傳感器與檢測(cè)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

潘 煒

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036）

傳感器技術(shù)是一門學(xué)科跨度大，兼具理論性及應(yīng)用性的技術(shù)。然而，傳感器的這種跨學(xué)科特性，使得傳感器涉及的領(lǐng)域非常之寬，給學(xué)習(xí)、研究與應(yīng)用傳感器技術(shù)帶來(lái)了相當(dāng)大的難度［1］。這就要求教師在教授傳感器與檢測(cè)技術(shù)理論課程及前修課程的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，在傳感器與檢測(cè)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)課程中認(rèn)真設(shè)計(jì)課程內(nèi)容和教學(xué)方法，提高教學(xué)效果。應(yīng)變式電阻傳感器具有悠久的歷史，是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一［2］。這類傳感器種類很多，在幾何量和機(jī)械測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，常用來(lái)測(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度等非電量［3］。壓力傳感器屬于應(yīng)變式電阻傳感器，故選擇它作為傳感器與檢測(cè)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械膫鞲性?。學(xué)生通過(guò)制作、調(diào)試和使用實(shí)驗(yàn)板，對(duì)于利用應(yīng)變式傳感器或其他類型的傳感器設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)，可以起到舉一反三的效果，并且能夠鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，達(dá)到理論和實(shí)踐相結(jié)合的目的。

1 系統(tǒng)框圖

實(shí)驗(yàn)?zāi)０逑到y(tǒng)框圖如圖1所示。壓力傳感器將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后成為合適的電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路的核心是放大電路。信號(hào)調(diào)理電路輸出的模擬電信號(hào)傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在單片機(jī)控制下進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，此模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)過(guò)對(duì)單片機(jī)編寫(xiě)的用戶程序處理后，由單片機(jī)控制顯示電路顯示被測(cè)量。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)０逑到y(tǒng)框圖

2 各個(gè)功能模塊介紹

2.1 壓力傳感器

本實(shí)驗(yàn)選擇S型拉壓稱重傳感器NO.9K192。該傳感器承受拉、壓力均可，輸出對(duì)稱性好，精度高［4］，它采用全橋測(cè)量電路，其輸出端存在共模和差模信號(hào)。選用此傳感器可以讓學(xué)生了解實(shí)際傳感器的應(yīng)用。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

放大電路是信號(hào)調(diào)理電路的核心元件。為了使學(xué)生掌握應(yīng)用儀用運(yùn)算放大器放大傳感器的輸出信號(hào)，選擇單電源儀用運(yùn)算放大器MAX4194［5］和雙電源儀用運(yùn)算放大器AD620［6］，實(shí)現(xiàn)可選擇在單或雙電源供電模式下對(duì)傳感器輸出的差模信號(hào)放大，如圖2所示。

圖2 單雙電源供電模式下的信號(hào)放大

MAX4194供電范圍VCCMAX＝7.5V，現(xiàn)采用VCC＝5 V供電。傳感器承受最大拉力和壓力時(shí)，在5V給傳感器供電時(shí)，其輸出最大差模電壓為±2.5mV。實(shí)驗(yàn)中傳感器承受壓力，UCM＋＝UCM－＝2.5V，選擇G＝1 000，計(jì)算放大器輸出信號(hào)電壓最大值△UOUTmax＝UOUTmax－UREF＝2.5mV×1000＝2.5V，如使UOUTmax＝2.5～5 V，可設(shè)UREF＝0～2.5V。根據(jù)實(shí)際制作傳感器方法，常使UOFFSET＝0.5V［7］，故調(diào)節(jié)設(shè)置UREF的電位器，使傳感器承受壓力為零時(shí)，UOUTmin＝0.5V左右 。

AD620供電范圍±2.3V～±18V，現(xiàn)采用±12V供電。10V給傳感器供電，其最大輸出差模電壓為±5 mV。實(shí)驗(yàn)中傳感器承受壓力，V，選擇G＝49.4kΩ/51Ω＋1＝970。放大器信號(hào)輸出電壓△UOUTmax＝UOUTmax－UREF＝5mV×970＝4.85V，如使UOUTmax＝4.85V～（＋12V－1.2V）＝4.85V～10.8 V，可設(shè)UREF＝0V～5.45V。按照UOFFSET＝0.5V，調(diào)節(jié)設(shè)置UREF的電位器，使傳感器承受壓力為零時(shí)，UOUTmin＝0.5V左右。

學(xué)生通過(guò)使用MAX4194和AD620對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，可以掌握單雙電源儀用運(yùn)算放大器的應(yīng)用及其特點(diǎn)。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換

選擇ADC0804 8位AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，其分辨率為q＝5V/255［8］。單雙電源運(yùn)放共用此AD轉(zhuǎn)換器。對(duì)每種載荷正反行程至少各測(cè)3次［9］。單電源供電時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 載荷與輸出電壓

根據(jù)ADC0804轉(zhuǎn)換規(guī)律，十進(jìn)制數(shù)＝255/5V×平均輸出電壓值，將表1所測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，十進(jìn)制數(shù)與載荷關(guān)系如表2所示。

表2 十進(jìn)制數(shù)與載荷

表2 （續(xù)）

利用Excel做出輸入量為十進(jìn)制數(shù)，輸出量為載荷的擬合直線，并得到標(biāo)度變換方程y＝0.074 1x－2.322 1，將此方程用于編程。擬合直線和標(biāo)度變換方程如圖3所示。

圖3 使用MAX4194的擬合直線和標(biāo)度變換方程

同理，根據(jù)雙電源供電時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以利用Excel得到擬合直線和標(biāo)度變換方程，并將方程應(yīng)用于編程。

2.4 控制電路

單片機(jī)STC89C52具有8KB ROM 區(qū)和512B RAM區(qū)［10］，在功能上和存儲(chǔ)空間上，滿足該項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中程序的裝載和實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

2.5 顯示電路

將被測(cè)量遠(yuǎn)程傳送到PC機(jī)顯示和近程送到液晶屏或數(shù)碼管顯示，可通過(guò)跳線選擇液晶屏或數(shù)碼管。采用PC機(jī)顯示需使用MAX232芯片［11］，通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線與PC機(jī)之間進(jìn)行通信，可將數(shù)據(jù)保存在PC機(jī)上，便于數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析。

3 程序流程圖

程序流程圖如圖4所示。

程序分支通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系奶€位置來(lái)選擇。用戶程序在keil.c51中編譯成＊.hex文件，對(duì)單片機(jī)燒寫(xiě)＊.hex文件。

4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)串口通信進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)串口傳輸至PC機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。

將串口數(shù)據(jù)取平均值作為最終測(cè)試值可以消除隨機(jī)干擾信號(hào)［12］。根據(jù)測(cè)試值分析此稱重傳感器的性能指標(biāo)。

圖4 程序流程圖

圖5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

學(xué)生制作上述實(shí)驗(yàn)電路，將會(huì)更好地掌握其前修課程所學(xué)內(nèi)容，如傳感器與檢測(cè)技術(shù)、模擬電子技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、用EDA軟件繪制原理圖和仿真，用EDA軟件畫(huà)PCB圖等。學(xué)會(huì)調(diào)試電路。對(duì)于設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)，可以起到舉一反三的效果。學(xué)生做此綜合實(shí)驗(yàn)有助于對(duì)本專業(yè)學(xué)科體系的理解，有助于提高他們的就業(yè)能力。

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［2］劉愛(ài)華，滿寶元.傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［3］何道清，張禾，諶海云.傳感器與傳感器技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

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