压力测量仪 单片机课程设计_压力测量仪课程设计
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目 录
第 1章 课程设计简介......................................................................................1
1.1 设计要求...............................................................................................1 1.2 要求分析.............................................................................................1 第 2章 总体设计............................................................................................2
2.1 压力测量仪框图...................................................................................2 2.2 原理.......................................................................................................2 恒压源供电不能消除温度影响。.......................................................................4 第 3章 模块电路设计....................................................................................5
3.1 电桥测量电路.....................................................................................5 3.2 模数转换...............................................................................................6 3.3 放大电路...........................................................................................7 第 4章 硬件电路设计....................................................................................8
4.1 模数转换器.......................................................................................8 4.2 金属箔应变片.......................................................................................9 第五章 电路调试与说明...................................................................................11 心得体会.............................................................................................................12 参考文献.............................................................................................................13 附录
系统原理图...................................................................................14
第 1章 课程设计简介
1.1 设计要求
(1)设计一个电子天平，量程为0 ～ 1.999Kg，传感器采用悬臂梁式的称重传感器（悬臂梁上贴有应变片）。显示电路采用共阳极数码管。3位半A/D转换电路。
(2)安装、调试电路。首先对电路进行调零、定标，然后再对电路进行稳定性、漂移（零漂、温漂）、重复性、线性等参数的测试和分析。
1.2 要求分析
压力测量仪设计在于其精度高、显示时间快、操作方便、易读数、价格低廉等优点。此次设计通过使用电桥测量传感器采集模拟信号，仪用放大电路对微弱信号进行放大，送入MC14433A/D转换器进行模数转换，然后进行BCD码的译码，再经驱动电路送入LED显示电路显示，完成了压力测量仪的基本设计。能够实现对0到1.999Kg物体的测量。
需掌握金属箔应变片组成的称重传感器的正确使用方法、放大电路、A/D转换电路等
第 2章 总体设计
2.1 压力测量仪框图
2.2 原理
压力测量仪由以下五个部分组成：传感器、传感器专用电源、信号放大系统、模数转换系统及显示器等组成。
(1)传感器测量电路
称重传感器的测量电路通常使用电桥测量电路，它将应变电阻值的变化转换为电压的变化，这就是可用的输出信号。
电桥电路由四个电阻组成，如图2所示：桥臂电阻R1，R2，R3和R4，其中两对角点AC接电源电压USL=E（+10V），另两个对角点BD为桥路的输出USC，桥臂电阻为应变电阻。
R1R4=R2R3时，电桥平衡，则测量对角线上的输出USC为零。当传感器受到外界物体重量影响时，电桥的桥臂阻值发生变化，电桥 2
失去平衡，则测量对角线上有输出，USC≠0。
(2)放大系统
压力测量仪的放大系统是把传感器输出的微弱信号进行放大，放大的信号应能满足模数转换的要求。该系统使用的模数转换是3位半A/D转换，所以放大器的输出应为0V ～ 1.999V。
为了准确测量，放大系统设计时应保证输入级是高阻，输出级是低阻，系统应具有很高的抑制共模干扰的能力。
(3)模数转换及显示系统
传感器的输出信号放大后，通过模数转换器把模拟量转换成数字量，该数字量由显示器显示。显示器可以选用数码管或液晶显示器
(4)传感器供电电源 有恒压源与恒流源
对于恒压源供电：参考图2，设四个桥臂的初始电阻相等且均为R，当有重力作用时，两个桥臂电阻增加△R，而另外两个桥臂的电阻减少，减小量也为△R。由于温度变化影响使每个桥臂电阻均变化△RT。这里假设△R远小于R，并且电桥负载电阻为无穷大，则电桥的输出为：
USC= E*(R+△R+△RT)/(R-△R+△RT +R+△R+△RT)-E*(R-△R+△RT)/(R+△R+△RT +R-△R+△RT)= E*△R/（R+△RT）
即
USC= E*△R/（R+△RT）式(1)说明电桥的输出与电桥的电源电压E的大小和精度有关，还与温度有关。
如果△RT=0，则电桥的电源电压E恒定时，电桥的输出与△R/R
成正比。
当△RT≠0时，即使电桥的电源电压E恒定，电桥的输出与△R/R也不成正比。这说明 恒压源供电不能消除温度影响。
对于恒流源供电：供电电流为I，设四个桥臂的电阻相等，则
IABC=IADC=0.5I 有重力作用时，仍有
IABC=IADC = 0.5I 则电桥的输出为：
USC= 0.5I*(R+△R+△RT)-0.5I*(R-△R+△RT)=I*△R 即 USC= I*△R 式(2)因此，采用恒流源供电，电桥的输出与温度无关。因此，一般采用恒流源供电为好。
由于工艺过程不能使每个桥臂电阻完全相等，因此，在零压力时，仍有电压输出，用恒流源供电仍有一定的温度误差。
第 3章 模块电路设计
3.1 电桥测量电路
图2 传感器电桥测量电路
USC= E*(R+△R+△RT)/(R-△R+△RT +R+△R+△RT)-E*(R-△R+△RT)/(R+△R+△RT +R-△R+△RT)= E*△R/（R+△RT）
即 USC= E*△R/（R+△RT）
对于恒流源供电：供电电流为I，设四个桥臂的电阻相等，则
IABC=IADC=0.5I 有重力作用时，仍有
IABC=IADC = 0.5I 则电桥的输出为：
USC= 0.5I*(R+△R+△RT)-0.5I*(R-△R+△RT)=I*△R 即 USC= I*△R 由于工艺过程不能使每个桥臂电阻完全相等，因此，在零压力时，仍有电压输出，用恒流源供电仍有一定的温度误差。
3.2 模数转换
A/D转化电路。
亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。
A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。一般情况下，量化和
编码是同时完成的。
抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程；
量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程；
编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。3.3 放大电路。
第 4章 硬件电路设计
4.1 模数转换器
即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。
通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。
A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。
在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。
本实验采用的是ICL7017三位半A/D转换器，即低三位显示0-9，最高位只能显示0或1，4.2 金属箔应变片
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。描述电阻应变效应的关系式为：ΔR / R =Kε式中：ΔR / R 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变 灵敏系数，ε = ΔL / L 为电阻丝长度相对变化。同时，由于应变片敏感栅丝的温度系数的影响，以及应变栅线膨胀系数与被测试件的线膨胀系数不一致，产生附加应变，因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，由于温度影响，输出会有变化。
金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压/ 4 01 U = EKε。当应变片阻值和应变量相同时，半桥输出电压/ 2 02 U = EKε。全
桥输出电压U = EKε 03，其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性度和温度误差均得到改善。
第五章 电路调试与说明
1、将+10V电压接到传感器的输入端，测量传感器的输出。在空载时，传感器的输出应为零，但由于有一个称盘，输出不为零，记下初始数据，然后在称盘上放砝码，测量传感器输出端的变化。正确的变化应为：测量0 ～ 2Kg，输出电压变化为0 ～ 10mV 2调零：当传感器上不放砝码时，放大电路的输出应为零。若不为零，调整放大器的调零环节，使其输出为零。
3、定标：当传感器放上2Kg的砝码时，放大器的输出应为2V。小于2V或大于2V时应调节放大器的增益。
心得体会
两周的课程设计终于完成了。测控电路课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还很多，以前老是觉得有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
参考文献
1、《单片机C语言轻松入门》周坚编
北京航空航天大学出版社
2、单片机人机接口实例 公茂法编著，北京航空航天大学出版社
3、《测控电路》
张国雄主编
附录
系统原理图
