一种基于单片机控制的智能型应变仪设计

　　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ΔR/R与试件的相对变化量即应变ε成线性关系,即有:

　　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)[1]。根据惠斯登电桥测量原理,全桥时输出电压U0为

　　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[2]。系统上电后,主机89C52进入监控状态,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,系统进入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。

　　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。如果输入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1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。