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1、传感器与检测技术综合训练 学院名称： 电气信息工程学院 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 指导老师： 二一六年六月十三日至六月二十四日1前言传感器指的是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。传感器作为测控系统中对象信息的入口，他在现代化事业中的重
2、要性已越益为人们所认识。随着“信息时代”的到来，国内外已将传感器技术列为优先发展的科技领域之一。国内高校许多专业都开设了相应课程。传感器方面的教材和专著陆续问世。这些著作，在原理性与实用性，传统性和新型性，以及广度与深度上各有侧重。随着高、新技术的发展，专业面的拓宽，同时为了适应传感器开发、应用的需要，更希望有两者兼顾的方式。当今人类已进入信息时代，传感器与监控技术的重要性已越来越被人们所认识。随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，传感器与测控技术也有了很大的进展，传感器与测控技术主要研究测控系统的电路问题。现代测控系统的含义已不仅仅局限于工业领域的检测与测控系统，这些测控系统包括各式各样的仪
3、器仪表、控制装置，涉及人类生活的方方面面。许多测控系统是一些设备中的核心，如智能洗衣机、空调和数字化电视机的控制系统。随着科技的进步，电子秤的应用越来越广泛。称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的转换装置，是电子衡器的一个关键部件。能够实现重力至电信号转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。目 录第1章 应变式称重系统设计11.1系统框图11
4、.2基本要求及技术指标1第2章 应变式称重系统基本原理32.1 应变片称重的基本原理3第3章 硬件系统设计43.1 传感器模块设计43.2 信号调理模块设计53.2.1 集成运算放大器OP0753.2.2 前级放大电路仪表放大器53.2.3 后级放大电路反相放大器73.3 A/D转换模块设计83.3.1 高速串行8位A/DTLC54983.3.2 A/D转换电路103.4 数据采集模块设计103.4.1 单片机最小系统103.5 液晶显示模块设计113.5.1 LCD12864带中文字库液晶显示器113.5.2 LCD12864显示电路123.6 矩阵键盘模块设计133.6.1 矩阵键盘电路及
5、其原理13第4章 仿真与设计154.1 multisim12电路仿真154.1.1 仿真软件multisim12154.1.2 信号调理电路的仿真设计15第5章 软件系统设计175.1 软件设计分析175.2 软件整体框图设计175.3 软件各模块具体设计175.3.1 数据采集和处理175.3.2 矩阵键盘控制185.3.3 LCD12864液晶显示19第6章 安装与调试216.1 硬件安装216.1.1 硬件安装216.2 硬件调试216.2.1 信号调理电路调试216.3 软件调试226.3.1 CSY9.0灵敏度及非线性误差调试226.3.2 KEIL uVision4编程及调试236
6、.4 软硬件联调236.5 实物验收与问题246.6 故障分析与解决方案24第7章 传感器的综合应用267.1 手机质量测试267.2光电式传感器测转速287.3物体计数29第8章 心得体会30参考文献31附录A 元器件清单32附录B 完整程序及注释33第1章 应变式称重系统设计1.1 系统框图利用传感器与检测技术实验室已有的应变式称重台，将四片电阻应变片采用全桥形式接入测量电路，经过运放OP07组成的仪表放大器放大，再由串行模数转换芯片TLC549进行A/D转换，转换结果送入单片机，单片机对采集到的结果进行处理后送给LCD12864显示。为了使系统获得更好的灵敏度和线性度，仪表放大器的输出经
7、采集卡采集，经过CSY9.0虚拟仪器软件分析，得到较好的线性度和灵敏度后，再送入AD芯片进行转换。系统框图如图1-1所示。15V供电仪表放大器数据采集CSY9.0虚拟仪器应变电桥+5V供电单片机12864液晶显示A/D转换数据分析数据处理图1-1 电子秤系统框图1.2 基本要求及技术指标（1） 掌握金属箔式应变片的应变效应。（2） 掌握单臂，半桥和全桥电路的工作原理和性能。（3） 电路仿真与参数确定。利用multisim仿真软件，确定仪表放大器设计方案；应用运放OP07设计三运放仪表放大器，确定电路元器件具体参数；（4） 制作电路板。仪表放大器增益可调，放大倍数为1000-2000；应变电桥和
8、放大电路应具有调零功能。（5） 利用汇编或C51语言编写正确程序，调试电路板，采集放大器的输出电压，并显示。（6） 考虑A/D分辨率为20mV，要求灵敏度不低于40mV/20g。（7） 数据处理及分析。利用CSY-V9.1虚拟仪器采集测量电路的输出电压至电脑中，确定系统线性度和灵敏度（最小二乘法），要求非线性误差小于1.50%。（8） 编写课程设计报告，完成设计任务的期限为一星期。第2章 应变式称重系统基本原理2.1 应变片称重的基本原理应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测
9、量电路，转换成电信号输出显示。 当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化。在一定应变范围内与的关系满足下式：式中，为应变片的轴向应变。 定义为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化与其单向应力引起的试件表面轴向应变之比。 电阻应变片计把机械应变转换成后，应变电阻变化一般都很微小。例如某传感器的应变片电阻值，灵敏系数，弹性体在额定载荷作用下产生的应变，应变电阻相对变化量为： 可以看出电阻变化只有，其电阻变化率只有。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须
10、采用转换电路，把应变片计的变化转换成电压或电流变化。当应变片计的变化转换成电压或电流变化后，就可以使用已知质量的砝码去测量并计算出单位质量的电压变化量，即称重系统的灵敏度K。根据实际称重需要，确定称重系统的量程，然后就可以确定称重系统的灵敏度。第3章 硬件系统设计3.1 传感器模块设计由于应变式传感器电阻变化很小，不便直接测量，因此把应变片计的变化转换成电压或电流变化。通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。若将电桥四臂接入四片应变片，如图3-1所示。 图3-1 全桥电路 即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。在接入四片应变片时，需满足以下条件：相邻桥
11、臂应变片应变状态应相反，相对桥臂应变片应变状态应相同。可简称为：“相邻相反，相对相同”。 此时 采用全桥电路的理由如下：（1） 此类电桥电路的灵敏度高，是单一工作应变片工作时的4倍（2） 输出输入呈线性，没有非线性误差 （3） 能够温度补偿，大大减小因温度而造成的误差 除上述全桥电路外，还有单臂和半桥电路两种。单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；当E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。本次实训采用全桥电路。电桥供电电源为5V。3.2 信号调理模块设计由于传感器的输出为微弱的低频差分信号，其电压幅度为微伏级，必须经过放大电路进行调理放大，再进行测量。常用的
12、放大电路可以由单运放放大器、双运放放大器、三运放放大器或直接由集成仪表放大器（如AD620、AD623)等构成。本次实训以三运放构成仪表放大器作为前级放大电路，反相放大器作为后级放大电路，运算放大器选择高精度运放OP07。3.2.1 集成运算放大器OP07OP07有A、B、C、D、E五种型号，它是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。引脚图如图3-4所示，典型调零电路如图3-5所示。图3-2 OP07引脚图 图3-3 OP07偏置调零电路3.2.2 前级放大电路仪表放大器图3-4 仪表放大器电路原理图 如图3-4所示，对于U1，由虚断、虚短可得： 对于U2，由虚断、虚短可得： 由基本电路知识可得 ： 解得： 对于U3，由虚断、虚断可得： 由节点电流法可得： 解得： 因为是差动放大，所以取 解得： 与源信号相比较：解得 :当要改变增益时，仅需调整可变电阻即可。3.2.3 后级放大电路反相放大器图3-5 反相放大器电路原
