三、电阻式传感器接口电路的设计

实验三 电阻式传感器的仿真与接口电路设计

首先介绍一款应变片传感器YZC-1B 称重传感器。它的主要参数见下表。

额定载荷：

3,5,8,10,15,20,25,30,35,40,45kg 绝缘电阻：≥5000M Ω 工作温度范围：-40 ～ +80℃ 灵敏度：2.0±0.002mv/v 安全过载：150%F.S 综合误差：±0.02%F.S 极限过载：200%F.S 蠕变：±0.02%F.S

推荐激励电压：10～12V(DC) 零点平衡：±1%F.S

最大激励电压：15V

零点温度影响：±0.02%F.S/10℃ 密封等级：IP67

输出温度影响：±0.02%F.S/10℃ 材质：铝合金 输入电阻：405±5Ω

电缆：线长：0.3～3m ；直径：￠4mm 输出电阻：350±3Ω 输入+：红；输入-：黑； 输出+：绿；输出-：白

这种传感器主要的应用领域是电子计价秤、计重秤等小台面电子秤。它的外观是这样的。这个实验里首先对这样一款传感器进行仿真，然后设计一个接口电路，使其具有测量压力（重量）的功能。

电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的

电阻值相应发生变化。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随着压力的变化而变化。对于金属导体，导体变化率△R/R 的表达式为:

△ R/R ≈(1＋2μ)ε

式中μ为材料的泊松系数；ε为应变量。通常把单位应变所引起电阻值相对变化称作电阻丝的灵敏系数。对于金属导体，其表达式为:

K 0＝△R/R ＝(1＋2μ)

所以△R/R ＝K 0ε。

在外力作用下，应变片产生变化，同时应变片电阻也发生相应变化。当测得阻值变化为ΔR时，可得到应变值ε，根据应力与应变关系，得到应力值为:

σ＝Eε

式中：σ为应力；ε为应变量（为轴向应变）；E为材料的弹性模量（kg／mm2）。又知，重力G与应力σ的关系为G＝㎎＝σs 。式中：G为重力；S为应变片截面积。

根据以上各式可得到：ΔR/R＝K

mg/ES。由此便得出应变片电阻值变化与物

体质量的关系，即ΔR＝RK

0mg/ ES。根据应变片的材料，取K

=2，E=16300kg∕

mm2， s=100mm2，R=350Ω,g=9.8m∕s，ΔR=[（2×9.8×348）∕（16300×100）]m。

最终确定电阻变化与质量的对应关系为：

ΔR =4.185×10-3m

下面用multisim10建立一个包含有传感器和放大电路在内的电路原理图，来进行输入输出的仿真。原理图如下。

在这个电路里采用了恒流源对传感器电桥的激励。适用四个350Ω的电阻来代替传感器上的四个应变片。当没有外界压力的时候，传感器四个应变片不产生应变而保持原来的阻值，因此电桥平衡，输出为0。当传感器感知压力的时候，

对角线的电阻阻值将发生相应的变化，因此破坏了电桥臂的平衡，有电压输出。但输出电压值很小。于是在后面连接了两级放大电路。电路中有四个滑动变阻器

分别是R

13,R

5

,R

10

,R

12

。其中R

13

和R

5

用于电路的调零，R

10

和R

12

用于调整电路的放

大倍数。

首先将放大电路两端接地调零。假定传感器在重物的压力下发生了应变，按照前面计算的关系ΔR =4.185×10-3m，在受到30kg的重物的压力时，它的ΔR 应为0.125Ω。于是调整电桥上的电阻的阻值为350.125Ω,350.125Ω,349.875Ω,349.875Ω。此时，为了使输出电压与输入的重量成对应关系，可调整滑动变

阻器R

10和R

12

使输入30kg时输出3V。然后观测各表的显示并记录下来。

可见，此时恒流源输出6.779mA电流，电桥输出874.434μV的电压，放大输出后的电压是2.999V。

当传感器受到20kg的重物压力时，相应的电阻变化ΔR时0.084Ω。相应的输出是1.937V。这样再进行10kg、40kg、50kg情况下的仿真。记录在表格里。

图中的恒流源、传感器电桥、放大电路已在前文出现，接下来是A/D 转换、

单片机处理和液晶显示。A/D 转换采用ADC0809（仿真中用ADC0808），单片机采用89C51。在Keil4中编写代码编译并生成 .hex 文件（代码在附录2中）。双击图中的AT89C51加载 .hex 文件，查看仿真结果。在液晶屏幕上显示出了电压（或者说物体的重量）。

单片机?

A/D 转换电路?

?放大器输出

附录1：

附录2：

//-------------- include.h -----------------

#ifndef __INCLUDES_H__

#define __INCLUDES_H__

#include

#include "SMC1602.h"

#include "DATransform.h"

#endif

//-------------- main.c --------------------

#include "includes.h"

#define TIME0H 0x3C

#define TIME0L 0xB0

//全局变量

unsigned char uc_Clock=0; //定时器0中断计数

bit b_DATransform=0;

//LCD上显示电压

void vShowNum(unsigned int uiNumber) {

unsigned char ucaNumber[3],ucCount;

if(uiNumber>999)

uiNumber=999;

ucaNumber[0]=uiNumber/100;

//把计算数字的每个位存入数组。

ucaNumber[1]=(uiNumber-100*(int)uca Number[0])/10;

ucaNumber[2]=uiNumber-100*(int)ucaN umber[0]-10*ucaNumber[1];

for(ucCount=0;ucCount<3;ucCount++)

{

vShowOneChar(ucaNumber[ucCount]+48); //从首位到末位逐一输出。

//if(ucCount==0)

// vShowOneChar('.');

}

}

void delay(unsigned char a)

{

unsigned char i;

while(a--)

for(i=100;i>0;i--);

}

void main()

{

//char key_pre=0,key_cur=0;

char weight;

//设置定时器0

TMOD=0x01; //定时器0，模式1。

TH0=TIME0H;

TL0=TIME0L;

TR0=1; //启动定时器。

ET0=1; //开定时器中断。

EA=1; //开总中断

vdInitialize();

vWriteCMD(0x00);

vShowChar(" ");

while(1)

{

vWriteCMD(0xC0);

vShowChar(" xiexie DUlaoshi");

while(b_DATransform!=1);

b_DATransform=0;

while((weight=uiADTransform())==0);

vWriteCMD(0x88);

//vShowNum(" ");

vShowNum(weight);

vShowChar(" kg");

vWriteCMD(0xC0);

delay(250);

delay(250);

delay(250);

delay(250);

vdCleanLCD() ;

}

}

//定时器0中断函数

void Time0() interrupt 1

{

if(uc_Clock==0)

{

uc_Clock=5;

b_DATransform=1;

}

else

uc_Clock--;

TH0=TIME0H; //恢复定时器0。

TL0=TIME0L;

}

//------------- DATransform.h -------------

#ifndef __DATRANSFORM_H__

#define __DATRANSFORM_H__ unsigned int uiADTransform();

#endif

//------------- SMC1602.h ----------------- #ifndef __SMC1602_H__

#define __SMC1602_H__

#include

//LCD设置函数

#define vdInitialize() vWriteCMD(0x01);vWriteCMD(0x38);v WriteCMD(0x0C); vWriteCMD(0x0F); //初始化

#define vdCleanLCD() vWriteCMD(0x01);

//清屏

//#define vdSetShowMode() vWriteCMD(0x38); //显示模式设置：8位2行5x7点阵

//#define vdSetInput() vWriteCMD(0x0C);

//文字不动，光标自动右移

// vWriteCMD(0x0F); //显示器开、光标开、闪烁开

//端口设置宏定义

#define LCDRS P3_5

//寄存器选择信号：

// 0--数据寄存器；

// 1--指令寄存器。

#define LCDRW P3_6

//读写信号：

// 1--读LCD；

// 0--写LCD。

#define LCDE P3_7

//片选信号，当输入下降沿信号时，

//执行指令或传送数据。

#define LCDPORT P0

//LCD数据接口。

//写数据命令函数

void vDelay();

//延时函数。

void vWriteCMD(unsigned char ucCommand);

//把1个命令写入LCD。

void vWriteData(unsigned char ucData);

//把1个数据写入LCD。

void vShowOneChar(unsigned char ucChar);

void vShowChar(unsigned char ucaChar[]);

#endif

//-----------------DATransform.c---------------------

//AD转换函数

#include

#define START P3_4

//ATART，ALE接口。0->1->0:启动AD转换。

#define EOC P3_3 //转换完毕由0变1.

#define OUTPORT P2

//AD转换函数，返回转换结果。

//转换结果是3位数，小数点在百位与十位之间。

unsigned int uiADTransform()

{

unsigned int uiResult;

START=1; //启动AD转换。

START=0;

while(EOC==0); //等待转换结束。

uiResult=OUTPORT; //出入转换结果。

uiResult=(100*uiResult)/51; //处理运算结果。

return uiResult;

}

//------------------------SMC1602.c（SMC1602驱动程序）-------------------

#include "SMC1602.h"

//把1个命令写入LCD

void vWriteCMD(unsigned char ucCommand)

{

vDelay(); //先延时。

LCDE=1; //然后把ＬＣＤ改为写入命令状态。

LCDRS=0;

LCDRW=0;

LCDPORT=ucCommand; //再输出命令。

LCDE=0; //最后执行命令。

}

//把1个数据写入LCD

void vWriteData(unsigned char ucData)

{

vDelay(); //先延时。

LCDE=1; //然后把ＬＣＤ改为写入数据状态。

LCDRS=1;

LCDRW=0;

LCDPORT=ucData; //再输出数据。

LCDE=0; //最后显示数据。

}

void vShowOneChar(unsigned char ucChar) {

switch(ucChar)

{

case ' ': vWriteData(0x20);break;

case '!': vWriteData(0x21);break;

case '"': vWriteData(0x22);break;

case '#': vWriteData(0x23);break;

case '$': vWriteData(0x24);break;

case '%': vWriteData(0x25);break;

case '&': vWriteData(0x26);break;

case '>': vWriteData(0x27);break;

case '(': vWriteData(0x28);break;

case ')': vWriteData(0x29);break;

case '*': vWriteData(0x20);break;

case '+': vWriteData(0x2A);break;

case '-': vWriteData(0x2D);break;

case '/': vWriteData(0x2F);break;

case '=': vWriteData(0x3D);break;

case '<': vWriteData(0x3E);break;

case '?': vWriteData(0x3F);break;

case '.': vWriteData(0x2E);break;

case ':': vWriteData(0x3A);break;

case '0': vWriteData(0x30);break; case '1': vWriteData(0x31);break; case '2': vWriteData(0x32);break; case '3': vWriteData(0x33);break; case '4': vWriteData(0x34);break; case '5': vWriteData(0x35);break; case '6': vWriteData(0x36);break; case '7': vWriteData(0x37);break; case '8': vWriteData(0x38);break; case '9': vWriteData(0x39);break;

case 'A': vWriteData(0x41);break; case 'B': vWriteData(0x42);break; case 'C': vWriteData(0x43);break; case 'D': vWriteData(0x44);break; case 'E': vWriteData(0x45);break; case 'F': vWriteData(0x46);break; case 'G': vWriteData(0x47);break; case 'H': vWriteData(0x48);break; case 'I': vWriteData(0x49);break; case 'J': vWriteData(0x4A);break; case 'K': vWriteData(0x4B);break; case 'L': vWriteData(0x4C);break; case 'M': vWriteData(0x4D);break; case 'N': vWriteData(0x4E);break; case 'O': vWriteData(0x4F);break; case 'P': vWriteData(0x50);break; case 'Q': vWriteData(0x51);break; case 'R': vWriteData(0x52);break; case 'S': vWriteData(0x53);break; case 'T': vWriteData(0x54);break; case 'U': vWriteData(0x55);break; case 'V': vWriteData(0x56);break; case 'W': vWriteData(0x57);break; case 'X': vWriteData(0x58);break; case 'Y': vWriteData(0x59);break; case 'Z': vWriteData(0x5A);break;

case 'a': vWriteData(0x61);break; case 'b': vWriteData(0x62);break; case 'c': vWriteData(0x63);break; case 'd': vWriteData(0x64);break; case 'e': vWriteData(0x65);break; case 'f': vWriteData(0x66);break; case 'g': vWriteData(0x67);break;

case 'h': vWriteData(0x68);break;

case 'i': vWriteData(0x69);break;

case 'j': vWriteData(0x6A);break;

case 'k': vWriteData(0x6B);break;

case 'l': vWriteData(0x6C);break;

case 'm': vWriteData(0x6D);break;

case 'n': vWriteData(0x6E);break;

case 'o': vWriteData(0x6F);break;

case 'p': vWriteData(0x70);break;

case 'q': vWriteData(0x71);break;

case 'r': vWriteData(0x72);break;

case 's': vWriteData(0x73);break;

case 't': vWriteData(0x74);break;

case 'u': vWriteData(0x75);break;

case 'v': vWriteData(0x76);break;

case 'w': vWriteData(0x77);break;

case 'x': vWriteData(0x78);break;

case 'y': vWriteData(0x79);break;

case 'z': vWriteData(0x7A);break;

default: break;

}

}

void vShowChar(unsigned char ucaChar[]) {

unsigned char ucCount;

for(ucCount=0;;ucCount++)

{

vShowOneChar(ucaChar[ucCount]);

if(ucaChar[ucCount+1]=='\0')

break;

}

}

//延时函数

void vDelay()

{

unsigned int uiCount;

for(uiCount=0;uiCount<250;uiCount++); }