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        電阻應(yīng)變片橋式電路原理及課程實驗設(shè)計

        2016-12-17 13:41:59吳迪周長偉伍遠博沈成馮燦江均均
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2016年21期

        吳迪+周長偉+伍遠博+沈成+馮燦+江均均+袁宇

        摘 要:筆者設(shè)計了一個高精度的電阻應(yīng)變片橋式測量電路。系統(tǒng)把12 V直流電源轉(zhuǎn)換為5.5 V,再轉(zhuǎn)換為各個芯片工作需要的5 V和3.3 V電壓,由TL431芯片供給一個2.5 V基準(zhǔn)電壓源從而保證測量電壓高穩(wěn)定性。系統(tǒng)首先把全橋應(yīng)變片電路作為傳感單元,傳感單元的輸出信號送入AD620差分放大,再進入MCP3421中模數(shù)轉(zhuǎn)換,最后經(jīng)由MCU中的程序處理,在液晶顯示屏中顯示出來。測試結(jié)果表明,設(shè)計的電子分辨率達到0.1 g,電子秤稱重范圍0~500 g,稱重誤差小于0.5 g。設(shè)計的電子秤可以對應(yīng)變片的線性應(yīng)變進行測量,因此驗證了電阻應(yīng)變片傳感器測量原理。

        關(guān)鍵詞:電阻應(yīng)變片 橋式電路 應(yīng)變片實驗。

        中圖分類號:G642.423 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2016)07(c)-0128-03

        在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中,傳感器原理是一門理論性非常強的課程[1-2],為了使學(xué)生更好地掌握每種傳感器的原理,教學(xué)中都配套相應(yīng)的實驗。但是目前學(xué)生主要根據(jù)實驗指導(dǎo)書進行驗證性實驗,實驗操作訓(xùn)練不足,創(chuàng)新能力難以提升[3]。事實上,實驗中以及實際測量中的應(yīng)變是極其微小的,傳統(tǒng)的測量儀器使用的測量方法和電路精度很差,只能作為嘗試型的實驗,無法滿足高精度的測量。而現(xiàn)在有更多的教學(xué)選擇虛擬儀器來模擬應(yīng)變的測量過程[4-5]。但是這樣讓學(xué)生更缺乏對傳感器和相應(yīng)測量電路的深刻認識。

        針對以上問題,該文提出一個高精度的電阻應(yīng)片變橋式電路測量方法,由此設(shè)計了一個分辨率為0.1 g的高精度電子秤,來測量應(yīng)變的線性程度,并把該方法應(yīng)用到傳感器原理的實驗教學(xué)中。該設(shè)計由以12 V電源供電的電源模塊、高精度的差放與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、ATmega128A芯片為主的運算模塊及鍵盤輸入與顯示模塊等模塊構(gòu)成。該設(shè)計可以實現(xiàn)高精度測量,正確計算與顯示電子秤的金額且能實現(xiàn)去皮等功能,滿足0~500 g測量量程范圍內(nèi)誤差小于0.5 g。

        1 電阻應(yīng)變片橋式電路原理

        Ks為金屬絲靈敏系數(shù),其物理意義是單位應(yīng)變引起的電阻相對變化。

        所以應(yīng)變片發(fā)生的應(yīng)變可以轉(zhuǎn)化為長度的變化,由此改變電阻。只需要測量出改變的電阻就能反映出應(yīng)變的大小。

        電阻改變可以用橋式電路實現(xiàn)。在使用全橋電路時其原理圖如圖1。

        為符合實驗設(shè)計要求,當(dāng)在電橋兩端所加電壓為2.5 V時,電壓放大電路的精度高于12位時便能保證整體系統(tǒng)精度在千分之一以內(nèi)。

        2 測量電路設(shè)計

        2.1 電源電路

        電源部分采用分級降壓的方式,由12 V開關(guān)電源給芯片LM2596供電,LM2596將12 V轉(zhuǎn)為5.5 V后,再通過3.3 V型的SPX3819芯片將電壓轉(zhuǎn)化為3.3V給ATmega128A單片機供電,在電橋部分采用TL431芯片為核心的2.5 V降壓模塊,模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與放大電路模塊則統(tǒng)一用第二級降壓模塊5 V型的SPX3819作為供電電源。

        以LM2596芯片為核心將輸入的12 V電壓進行一級降壓,被降至5.5 V的電壓將作為3.3 V降壓模塊與5 V降壓模塊的輸入電壓進行第二級降壓。

        如圖2所示。SPX3819芯片作為第二級電源模塊把5.5 V電壓作為輸入,并降至3.3 V和5 V電壓供給單片機ATmega128A和其他芯片以實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸入。

        2.2 差放電路

        使用AD620芯片,其原理圖如圖3。

        橋式電路的AD+和AD-端口分別連接AD_IN1和AD_IN2,可實現(xiàn)高精度的差分放大。通過調(diào)節(jié)inaG1電阻,實現(xiàn)增益放大。阻值為150 Ω,約334倍增益。

        2.3 AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

        使用芯片MCP3421芯片進行輸出信號的AD轉(zhuǎn)換。其原理圖如圖4。

        差放電路的輸出電壓經(jīng)過MCP3421的1腳,可實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換并由SCL和SDA端口輸出給MCU主控芯片。

        在單片機收到經(jīng)由放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電壓信號后,為了實現(xiàn)價格的計算、總價的求和及去皮功能,須用到ATmega128A程序設(shè)計。圖4為單片機的程序流程圖,通過在多次讀取數(shù)值后取平均值的數(shù)字濾波方式,再一次增強的輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,增強了系統(tǒng)的抗干擾能力,從而加強了整體系統(tǒng)的精度。

        3 實驗設(shè)置與測量結(jié)果

        3.1 實驗設(shè)置

        設(shè)計分析軟件環(huán)境:Prpgisp172、CVAVR2軟件、Altium Designer電路設(shè)計等軟件。儀器設(shè)備硬件平臺:12 V穩(wěn)壓電源、萬用表等。

        3.2 實驗結(jié)果分析

        (1)結(jié)果對比分析。

        實驗中對測量的輸出電壓以及對應(yīng)的測量質(zhì)量做出記錄,如表1所示。

        由表1和圖5可以看出,所設(shè)計的電阻應(yīng)變片橋式電路的輸出電壓和和相應(yīng)的測量質(zhì)量呈線性關(guān)系。說明應(yīng)變片的應(yīng)變和外力呈線性關(guān)系。由此,可以測量出相應(yīng)的質(zhì)量。

        (2)系統(tǒng)測試性能指標(biāo)。

        ①電子秤可以數(shù)字顯示被稱物體的重量,單位克(g)。

        ②電子秤稱重范圍0~500 g,稱重誤差小于0.5 g。

        ③電子秤可以設(shè)置單價(元/克),可計算物品金額并實現(xiàn)金額累加。

        ④電子秤具有去皮功能,去皮范圍不超過100 g。

        4 結(jié)語

        該設(shè)計由以12 V電源供電,經(jīng)AD620與MCP3421構(gòu)成的差放與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對信號進行處理、ATmega128A單片機執(zhí)行與鍵盤操作相關(guān)程序后可以實現(xiàn):高精度測量、正確計算與顯示金額、實現(xiàn)去皮等提高功能,可以達到0~500 g量程,誤差小于0.5 g。由此,可以對應(yīng)變片的線性應(yīng)變進行測量,因此驗證了電阻應(yīng)變片的傳感器測量原理。

        參考文獻

        [1] 賈伯年,俞樸.傳感器技術(shù)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2000.

        [2] 李道華,李玲,朱艷.傳感器電路分析與設(shè)計[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2000.

        [3] 劉瑞,谷志翔.基于電阻應(yīng)變片傳感器的網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗設(shè)計[J].實驗實踐教學(xué),2014(32):119-124.

        [4] 李鳳保,李凌,王曉東.基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報,2004,25(S2):295-297.

        [5] 吳建,裴峰,李曉紅,等.基于LabVIEW的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試,2013(Z1):52-54.

        [6] 郇新,劉海亮.基于MSP430單片機的電子秤設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2016(2):28.

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