89,0 xDE; /*七段 LED 數(shù)碼管段選碼*/ com8155=0 x43;/*8155 控制字設置*/ while(1) uchar x=6,y=0 x20,m,n,w,r,shi,ge,t=0 xff; /*X:表示 6 個數(shù)碼管，Y：送 LED 數(shù)碼管字位值*/ y=y; /*取反命令*/ ad0809=0 x00; /*0809 的 0 通道采

24、樣*/ delay(1); m=ad0809; /*取出采樣值*/ /*將采樣取出的 16 進制數(shù)拆分送 LED 數(shù)碼管顯示*/ /*取出采樣值低 4 位*/ m=m&t; r=100*m/(256-m); w=r； ge=w%10; disbuf5=ge; shi=w/10;/*取出采樣值高 4 位*/ disbuf4=shi; for(x=0;x6;x+)/*六位數(shù)碼管動態(tài)循環(huán)顯示*/ pb8155=tabledisbufx; /*將顯示數(shù)值轉(zhuǎn)化成 LED 20段選碼送數(shù)碼管字形口*/ pa8155=y;/*將字位值送數(shù)碼管字位口*/ delay(2);/*延時幾毫秒*/ 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*/ 21 公司印章管理制度公司印章管理制度一、目的一、目的 公司印章是公司對內(nèi)對外行使權力的標志，也是公司名稱的法律體現(xiàn)， 因此，必須對印章進行規(guī)范化、合理化的嚴格管理，以保證公司各項業(yè)務的正常運作，由公司指定專人負責管理。二、印章的種類二、印章的種類1、公章，是按照政府規(guī)定，由主管部門批準刻制的代表公司權力的印章。2、專用