一种基于单片机控制的智能型应变仪设计

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摘 要:本文介绍一种以89c51单片机为控制核心的智能型电阻应变仪，它可以通过键盘操作实现对数据采集、显示和存储及通信等功能的人工智能控制。文中分析了应变仪测量原理，着重阐述了基于单片机控制电路的硬件构成和主要软件设计思想。该应变仪具有智能化、体积小、操作方便和抗干扰能力强等特点。
关键词:智能型应变仪;单片机;硬件设计;软件设计
1 引言
    随着科学技术和生产的发展，需要对各种参数进行测量。尤其是应变的测试，在航空航天、机械制造、工程建筑、交通运输、船舶及桥梁等研究中显得更为重要。目前，应变仪的种类很多，其灵敏度也较高，但其功能却较单一，价格昂贵、无法进行系统集成，在实际使用中很不方便。因此，将单片机控制技术应用于应变仪，设计出一种相对先进的、能准确采集样本数据并进行相应处理，具备显示和存储、通信功能的数字化多功能应变仪是非常具有实用价值的。
2 应变仪测量原理
    由物理学可知:金属导体的电阻与其长度成正比，当一定长度的电阻丝受力伸长，其电阻值将发生变化。电阻应变仪正是利用这一物理效应将被测试件的应变转换为电阻或电压实现测量的。应变测量时，将阻值为R的电阻应变片粘贴在待测试件处，当试件受外力作用产生变形，应变片阻值将发生变化，在一定范围内，应变片电阻的相对变化量△R/R与试件的相对变化
量即应变。成线性关系，即有:


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    式中K称为电阻应变片的灵敏系数，它的数值与电阻丝的材料及绕线方式有关，一般 K值在2.0左右。由于应变很小，很难直接测得，但由式(1)可知，只要测得△R，就可求得应变

740)this.width=740" border=undefined>。为此，我们通常将电阻应变片接成如图 1的电桥电路。



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                  图1 测量电桥电路
    图中，R1,R2,R3,R4既可以全是工作应变片(即全桥式)，也可以一部分是工作应变片，另一部分是温度补偿片(即半桥式)。根据惠斯登电桥测量原理，全桥时输出电压UO为


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    这样，即可通过测量电桥输出电压 UO而求得相应的应变值，通过键盘监控程序转移到相应的运算子程序段，并键人对应的几何及物理参数，计算出试件的受力大小。
3 硬件设计
3.1 总体结构
    系统硬件结构如图2所示。从结构图上可见，本系统关键的部分是单片机系统，主要包括89C52单片机及最小应用系统，前向A/D转换通道，人机对话系统(包括薄膜按键及显示器设计)和相互通道配置(即单片机应用系统和上位机进行通信、控制)，单片机系统通过一个RS232/485转换器与PC机通信。
    系统上电后，主机89052进人监控状态，显示提示符，同时也完成对各扩展端口的初始化工作。按下数据采集功能键，系统进人相应的中断程序开始进行数据采集。被测量经测量电桥、模拟放大、A/D转换后，由单片机进行数据计算、处理，测量结果由LED数码管显示。上位机需要数据时，通过串行口发出取数据命令，单片机则把当前最新数据传送给上位机。通过对键盘上其它功能键的操作，可调用其它程序进行相应的操作。


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3.2 应变测量程控放大电路
    应变测量时，应变片的电阻变化十分微小，输出的电压为毫伏级，必须经过放大到毫伏以上，才能进行A/D变换处理。传统放大电路一般利用多圈电位器和阻容元件以及运放来完成，用电位器对放大倍数等系统参数进行调节，当调节到合适的数值后将其锁定。如果输人不同种类的传感器信号和标准信号，由于它们的最大量程相差甚大，必须采用多套放大器电路，显然增大了硬件成本和设备的体积[[3]。在该数字显示仪的设计过程中，采取8选I模拟开关CD4051和电阻放大网络相结合的方法，实现程控放大。运算放大器采取OP07，该运算放大器具有高增益、低漂移、低噪声的特点，而且价格便宜，市场货源充足。
电路如图3所示。


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    图中同相放大电路，其放大倍数为A=1+Rf/RI，故有如下对应关系:由于最终要测量的电压值要限定在一2V一2V之间，故对应不同的满量程值就可以选择不同的放大倍数。以BQ120- 80A型应变片为例，它的电势范围为一5.891一54.819mV，可选择放大倍数为20; BE120一3BA型的电势范围为0-13.820mV，可选择放大倍数为100;当接0一IOmA或4一2OrDA电流输入时，通过1000电阻后转变为。一1V或0.4一2V的信号，此时选择倍数A二1，为一个同相跟随器，可显著改善电路的一些特性。
3.3 单片机控制系统
3.3.1单片机系统
    本装置的核心元件为近年研制的内含快闪存储器的高档单片微控制器89C52，其片内快闪存储器的编程和擦除完全用电实现，数据不易丢失，可保存10年。程序存储于微控制器内部，不需外部扩展程序存储器，且有强大的加密功能，使大量的数据不必在CPU和外部扩展程序存储器之间来回交换，大大提高了控制装置的抗干扰能力，这一优点对变化缓慢的应变力装置来说是至关重要且最为宝贵的。
    89C52片内含256字节RAM，但无法满足大量数据采集、存储及与外设通信的需要，故须对89C52作数据存储扩展。在此设计中数据存储器采用美国近年制造的X25045P，它将看门狗定时器、集成电路监控和电子编程可擦除存储器三种功能容为一体，降低了成本，完成了断电数据保护，提高了软件系统的可靠性和控制装置的抗干扰能力。CPL主频采用12M晶振，其ALE端信号经CD4013分频后输给ICL7135作为转换频率。
3.3.2 模数转换电路
    A/D转换是决定测量精度和稳定性的重要一环，该数字显示仪采用了四位半双积分A/D转换器ICL7135。它的总读数达1 20000计数(满标电压2.0000V)，精度达土1计数;具有自校零功能;自动判断信号极性，保证零读数附近极性准确;只要求单一电源。是一种精度高，适应面广而价格低的产品。
    在电路设计的过程中，巧妙地运用了ICL7135地“Busy”端功能，只要一个1/0口和单片机内部的一个定时器就可把ICL7135的数据送人单片机，可以节省大量的单片机资源，减小系统的体积。原理如下:
    "B-y'’输出端(ICL7135的21脚)高电平的宽度等于积分和反积分时间之和。ICL7135内部规定积分时间固定为10001个时钟脉冲时间，反积分时间长度与被测电压的大小成比例。如果利用单片机内部的计数器对ICL7135的时钟脉冲计数，利用+ B-y,’作为计数器门控信号，控制计数器只要在Busy为高电平时计数，将这段Busy高电平时间内计数器计的内容减去10001,其余数等于被测电压的数值。
    由于该芯片内部的基准源很容易受到温度的影响，进而影响到A/D转换精度。故在设计中ICL7135的基准源选用芯片MC1403经分压得到。本设计的ADC电路如图4所示。


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          图4 模数转换电路图
3.3.3
键盘输人及显示
    键盘输人是人机交互界面中最重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。本设计采用了专用的键盘显示芯片zIg7289。该芯片具有SPI串行接口，无须外围元件即可直接驱动八位LED数码管并可同时连接多达64键盘的键盘矩阵，单片即可完成LED显示及按键的扩展。根据z1g7289循环扫描的要求，本设计选用8支超高亮度的共阴极数码管。Z1g7289的18脚一25脚接数码管的位驱动端，10脚一17脚接数码管的段驱动端，通过数据线和时钟线可以把要显示内容送入7289。
3.3.4 单片机与计算机接口
    经单片机处理所得的数据可通过LED直接显示，也可通过标准总线接口RS一232/485输人计算机进行远程监测。RS一48总线采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力加上接收器具有高的灵敏度，能检测到低达200mV的电压，故传输信号能在千米以上得到恢复。RS一485总线具有传送距离远、速度快、抗干扰能力强等特点，是一种广泛使用的数字通信标准。其连接如图5所示。


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4 软件设计
    智能应变仪的软件采用模块化程序设计思想，整个软件系 统由主程序、键盘显示监控程序、采样程序、数据处理和浮点计算程序、串行通讯等子程序组成，流程示意图如图6所示。


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    主程序的任务是对89C52的初始化，如设置堆栈，预置各定时器控制字，初始化显示缓冲区，设置标志位，清内存等;然后显示开机初始化状态，扫描键盘，根据按下键的功能转各自的功能操作。
    显示程序主要的功能，是把设置在RAM中显示缓冲器的内容在LED数码管上显示出来，然后进人键盘扫描程序。
    键盘扫描程序是先判断有无键按下，一旦发现有键按下，就按照键的功能，转到相应的键处理程序执行命令要求的操作。如果无键按下，再返回显示程序。功能键处理子程序是执行相应的键功能。有采集、显示、存储、清零、回放等子程序。
5 结束语
    基于单片机技术的智能应变仪，充分发挥单片机的控制，运算及数据处理等功能，大大提高了仪器的测量精度，性能也有明显的改善，广泛适用于工业现场及实验室老式应变仪的更新换代。
6 参考文献:
    [1」 张如一主编.应变电测与传感器[M].北京:清华大学出版社，2002.
    [2〕 万福君主编.单片微机原理系统设计与应用[Ml.合肥:中国科学技术大学出版社，2001.
    [3l 赵茂泰主编.智能仪器原理及应用[M].电子工业出版社，1999.
    [4l 相志文.用V/F变换器完成低成本高分辨A/D转换时与单片机的接口技术[J].电气自动化，1990, (4):39-41.
    作者简介:钟立(1976-)，男，汉族，湖北荆州人，讲师，浙江师范大学硕士，主要从事智能仪器仪表研究。

         
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