电子式拉力计的设计方案

1 电子式拉力计的设计方案 1 绪论 题研究的背景及意义 通常电子仪表可以分为模拟式和数字式两种类型。模拟仪表的特点是通过指针的移动，能连续、直观地反映被测变量的测量结果及变化过程。模拟仪表因设计原理而存在固有的局限性：其显示精度受到表盘刻度限制，精确度提高很困难；读数存在主观误差；模拟显示的跟随速度不能太快；模拟记录是一种纸制记录，换纸、换笔既不方便也很浪费；记录结果在纸上，不利于信息的进一步处理 1数字式仪表是电子技术、计算机技术与精密测量技术结合的产物，已成为仪表领域中一个重要分支。 数字式仪表具有响应快、精确度高、分辨率高等优点，还能实现人机对话，便于数据的进一步处理。 生产的发展对电子仪表提出了越来越高的要求，需要仪表既准确的显示、记录参数大小，又能借助电脑连续反映出参数变化的过程和趋势。用户需要通过测量仪表准确判断设备运行状态从而有效分析数据和实现遥测，传统的电子仪表已经不能满足要求。因此带有 智能数字式仪表 ,能与电脑有效连接以实现连续记录，对仪表技术的开发和应用都极具研究价值 3。 由于智能型仪表功能上明显的优点，进年来，化工业的四大测量参数压力、温度、液位及流量的测量及 成分测量、阀位控制都广泛的运用到智能型仪表， 推广和应用，也带动了智能型仪表的快速发展和常规仪表的更新换代。因为智能型仪表可与 作界面上也能方便地进行故障检查、参数修正等工作；智能型仪表推广的越来越普及，也大大的促进了国内仪表厂商开发智能型仪表的积极性，开发出很多符合 议和以微处理器为基础与上位机联网通讯的智能型仪表产品；随着仪表智能程度的提高和微处理器功能的加强，现在智能仪表的功能已经不仅限于数据采集，还加入越来越多的远程控制功能。 2 测量仪表的主要功能由数据采集、 数据显示和数据分析等三大部分而组成。在虚拟现实系统中，数据显示和分析完全用上位机的软件来完成。所以，只要提供一定的数据采集硬件，就可以与 种基于 虚拟仪表中，即使是同一个硬件系统，只要配套不同的软件，就可得到功能完全不同的测量仪表。可见，软件系统是虚拟仪表的核心，“软件就是仪表”。传统的智能仪表主要在仪表技术中用了某种计算机技术，而虚拟仪表则强调在通用的计算机技术中吸收仪表技术 4。作为虚拟仪表的核心，软件系统具有通用性、可视性、通俗性、可扩展性以及 可升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的智能仪表所无法比拟的应用前景和市场。 电子式拉力计 ,是一种体型轻巧、功能强大的数字式电子仪表。 随着微电子技术的高速发展，电子式拉压力计开始 渐渐 取代传统 的 机械式拉压力计，在拉压力测量 市场 中占有了越来越重要的地位 5。传统的机械式拉压力计 因为 在机械方面固有的误差和耐久度 方面 的缺陷，在现代高精度 的 测量 要求 下，已经不能 满足 人们的 需求 。 电子式拉力计 和传统的机械式拉压力计相比，具有精度高，功能强的 特点 。 目前国内市场上的数显电子式拉力计中 ,日本的产品占主导地位 ,其次是 美国 ,而国内品牌的电子拉力计与行业领导品牌具有一定差距。因此 ,国内市场对拉力计的需求目前基本上全靠进口 6。但是 ,这些产品的价格十分昂贵。因此 ,我们迫切需要有自己的电子式拉力计。本设计的目的是研制出高性能、易使用的电子式拉力计系统。 本课题要求完成一个基于单片机的电子式拉力计的设计，通过对信号的采集，放大，A/D 转换自动的进行数据采集和分析，达到对拉力的测试功能；本系统以 键盘输入实现两档测量量程（ 050N, 50500N）的转换，测量精度为 1，采 用液晶显示器显示结果。从而实现拉力的测试和显示。 子式拉力计原理 电子式拉力计是利用拉力传感器感受拉力变化，然后输出模拟信号。并经过放大器对其输出的信号进行放大处理，经过 A/后处理结果在 其原理如图 3 图 力计原理 文的主要工作 本文主要从硬件和软件方面设计了电子式拉力计，所做工作如下： 对目前已有电子式拉力计的不足，对电子式拉力计的功能进行创新、改进， 降低数字电子式拉力计的功耗，提高数显电子式拉力计的测量精度。 制了各个功能模块的原理图并画出总图（附录 A）。 计并实现了电子式拉力计软件上的各个功能。 4 2 设计方案的比较及论证 本设计要求完成一个电子式拉力计的设计，通过拉力传感器对信号的采集、放大、A/到对拉力的测试功能。 本设计要求以单片机作为控制系统的核心部件，以键盘输入实现两档测量量程（ 050N, 50500N）的转 换，测量精度为 1，采用 晶显示屏显示，从而实现拉力的测试和显示。鉴于以上要求以及成本上的考虑并结合本人对硬件的掌握程度，联系系统原理图，本章节 就 案进行比较和论证 。 计方案的比较 案 如图 图 案 5 如图 图 案的确定 通过对两个方案的原理图比较可以发现，由于 路 10 位的 A/D 转换器，如果选用 案不但可以节省硬件成本，而且降低了电路的复杂度，更有利于拉力计精确度的提高；而在软件上，两者的复杂程度是相似。故本课题设计选用方案二（ 案）。其硬件原理图见附录 A。 要元件介绍 力传感器简介 传感器是能够感受规定的被测量并按人们需求转换为可用的信号进行输出的器件或装置。它一般由敏感元件、转换元件以及其它辅助元件组成。敏感元件是传感器中感受被测量的变化并转换为可 用信号的元件，它将被测量转换为电信号或其它非电信号。转换元件则将敏感元件输出的非电信号转换为电信号。而辅助元件一般用于对微弱的电信号进行放大，或者将模拟电信号转换为数字电信号，以便 A/ 压力传感器是电子式拉力计的核心部件之一，压力的测量范围通常为 0见的有根据金属应变片电容原理制成的压力传感器，它主要以手工生产为主，体积大，对生产经验要求高，所以，一致性，互换性较差。而根据硅晶片惠斯通原理制作的电阻式压力传感器，具有更小的体积小、重量轻、耗能低、 响应时间短等优点，被广泛应用于医疗器械，消费类电子中 7 作为拉力计的核心部件，拉力传感器的性能直接影响到整个设备的测量精度和灵敏度，因此，对拉力传感器进行选择是相当有必要的。以下将对两种常用的典型的拉力传感器进行简要介绍。 阻式传感器 6 变阻器式传感器也被称为电位计式传感器。它通过改变电位计接触位置，将位移的变化转换为电阻值的变化，并在外加电源的作用下输出电流或电压信号。它的 特点是结构简单，性能稳定，使用方便。但是由于很细的电阻丝烧制非常困难，且烧制时要求保持恒张力，所以分辨率 很难高于 20点和电阻丝之间的接触面因变动和磨损、尘埃附着等使触点在移动过程中的接触电阻发生非线性变化，从而产生噪声。 用导电塑料制成的变阻器式传感器性能得到改善。此种传感器广泛运用于工厂配料、机械制造、数控系统、拉力试验机等计量与工业控制系统中。 阻应变式传感器 电阻应变式传感器的原理是：弹性体，也被称为弹性元件、敏感梁，在外力作用下产生弹性变形，使粘在它表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信 号（电压或电流），从而完成了将外力的变化转换为电信号的过程。其具有灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小等特点。但是应变片的温度稳定性较差，导致灵敏度的离散度较大，当外力变化很大时非线性误差较大。因此针对不同需要 泛应用于水泥，煤炭，船舶，工程，机械等行业的测试及控制系统。 考虑到电子式拉力计需要质量轻，体积小，量程小，便于携带，便于维修，灵敏度高等特点，同时结合市场上传感器的供求情况和性价比，故本设计选用应变式拉压传感器 变式拉 压传感器采用全密封、全补偿的箔式应变片，通过专门设备将应变片粘贴在应变梁的应力集中点上。并经高温处理后，使之与应变梁较好的粘合在一起，其具有如下优点： 1精度高，测量范围广； 2使用寿命长，性能稳定可靠，输出特性的线性好； 3结构简单，尺寸小，重量轻； 4响应频率高，适合测量动态过程； 5环境适应能力强，可以在高温、高压、振动、核辐射及化学腐蚀很严重的恶劣环境下工作。 该传感器内部有高精度的电阻应变片，在压力的作用下能产生一定应变，从而引起其电阻阻值的变化，可以通过应变与压力关系，将压力信号转换为 电信号。 7 其基本性能参数如下： 恒压供电：推荐 5大 15 桥路阻抗： 120 ,350 ,650； 桥路形式：惠斯通全桥； 绝缘电阻：大于 100100 电缆长度： 芯屏蔽电缆； 防护等级： 输出信号：可按要求为 0 5 20 综合精度： S； 重复性误差： S； 滞后误差 :S ； 零点输出： 5% 灵敏度输出： 2 0.1 ； 补偿温度范围： 0 50； 工作温度范围： 80； 零点温度漂移： S/； 灵敏度温度漂移： S/； 过载能力： 150% 列单片机 近几年来，随着单片机技术的发展，世界上很多芯片制造商纷纷推出自己的新一代产品，品种极为丰富。由于竞争相当激烈，其中低功耗、本身具有液晶显示驱动器与看门狗定时器的多功能单片机将成为主流器件。全球著名半导体器件制作商 爱特梅尔半导体 公司（ 生产的新型芯片 列单片机，以其独特的性能、丰富的片内外设成为电子技术设计开发人员的新宠。 司于 1997年推出的基于 功耗8位单片机。 简指令集计算机）开发于上世纪 90年代、综合了半导体集成技术和软件技术的新微型处理器架构。 杂指令集计算机）而言的。 免复杂指令、采用固定指令长度、减少指令格式和寻址 8 方 式等方法来缩短指令周期，提高处理器的运算速度。采用 得 高速处理能力。 示器 随着信息技术、计算机技术和电子技术的飞速发展，各种仪器仪表逐渐趋于智能化和多功能化。由于低功耗、高画质、轻巧、平板型结构、不眩光、不刺激眼睛、无电磁辐射和 X 射线等诸多优点，液晶显示器已经在平板显示领域中占据了主导地位，更由于它显示字符规范、可汉字化、能显示各种图形、曲线等丰富的内容。 作为重要的人机交互设备，显示器具有不可替代的作用。在小型智能仪器中， 普通的 7 段 码管只能用来显示数字。若遇到要显示图像或者文字时，则必须使用 简称 但是 阵存在着功耗大、显示效果差的缺点，而借其功耗低、容量大、分辨率高、稳定性好、辐射低等优点被广泛运用于智能仪器仪表的显示，逐渐成为显示器市场的主流。 晶显示原理 液晶显示器。简称 液晶显示器是以液晶材料作为基本元件。液晶是一种能同时呈现出固体和液体特征的物质。液晶从其形状和外观上来看比较像是一种液 体。但它的水晶式的分子结构却又使它表现出固体的形态。所以液晶同时具备了液态流动的特性和固态晶体的光学特性。当通电时导通 , 按序列排列 , 使光线容易通过；不通电时排列混乱 , 使光线不能通过，这就让液晶能如闸门般地阻隔或让光线穿透。从显示器结构上说 , 液晶面板包含了两片相当精细的无钠玻璃素材 ,称为间夹着一层液晶。当光线通过这层液晶时 , 液晶本身会按序排列或扭转呈不规则状 , 因而阻隔或者使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物 , 由长棒状的分子构成。在自然状态下 , 这些棒状分子的长轴大致 平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面 , 液晶分子会顺着槽排列 , 所以假如那些槽非常平行 , 则各分子也是完全平行的。 12 见液晶类型 (1) 即扭曲向列型液晶。在涂有透明导电层的两片玻璃基板间夹上一层正介电异向性液晶，液晶分子沿两块玻璃表面平行排列，排列方向在上下玻璃之间连续扭转 90。然后上下各加一偏光片，底面加上反光片，基本就构成了 液晶显示器。 (2) N）型液晶，跟 不过液晶分子扭曲 180， 9 还 可以扭曲 210或 270等，特点是电光响应曲线更好，可以适应更多的行列驱动。 般是对液晶盒施加电压，达到一定电压值，然后对行和列进行选择，出现“显示”现象，所以行列数越多，对驱动电压要求越高，因此往往 正因为如此， (3) 晶，上下屏分别由两个数据传输通道传送数据，由于很多液晶屏内部增加了驱动电源部分，所以无需外部输入高驱动电压，通常可 以实现单电源供电。 晶只能实现伪彩色 (一般人眼可以分辨 218色，所以达到 218色或者超过 218 色的被称之为真彩色，否则称之为伪彩色 )显示，可以实现 一些较高的分辨率，但由于构成它的矩阵方式是无源矩阵，每个像素实际上是一个无极电容，容易出现串扰现象，所以 (4) 薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器件，在每个像素点上设计一个场效应开关管，这样就容易实现真彩色、高分辨率的液晶显示器。现在的 一般都实现了 18218色 )，在分辨率上，已经实现 40 480)、 00 600)、 024 768)、 280 1024)甚至 600 1200)。 602 液晶显示器 根据显示的内容，可将液晶显示器可分为字符型液晶显示器和图像型液晶显示器，在便携式智能仪器仪表中普遍选用字符型液晶显示器来代替原来的数码管，以提高显示器的分辨率、反应时间以及可靠性，并降低显示功耗、硬件复杂度和生产成本，延长仪器仪表使用寿命。 由 于本课题设计中的拉力计只需要显示量程、测量值这两个变量，因此采用普通的字符型液晶显示器就足够了，在此次设计中拉力计选用是字符型液晶显示器 型号液晶显示器为 16 2型单色字符型串行液晶显示模块，可用于显示字母、数字、简单符号。 晶显示器、驱动电路和 8 位 字接口电路构成，由于采用了数字接口，使其与单片机的连接更加简单，编程更加容易。 用串行数据输入，单片机 I/其进行数据写入显示。在显示器方面，它与七段数码管一样具每位有七段（ a、 b、 c、 d、 e、 f、 g）、一个小数点位 10 图 引脚分布如图 示 .x 16 引脚说明 13： 光源，通常接高电平 +5V； 能端； /写选择 (H/L)； 据 /命令选择 (H/L)； .数据输入端； 显示容量： 16 2 个字符； 字符尺寸： H) 工 作电压： 荐使用 工作电流： 1条控制指令，如表 2 表 2制命令表 序号 指令 W 6 4 2 0 11 1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光标复位 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 光标和显示模式设置 I/D 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 显示开 /关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或显示移位 S/C 0 0 0 0 0 1 R/C R/L * * 6 功能设置命令 D/L 0 0 0 0 1 F * * 7 字符发生器 0 0 0 1 字符发生存储器地址 8 数据存储器地址设置 0 0 1 显示数据存储器地址 9 读忙标志和光标地址 1 数器地址 续表 20 写数据到 0 要写的数据内容 11 从 数 1 1 计数器地址 晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程 来实现的。（说明： 1为高电平、 0为低电平） 指令 1：清除显示。指令码 01H,光标复位到地址 00 指令 2：光标复位。光标返回到地址 00H。 指令 3：光标和显示模式设置 I/D。光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令 4：显示开 /关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令 5：光标或显示移位 S/C。高 电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令 6：功能设置命令 D/L：高电平时为 4 位总线，低电平时为 8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示 5点阵字符，高电平时显示 5 指令 7：字符发生器 指令 8：数据存储器地址设置。 12 指令 9：读忙标志和光标地址 忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令 10： 写数据到 指令 11： 从 3 硬件设计及 电路实现 号采集电路的设计 在此次课题设计中拉力信号首先通过拉力传感器转换为模拟电信号，然后经过适当的放大后送入 片的 A/于采集到的拉力信号在传输过程中会受到外界干扰，因此在将信号放大之前必须采用滤波电路消除干扰。然后再送入 感器 本课题设计采用的是应变式拉力传感器，拉力传感器主要采用的是桥电路，其电路原理图如 13 图 感器电路原理图 其中输入是直流电流，输出是模拟电压信号。传感器由统一的系 统供电模块供电。 其中传感器负激励信号连接到终端 激励信号连接到终端 电源统一供电。传感器的电桥电阻为 200(典型值 )，电源电压为 5V，在激励状态下耗电 5功耗来讲，传感器在整个系统中占用的功耗是比较大的。 波电路 电源线 感等集总参数元件组成的无源双向多端口网络，它实际上等效于两个低通滤波器，一个衰减共模干扰，一个衰减差模干扰。它能在阻带(10围内衰减射频能量而让工频信号无衰减或很少衰减地通过。这种电源线 滤波器对高频信号有很好的滤波效果，在本系统起了很大作用。传感器信号出来后经过了滤波电路才把信号送入放大电路。这个滤波电路有两个电阻 下两个电容的容值为 1020，中间电容容值为 。 大电路 此次课题设计采用通过外接电阻的控制来实现增益变换的放大器 路原理图如图 电源、输出摆幅能达到电源电压 (通常称之为电源限输出 )的仪表放大器，它能在单电源 (+3V 到 +12V)下提供满电源幅度的 输出。 许使用一个增益设置电阻进行增益编程，以便于用户更灵活的设置放大倍数，且符合 8引脚的工业标准引脚配置，在无外接电阻条件下， 设置为单位增益 ( G =1)，在接入外接电阻后， 程设置增益，其增益最高可达到 1000 倍。 14 14 更准确的说，由 1脚或 8脚之间的阻抗来决定。 1%容限的电阻提供精确的增益。当 G=1时， 不相连（ ）。对于任意的增益值， G=100(G1)计算。 对这 个公式进行转化可得： G =1+100本系统中 以 G 84，即放大倍数为 84倍左右，满足系统的要求。 图 编程放大器 路原理图 信号采集电路主要由传感器、滤波电路、放大电路组成，电路原理图如图 图 号采集电路原理图 号处理电路 15 能详述 单片机是整个系统的心脏，本系统选择并采用了 款单片机详细的功能特性如下 14： 高性能、低功耗的 8位 先进的 131条指令（大多数指令执行时间为单个时钟周期） 32个 8位通用工作寄存器 全静态工作 工作于 16性能高达 16 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 16擦写寿命： 10000 次 具有独立锁定位的可选 通过片上 序实现系统内编程 真正的同时读写操作 512字节的 擦写寿命 : 100000次 1 可以对锁定位 进行编程以实现用户程序的加密 口 ( 与 ) 符合 支持扩展的片内调试功能 通过 丝位和锁定位的编程 外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的 8位定时器 /计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16位定时器 /计数器 具有独立振荡器的实时计数器 16 四通道 8路 10位 A/D 8个单端通道 个差分通道 2个具有可编程增益（ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行 可工作于主机 /从机模式的 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的 片内 /片外中断源 6种睡眠模式：空闲模式、 A/电模式、掉电模式、 式以及扩展的 式 I/ 32个可编程的 I/ 40引脚 装 ,44引脚 与 44引脚 如图所示 ) 工作电压： 速度等级： 016 在 1 V, 25 正常模式： 空闲模式： 掉电模式： #; =0123456789T; p9 ; x); /延时 a); /数据处理函数 /写数据 /写指令，时忽略忙检测 /读状态 /始化 /读数据 , , /按指定位置显示一个字符 *显示 * *显示复位 * *显示量程 50N,R:50N* a);/*测量值 =5)p7=d+1; p7=d; /*液晶写数据 * ; /