电子式拉力计的设计方案.docx
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电子式拉力计的设计方案
电子式拉力计的设计方案
1绪论
1.1课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[1-2]。
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CPU的智能数字式仪表,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,DCS的推广和应用,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DCS进行数字通讯,在DCS操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,也大大的促进了国仪表厂商开发智能型仪表的积极性,开发出很多符合HART协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。
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PC机组成一个测量仪表。
这种基于PC机的测量仪表被称为虚拟仪表。
在虚拟仪表中,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,而国品牌的电子拉力计与行业领导品牌具有一定差距。
因此,国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ATmega16AVR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(0~50N,50~500N)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。
1.2电子式拉力计原理
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/D转换后变成数字信号输送到单片机进行分析处理。
最后处理结果在LCD液晶显示模块上显示其拉力大小。
其原理如图1.1所示
图1.1拉力计原理
1.3本文的主要工作
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:
1.在查阅大量资料的情况后,针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。
2.设计了电子式拉力计各模块的硬件组成,绘制了各个功能模块的原理图并画出总图(附录A)。
3.采用模块化设计方法,设计并实现了电子式拉力计软件上的各个功能。
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/D转换进行数据采集和分析,达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(0~50N,50~500N)的转换,测量精度为1%,采用LCD液晶显示屏显示,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AT89C51方案和ATmega16AVR方案进行比较和论证。
2.1设计方案的比较
2.1.1AT89C51方案
如图2.1所示
图2.1AT89C51方案原理图
2.1.2ATmega16AVR方案
如图2.2所示
图2.2ATmega16AVR方案原理图
2.1.3方案的确定
通过对两个方案的原理图比较可以发现,由于ATmega16AVR单片机本身部集成了一个8路10位的A/D转换器,如果选用ATmega16AVR方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(ATmega16AVR方案)。
其硬件原理图见附录A。
2.2主要元件介绍
2.2.1拉力传感器简介
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/D转换器能够对其进行捕获或者直接能被数字设备识别。
压力传感器是电子式拉力计的核心部件之一,压力的测量围通常为0-5Kg。
常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[7-9]。
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。
2.2.1.1变阻式传感器
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力,所以分辨率很难高于20um。
触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。
2.2.1.2电阻应变式传感器
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MT-TS系列应变式拉压传感器具有不同的规格和量程,广泛应用于水泥,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MT-TS。
MT-TS应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。
其基本性能参数如下:
•恒压供电:
推荐5VDC,最大15VDC;
•桥路阻抗:
120Ω,350Ω,650Ω;
•桥路形式:
惠斯通全桥;
•绝缘电阻:
大于100MΩ/100VDC;
•电缆长度:
1.5mPVC四芯屏蔽电缆;
•防护等级:
IP65;
•输出信号:
可按要求为0~5V或4~20mA;
•综合精度:
0.05%FS;
•重复性误差:
0.05%FS;
•滞后误差:
0.05%FS ;
•零点输出:
5%FS;
•灵敏度输出:
2±0.1mV/V;
•补偿温度围:
0℃~50℃;
•工作温度围:
-20℃~80℃;
•零点温度漂移:
0.05%FS/℃;
•灵敏度温度漂移:
0.05%FS/℃;
•过载能力:
150%FS。
2.2.2ATmega16AVR系列单片机
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(Atmel)所生产的新型芯片AVR系列单片机,以其独特的性能、丰富的片外设成为电子技术设计开发人员的新宠。
AVR单片机是Atmel公司于1997年推出的基于RISC指令架构的高性能、低功耗8位单片机。
RISC(ReducedInstructionSetComputer,精简指令集计算机)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。
RISC是相对于CISC(ComplexInstructionSetComputer,复杂指令集计算机)而言的。
RISC通过优选使用频率最高的简单指令、避免复杂指令、采用固定指令长度、减少指令格式和寻址方式等方法来缩短指令周期,提高处理器的运算速度。
采用RISC结构,使得AVR系列单片机具备1MIPS/MHz的高速处理能力。
2.2.3LCD显示器
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、可汉字化、能显示各种图形、曲线等丰富的容。
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LED数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LED点阵或者液晶显示器(简称LCD)。
但是LED点阵存在着功耗大、显示效果差的缺点,而LCD凭借其功耗低、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。
2.2.3.1液晶显示原理
液晶显示器。
简称LCD(LiquidCrystalDisplay)。
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Substrates,中间夹着一层液晶。
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]
2.2.3.2常见液晶类型
(1)TN(TwistNematic)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TN型液晶显示器。
(2)STN(SuperTN)型液晶,跟TN型结构大致相同,只不过液晶分子扭曲180°,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。
TN或STN型液晶,一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TN或STN型液晶要求较高的正极性驱动电压或较低的副极性电压,也正因为如此,TN和STN型液晶很难做成高分辨率的液晶模块。
(3)DSTN(DoubleSTN)液晶,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。
STN(DSTN)液晶只能实现伪彩色(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VGA、SVGA等一些较高的分辨率,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DSTN不能显示真正的活动图像。
(4)TFT(ThinFilmTransistor)是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TFT型液晶一般都实现了18bit以上的彩色(218色),在分辨率上,已经实现VGA(640×480)、SVGA(800×600)、XGA(1024×768)、SXGA(1280×1024)甚至UXGA(1600×1200)。
2.2.3.3LCD1602液晶显示器
根据显示的容,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LCD1602。
该型号液晶显示器为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。
LCD1602由LCD液晶显示器、驱动电路和8位CPU数字接口电路构成,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。
LCD1602采用串行数据输入,单片机I/O可与其连接,对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dp和一个公共极com。
LCD1602的外形尺寸如图2.3所示
图2.3LCD1602外型尺寸
引脚分布如图2.4所示
图2.4LCD1602引脚原理图
引脚说明[13]:
LCD_LIGHT:
背光源,通常接高电平+5V;
LCD_E:
使能端;
LCD_RW:
读/写选择(H/L);
LCD_RS:
数据/命令选择(H/L);
LCD_DB[7...0]:
数据输入端;
LCD1602主要技术参数;
显示容量:
16×2个字符;
字符尺寸:
2.95×4.35(W×H)mm;
工作电压:
4.5~5.5V,推荐使用5.0V;
工作电流:
2.0mA/5.0V。
LCD1602液晶模块部控制器共有11条控制指令,如表2-1所示。
表2-1控制命令表
序号
指令
RS
RW
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
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
DL
N
F
*
*
7
字符发生器RAM地址设置
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BF
0
1
BF
计数器地址
续表2-1
10
写数据到CGRAM或DDRAM
1
0
要写的数据容
11
从DGRAM或DDRAM读数
1
1
计数器地址
LCD1602液晶模块的读写操作、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00H位置。
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5x7的点阵字符,高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7:
字符发生器RAM地址设置。
指令8:
数据存储器地址设置。
指令9:
读忙标志和光标地址BF。
为忙标志位,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CGRAM或DDRAM。
指令11:
从DGRAM或DDRAM读数。
3硬件设计及电路实现
3.1信号采集电路的设计
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ATmega16AVR芯片的A/D转换器转换为数字信号。
由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AD623进行放大。
3.1.1传感器
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3.1所示:
图3.1传感器电路原理图
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X1-1,正激励信号连接到终端X1-4,由ATmega16AVR的电源统一供电。
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5mA。
就功耗来讲,传感器在整个系统中占用的功耗是比较大的。
3.1.2滤波电路
电源线EMI滤波器是由电容、电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(10KHZ)围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R的阻值为4.3KΩ,上下两个电容的容值为102PF即是10-3μF,中间电容容值为0.047μF。
3.1.3放大电路
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AD623(电路原理图如图3.2)。
AD623是美国ADI公司推出的一种低成本、单电源、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。
AD623允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,AD623被设置为单位增益(G=1),在接入外接电阻后,AD623编程设置增益,其增益最高可达到1000倍。
[14]
AD623的增益由RG电阻进行编程,或更准确的说,由1脚或8脚之间的阻抗来决定。
AD623被设计成使用0.1%—1%容限的电阻提供精确的增益。
当G=1时,GR端不相连(RG=∞)。
对于任意的增益值,RG可由RG=100KΩ/(G−1)计算。
对这个公式进行转化可得:
G=1+100KΩ/RG
在本系统中RG=1.2KΩ,所以G≈84,即放大倍数为84倍左右,满足系统的要求。
图3.2可编程放大器AD623电路原理图
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3.3所示:
图3.3信号采集电路原理图
3.2信号处理电路
3.2.1ATmega16AVR功能详述
单片机是整个系统的心脏,本系统选择并采用了ATmega16AVR型的单片机。
这款单片机详细的功能特性如下[14]:
•高性能、低功耗的8位AVR微处理器
•先进的RISC结构
–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16MHz时性能高达16MIPS
–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
–16K字节的系统可编程Flash
擦写寿命:
10000次
–具有独立锁定位的可选Boot代码区
通过片上Boot程序实现系统编程
真正的同时读写操作
–512字节的EEPROM
–擦写寿命:
100000次
–1K字节的片SRAM
–可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密
•JTAG接口(与IEEE1149.1标准兼容)
–符合JTAG标准的边界扫描功能
–支持扩展的片调试功能
–通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔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RTC
–四通道PWM
–8路10位A/D
–8个单端通道
TQFP封装的7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
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