電阻應(yīng)變片橋式電路原理及課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

吳迪+周長(zhǎng)偉+伍遠(yuǎn)博+沈成+馮燦+江均均+袁宇

摘 要：筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)高精度的電阻應(yīng)變片橋式測(cè)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(gè)芯片工作需要的5 V和3.3 V電壓，由TL431芯片供給一個(gè)2.5 V基準(zhǔn)電壓源從而保證測(cè)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(hào)送入AD620差分放大，再進(jìn)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(lái)。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電子分辨率達(dá)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(jì)的電子秤可以對(duì)應(yīng)變片的線性應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，因此驗(yàn)證了電阻應(yīng)變片傳感器測(cè)量原理。

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

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（c）-0128-03

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳感器原理是一門(mén)理論性非常強(qiáng)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(shí)驗(yàn)。但是目前學(xué)生主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練不足，創(chuàng)新能力難以提升[3]。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)中以及實(shí)際測(cè)量中的應(yīng)變是極其微小的，傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器使用的測(cè)量方法和電路精度很差，只能作為嘗試型的實(shí)驗(yàn)，無(wú)法滿足高精度的測(cè)量。而現(xiàn)在有更多的教學(xué)選擇虛擬儀器來(lái)模擬應(yīng)變的測(cè)量過(guò)程[4-5]。但是這樣讓學(xué)生更缺乏對(duì)傳感器和相應(yīng)測(cè)量電路的深刻認(rèn)識(shí)。

針對(duì)以上問(wèn)題，該文提出一個(gè)高精度的電阻應(yīng)片變橋式電路測(cè)量方法，由此設(shè)計(jì)了一個(gè)分辨率為0.1 g的高精度電子秤，來(lái)測(cè)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中。該設(shè)計(jì)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(yùn)算模塊及鍵盤(pán)輸入與顯示模塊等模塊構(gòu)成。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，正確計(jì)算與顯示電子秤的金額且能實(shí)現(xiàn)去皮等功能，滿足0～500 g測(cè)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(duì)變化。

所以應(yīng)變片發(fā)生的應(yīng)變可以轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度的變化，由此改變電阻。只需要測(cè)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(shí)現(xiàn)。在使用全橋電路時(shí)其原理圖如圖1。

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

2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

電源部分采用分級(jí)降壓的方式，由12 V開(kāi)關(guān)電源給芯片LM2596供電，LM2596將12 V轉(zhuǎn)為5.5 V后，再通過(guò)3.3 V型的SPX3819芯片將電壓轉(zhuǎn)化為3.3V給ATmega128A單片機(jī)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(jí)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(jìn)行一級(jí)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(jìn)行第二級(jí)降壓。

如圖2所示。SPX3819芯片作為第二級(jí)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(jī)ATmega128A和其他芯片以實(shí)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(shí)現(xiàn)高精度的差分放大。通過(guò)調(diào)節(jié)inaG1電阻，實(shí)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(jìn)行輸出信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換。其原理圖如圖4。

差放電路的輸出電壓經(jīng)過(guò)MCP3421的1腳，可實(shí)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(jī)收到經(jīng)由放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)后，為了實(shí)現(xiàn)價(jià)格的計(jì)算、總價(jià)的求和及去皮功能，須用到ATmega128A程序設(shè)計(jì)。圖4為單片機(jī)的程序流程圖，通過(guò)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(qiáng)的輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，從而加強(qiáng)了整體系統(tǒng)的精度。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與測(cè)量結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

設(shè)計(jì)分析軟件環(huán)境：Prpgisp172、CVAVR2軟件、Altium Designer電路設(shè)計(jì)等軟件。儀器設(shè)備硬件平臺(tái)：12 V穩(wěn)壓電源、萬(wàn)用表等。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）結(jié)果對(duì)比分析。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)測(cè)量的輸出電壓以及對(duì)應(yīng)的測(cè)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(jì)的電阻應(yīng)變片橋式電路的輸出電壓和和相應(yīng)的測(cè)量質(zhì)量呈線性關(guān)系。說(shuō)明應(yīng)變片的應(yīng)變和外力呈線性關(guān)系。由此，可以測(cè)量出相應(yīng)的質(zhì)量。

（2）系統(tǒng)測(cè)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(jià)（元/克），可計(jì)算物品金額并實(shí)現(xiàn)金額累加。

④電子秤具有去皮功能，去皮范圍不超過(guò)100 g。

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)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(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、ATmega128A單片機(jī)執(zhí)行與鍵盤(pán)操作相關(guān)程序后可以實(shí)現(xiàn)：高精度測(cè)量、正確計(jì)算與顯示金額、實(shí)現(xiàn)去皮等提高功能，可以達(dá)到0～500 g量程，誤差小于0.5 g。由此，可以對(duì)應(yīng)變片的線性應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，因此驗(yàn)證了電阻應(yīng)變片的傳感器測(cè)量原理。

參考文獻(xiàn)

[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(jì)[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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)實(shí)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(cè)控系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，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(jì)[J].電子測(cè)試，2013（Z1）：52-54.

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