基于AD7715的智能型弹簧测力计

　　1　工作原理

　　在某些工业设备中,常常使用大型弹簧作为弹性元件,弹簧经过一段时间的使用后往往会产生金属疲劳,由弹性力学的知识可以知道,长期处于压缩或拉伸状态的弹簧在接近疲劳极限时,其弹簧力会发生突变。使用弹簧测力计实时地对弹簧力的大小进行监测,以便在弹簧接近疲劳时将其尽快更换,从而减少事故隐患。智能弹簧测力计的原理是将弹簧力转换为电压值,经A/D转换后用单片机进行处理,结果通过LCD显示,并具有越限报警功能。该测力计使用非易失性存储器来保存标定系数,只需在第一次测量前进行标定,以后一旦上电,系统会自动读取标定数据进行运算,使用灵活方便。

　　2　硬件设计

　　系统的硬件原理如图1所示,它以ATMEL公司的AT89C51单片机为中央处理器,其片内集成4 KB的FLASH ROM,可方便地进行擦写和编程。整个测力计最具有特色之处在于其A/D转换器、非易失性数据存储器和LCD驱动器均采用串行器件,只需要1~2根数据线和相应的控制线就能工作,减少了印刷电路板的布线数目。

　　2·1　传感器部分

　　该测力计采用电阻应变式力传感器将施加于弹簧上的压力或拉力转化成与之成正比的电压值,传感器的弹性元件设计成桶式结构,4片(或8片)应变片采用差动布片和全桥接线,如图2所示,这种布片和接线的最大优点是可排除载荷偏心或侧向力引起的干扰。

　　当弹性元件受偏心力F作用时产生的应力分别为压应力和弯应力。因此,各应变片感受的应变εi为相应的压(拉)应变εFi与弯应变εMi之代数和,即:

式中:E为弹性模量;A为受力面积;K为应变片灵敏系数;μ为泊松比。

　　由上式可见,偏心力的干扰被排除了。

　　2·2　A/D转换部分

　　模拟信号的采样和量化采用AD公司的AD7715,它是采用Σ-Δ结构的16位串行A/D转换器[5],片内集成了一个可编程增益放大器(可选增益为1,2,32,128)和一个数字滤波器,并且提供了自动校准功能。AD7715的数字量输出可达到16位无误码,0.0015%的非线性,尤其适用于各种需要高精度测量的场合。利用AD7715片内的输入缓冲器和前置放大器,可以把传感器的信号输出端和A/D的模拟差分输入端直接相连而不需要外接放大器。

　　如图1所示,通过两个精密电阻对VCC分压,使AD7715的基准电压为2.5V.AD7715通过SCLK、ADRST、DINDOUT和DRDY 5根信号线与89C51接口,通过89C51的P1口产生AD7715的工作时序。其中P1.2产生A/D工作所需的串行时钟信号SCLK,AD7715的控制字和转换结果在SCLK的作用下经P1.6和P1.5串行写入及读出,P1.2产生AD7715的复位信号,使A/D转换开始进行。P1.1用于查询A/D转换状态,当转换结果全部进入AD7715的移位寄存器可供读出时,P1.1变为低电平,这时接收16位数据的MSB位,然后,89C51由P1.7送出外同步时钟SCLK,AD7715在SCLK的下降沿更新数据,数据在SCLK的上升沿稳定,89C51在SCLK的上升沿后读取数据,不断循环,直到16位数据全部读出。