摘要:本文描述了基于電阻式應(yīng)變片傳感器設(shè)計(jì)的電子測(cè)量握力計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)由51單片機(jī)控制，通過液晶屏自動(dòng)顯示所測(cè)握力的大小。其電路構(gòu)成主要有測(cè)量電路，差動(dòng)放大電路，A/D轉(zhuǎn)換，顯示電路。測(cè)量電路利用電阻式應(yīng)變器件將物體的力量信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)大小的電信號(hào)，通過差動(dòng)放大電路將電信號(hào)放大到AD芯片能夠識(shí)別的范圍內(nèi)從而能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，最終在液晶上顯示所測(cè)的握力。

　　關(guān)鍵詞：電阻應(yīng)變式傳感器、差分放大器、1602液晶

　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

　　1.1設(shè)計(jì)任務(wù)

　　1).設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字顯示握力計(jì)，可以顯示出當(dāng)前的力量值。

　　2).用數(shù)字顯示被測(cè)力量。

　　1.2設(shè)計(jì)思路

　　數(shù)字顯示握力計(jì)的測(cè)量過程是把被測(cè)物體的力量通過電阻式應(yīng)變片傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由于這一信號(hào)通常都很小，需要進(jìn)行放大，放大后的模擬信號(hào)經(jīng)由模/數(shù)芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再通過顯示器顯示出力量大小。

　　1.3工作原理

　　當(dāng)被測(cè)物體(主要是手臂力量)使用數(shù)字顯示握力計(jì)檢測(cè)時(shí)，其力量使握力計(jì)彈簧變形便通過電阻應(yīng)變片傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，將物體的力量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(電壓或電流)。此信號(hào)由放大電路進(jìn)行放大、經(jīng)濾波后再由模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行必要的判斷、分析，再送到顯示電路。

　　二、方案設(shè)計(jì)與論證

　　2.1整體方案

　　通過電阻應(yīng)變片產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)放大電路把信號(hào)放大后輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片TCL2543進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由于此芯片可直接用于數(shù)字顯示，故轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量直接用數(shù)碼顯示器進(jìn)行顯示。此方案的優(yōu)點(diǎn)是外部電路非常簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)較高的精度。

　　三、電子元器件的選取

　　3.1傳感器的選擇

　　電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是精度高，測(cè)量范圍廣,壽命長(zhǎng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。

　　3.2運(yùn)算放大器的選擇

　　市場(chǎng)上有已成形的集成運(yùn)算放大器，如AD620儀用放大器能直接用于該設(shè)計(jì)的放大部分，且集成芯片相對(duì)于自己用單運(yùn)放搭接的運(yùn)放電路具有更穩(wěn)定的性能，誤差更小;但集成運(yùn)算放大器價(jià)格相對(duì)較高，而且自己搭接的運(yùn)放電路其誤差范圍已經(jīng)基本滿足本設(shè)計(jì)的要求，所以我們選取OP07單運(yùn)放搭接差分運(yùn)算放大器的方式，同時(shí)一定程度上鍛煉了模擬電路的實(shí)踐能力。

　　3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)芯片的選取

　　根據(jù)本課題的要求，要滿足最低檔位的分辨率，必須選取位數(shù)較高的A/D芯片，串行的TLC2543芯片驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)并行A/D復(fù)雜一點(diǎn)，但根據(jù)市場(chǎng)零售價(jià)格比較，該芯片是滿足要求的最便宜的芯片，本著開發(fā)項(xiàng)目盡量縮減成本的原則我們最終選取了該芯片。

　　3.4顯示器的選擇

　　選取SMC1602a LCM點(diǎn)陣型液晶對(duì)放大以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

　　四、各硬件模塊的具體實(shí)現(xiàn)方案

　　系統(tǒng)硬件包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集及放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、自動(dòng)換檔模塊、數(shù)碼管顯示模塊。

　　4.1電源模塊

　　由于系統(tǒng)硬件有OP07，而運(yùn)放電路要求正負(fù)9V電源，故此整個(gè)放大電路需要的電源可以直接用可充電的鋰電池。

　　4.2傳感器模塊

　　電阻應(yīng)變式傳感器就是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化 , 再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路而最后顯示或記錄被測(cè)量值的變化。在這里，我們用電阻應(yīng)變式傳感器作為測(cè)量電路的核心。并應(yīng)根據(jù)測(cè)量對(duì)象的要求，恰當(dāng)?shù)剡x擇精度和范圍度。

　　4.3、差動(dòng)放大電路

　　數(shù)字顯示握力計(jì)使用電阻應(yīng)變?nèi)珮蚴絺鞲衅?其核心是由電阻應(yīng)變計(jì)(應(yīng)變片)構(gòu)成的電橋電路,這類傳感器具有成本低、精度高且溫度穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。但其檢測(cè)原理決定該類傳感器輸出電壓低,要經(jīng)過差分放大電路放大數(shù)百倍才能用于A/D轉(zhuǎn)換。一般說來(lái)，傳感器輸出的電壓值都非常小，基本上都是毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)，需要外部放大電路來(lái)獲得足夠的增益。

　　儀表儀器放大器的選型很多，我們這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，就是典型的差動(dòng)放大器。它只需高精度OP07和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、儀器儀表、電氣測(cè)量等數(shù)字采集的系統(tǒng)中。

　　OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。

　　4.4、A/D轉(zhuǎn)換

　　在實(shí)際的測(cè)量和控制系統(tǒng)中檢測(cè)到的常是時(shí)間、數(shù)值都連續(xù)變化的物理量，這種連續(xù)變化的物理量稱之為模擬量，與此對(duì)應(yīng)的電信號(hào)是模擬電信號(hào)。模擬量要輸出顯示，首先要經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，LCM點(diǎn)陣型液晶才能接收、處理。

　　五、系統(tǒng)調(diào)試

　　5.1調(diào)試過程

　　(1).首先在握力計(jì)無(wú)負(fù)載時(shí)確保顯示器準(zhǔn)確顯示零。

　　(2).然后握力臂施以不同的力量，觀察顯示器是否準(zhǔn)確顯示力量大小，如有偏差，采樣十五次求平均值。

　　(3).零位穩(wěn)定是影響握力計(jì)精度非常重要的因素，因受溫度或其它因素影響將引起零位不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象稱為零漂。由于零漂的影響，零輸入信號(hào)時(shí)，輸出可能不為零，為消除這個(gè)零位漂移值，采用零位補(bǔ)償技術(shù)，零位補(bǔ)償就是把這個(gè)零漂值儲(chǔ)存起來(lái)，每一數(shù)據(jù)采集時(shí)減去這個(gè)數(shù)值，得到的數(shù)值就是消除零漂的有效信號(hào)。

　　六、系統(tǒng)功能

　　該數(shù)字握力計(jì)，測(cè)量范圍分成四檔，0～1.999Kg、0～19.99Kg、0～199.9Kg、0～1999Kg。用數(shù)字顯示被測(cè)握力，小數(shù)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)不同的量程顯示，且具有量程自動(dòng)切換功能，能適應(yīng)不同層次的人群。

　　七、設(shè)計(jì)總結(jié)

　　目前，市場(chǎng)上的小型數(shù)顯握力計(jì)很少但是其正朝著小型化、高精度、智能化方向發(fā)展。TCL2543采用較小的封裝，尺寸很小，所需的外圍器件也很少，滿足了握力計(jì)小型化的需求;其內(nèi)置各種控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，并且可以通過SPI接口方便地控制和讀取這些寄存器，滿足了握力計(jì)智能化的需求。

　　在電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)中，我們花了大量的時(shí)間和精力進(jìn)行資料查閱和方案論證，結(jié)合自己所學(xué)，認(rèn)真解決每一個(gè)功能模塊中遇到的問題。我們還用仿真軟件Proteus 6 Professional 進(jìn)行某些功能模塊的仿真，收到了很好的效果。

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