毕业论文模板
学号：常州大学
毕业设计（论文）
（2014届）
题目基于单片机的应变片压力数据采集电路设计
学生
学院机械工程学院专业班级
校内指导教师专业技术职务
二○一四年六月
基于单片机的应变片压力数据采集电路设计
摘要：电阻式应变片压力传感器相比于其他形式的压力传感器，其测量范围较小，适合用于日常生活中，电子称就是一个很好的例子。电阻应变片压力传感器的主要作用就是将压力的变化反映为电阻丝电阻的变化，从而使压力信号转化为电信号，电桥电路是应变片电测法的基本测量电路；将采集到的信号经过放大电路的放大作用接到单片机上，然后再经AVR单片机内部的A/D转换模块，再接到数码管或PC接口上，最后显示输出。
关键词：应变片压力传感器，ATmega128单片机，数据采集，串口通讯
Design of Strain gauge pressure data acquisition circuit based on
MCU
Abstract:Resistive strain gauge pressure sensors compared to other forms of pressure sensor , the measurement range is more smaller , suitable for use in everyday life , electronics is a good example. The main role of resistance strain gauge pressure sensors that will be reflected as a change in pressure resistance wire resistance changes , so that the pressure signals into electrical signals, strain gauge bridge circuit measuring method is the basic measurement circuit ; the collected signals through the amplification of the amplifier circuit connected to the MCU, the analog signal is then converted to a digital signal the MCU to identify , and then converted into a single-chip liquid crystal display of information can be identified , the final display output .
Key words: Strain gauge pressure sensor ；ATmega128MCU；data acquisition；Serial communication
目录
摘要............................................................................................................................................. I Abstract. ..................................................................................................................................... I I 目录........................................................................................................................................ III 第1章绪论 (1)
1.1基于单片机的应变片压力数据采集电路设计任务 (1)
1.2基于单片机的应变片压力数据采集的国内外现状 (1)
1.3基于单片机的应变片压力数据采集电路的设计思想 (2)
第2章总体设计 (3)
2.1基于单片机的应变片压力数据采集电路设计总体功能框图设计 (3)
2.2基于单片机的应变片压力数据采集电路各部分模块功能简介 (3)
第3章基于单片机的应变片压力数据采集电路设计的传感器选择 (4)
3.1电阻应变式力学感器结构及原理 (4)
3.2 电阻应变片压力传感器说明书 (5)
3.3电阻应变片压力传感器信号采集电路设计 (6)
第4章电阻应变片压力传感器信号调理电路设计 (9)
4.1 运算放大器LM741内部结构 (9)
4.2 运算放大器LM741功能 (10)
4.3 运算放大器LM741应用电路 (12)
4.4信号调理电路及滤波电路设计 (13)
第5章直流稳压电路设计 (16)
5.1 变压器的结构及工作原理 (16)
5.2 稳压模块LM7805的结构及工作原理 (16)
5.3 直流稳压电路设计 (17)
第6章单片机电路设计 (19)
6.1ATMEGA-128单片机内部功能框图 (19)
6.2 ATMEGA-128单片机引脚定义 (19)
6.3 ATMEGA-128单片机功能介绍 (20)
6.4 ATMEGA-128单片机外围电路设计 (21)
第7章RS-232通讯电路设计及数码管显示电路设计 (24)
7.1串口通讯芯片MAX232结构及原理 (24)
7.2 串口通讯电路设计 (25)
7.3 数码管显示电路设计 (25)
第8章基于单片机的应变片压力数据采集电路设计总图 (27)
8.1基于单片机的应变片压力数据采集电路原理图 (27)
8.2基于单片机的应变片压力数据采集电路的PCB图 (28)
第9章单片机程序设计 (29)
第10章总结 (35)
参考文献 (36)
致谢 (37)
第1章绪论
1.1基于单片机的应变片压力数据采集电路设计任务
本次毕业设计是采用的是A VR系列的ATmaga-128单片机，是通过电阻式压力应变片将压力转换成电压信号，再经过运算放大器的信号调理作用，接入ATmaga-128单片机的ADC接口进行模数转换，再经单片机转换成数码管可以识别的信息，最后显示输出。
设计内容如下：
1.传感器的选择
2.传感器信号调理电路设计
3.直流稳压电路设计
4.单片机外围电路设计
5.数码管显示电路设计
6.单片机程序设计
压力传感器是工业生产中应用非常广泛的一种传感器，其广泛应用于石油、机械化工、航空航天、船舶与海洋等领域。
随着科学技术的进一步的发展，传感器技术也得到了空前的改革创新，传感器在国民经济中也占据了非常重要的地位。
日常生活中，我们也能随处可见压力数据采集的意义和应用。例如，当开车经过桥梁时，判断汽车是否超载就是根据桥上的压力传感器所显示出来的数据来判断的；超市里的称重仪器也是通过压力数据的显示来判断物体的重量；还有许多在工业里的应用就不一一举例，其实压力数据采集的作用还是和我们的生活息息相关的。
1.2基于单片机的应变片压力数据采集的国内外现状
压力变送器经常被用于环境比较恶劣的情况下，如高温、腐蚀度高、辐射强等地方。
压力变送器的发展情况大概可分为以下四个阶段：
(1) 最早期的压力变送器采用大位移式的工作原理。
(2) 力平衡式差压变送器，但是其反馈力小，结构较复杂，可靠性低且成本较高。
(3) 到了70年代中期，发明了位移式变送器。
(4) 随着科学技术的迅猛发展，这些变送器也有了进一步的发展，到今天为止，已有电容式变送器、扩散硅压阻式变送器、差动电感式变送器和陶瓷电容式变送器等不同的类型。
单片机经过了三个发展阶段，主要可以分为：初级阶段、发展阶段以及高速发展阶段。初级阶段是在20世纪70年代Intel公司的MCS-48系列单片机。发展阶段是在20世纪80年代Intel公司的MCS-51、MCS-96系列的两种高性能的单片机。高速发展阶段是20世纪90年代至今的单片机。新型多功能单片机的研制、生产和推广得到许多著名半导体厂商的重视。单片机的性能不断地提高，种类和型号快速增加，性能价格比也得到开速的提升。单片机的高速发展对应用单片机的技术人员来说，单片机型号的选择有了更大的自由度。
单片机的应用领域：
1、单片机在智能仪表中的应用；
2、单片机在机电一体化中的应用；
3、单片机在实时控制中的应用；
4、单片机在分布式多机系统中的应用；
5、单片机在智能家用电器等消费领域中的应用。
典型单片机的产品：
1、Intel公司其产品主要有MCS-48，MCS-51和MCS-96三大系列的单片机；
2、ATMEL公司其产品主要有8051结构的FLASH型和EEPROM型单片机，以及最新的AVR系列单片机；
3、Motorola公司其产品主要有采用HCMOS技术的8位单片机，例如MC68HC705C8A。
1.3 基于单片机的应变片压力数据采集电路的设计思想
本次系统设计主要由PC、信号调理电路、AVR单片机，数码管等部分组成。
通过应变片压力传感器把压力的大小反应为电压的大小，把感应的微弱信号经过信号调理和放大电路的处理，再经过AVR单片机内部的A/D转换，把连续的模拟信号——电压，转化为数字信号，再经单片机转换成数码管可以识别的信息，最后显示输出。
第2章 总体设计
2.1 基于单片机的应变片压力数据采集电路设计总体功能框图设计
图2.1 基于单片机的应变片压力数据采集电路设计总体功能框图
2.2 基于单片机的应变片压力数据采集电路各部分模块功能简介
本次设计采用BF350电阻应变式压力传感器。其主要原理是将施加在应变片上的压力转化为电信号的元件，压力传感器就是应用电阻应变片制成的，电阻的应变效应是此类传感器工作的主要原理。
应变片受外部压力发生变化时，其阻值同时也随之发生改变，结果使测量电桥两端的电压值发生变化。此类应变片受外力所产生的阻值变化是非常小的，一般此类应变片都组成应变电桥，并通过后续的信号调理电路进行放大作用，再进行模数转换传给单片机，最后与数码管或串口通讯相连输出。
LM741放大器主要是将传感器感应的微弱信号经过放大适当的放大倍数，接入单片机可以识别的电压工作范围，由于ATmega128单片机集成A/D 模数器，所以直接将经过放大的电压信号接入A VR 系列单片机的ADC 接口进行模数转换处理。
A/D 转换模块是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。ATmega128单片机内置有A/D 转换模块，只需程序驱动即可实现模数转换。将VREF 作为基准源进行比较计算，得到结果。
单片机复位电路就像计算机中的清零部分。当单片机在运行过程中，按下复位按钮，内部的程序将会自动从头开始执行。复位电路有上电复位和开关复位两种形式。
显示器目前使用较广的显示器有CRT 、LED 、LCD 和3D 显示器等，根据钛渣自动称重系统实际需求，本设计选用LED 数码显示器，因为考虑到价格不高且能够实现所需的显示要求。
应变片压力传感器 传感器信
号调理电
LM741放
大电路
ATmega128单片机外围电
路
时钟
复位 A/D 转换
开关
显示器
第3章 基于单片机的应变片压力数据采集电路设计的传感器选择
3.1 电阻应变式力学感器的结构及原理
BF350电阻应变片式压力应变片的主要结构：应变片敏感件、基片和覆盖层、引出线是电阻应变片的主要组成部分。应变敏感元件是由金属箔造成的，它能把外界施加的压力转变为其内部组织的变化。现在市场上运用最广泛的这类金属是康铜，因为它的灵敏度系数相对稳定，随温度和外界的变化小；电阻系数随外界的温度变化也相对稳定；机械加工性能好，易于焊接。电阻应变片的电阻值为Ω60、Ω120、Ω200、Ω350等多种规格，通常最常用的阻值为Ω120。
图3.1 金属电阻应变片的结构示意图
其工作原理如下，根据欧姆定律可知：
........................(3.1) 如果受外界的压力使A l 、、ρ发生了改变，则其电阻也随之改变，对（3.1）式求导得
............(3.2) 若半径为r 的圆导体，2
r A π=，带入（3.2）式得
............(3.3)
那么 ..............(3.4) 上式中ε——导体的纵向应变值，其数值一般很小；
ν——材料的泊松比，一般金属材料的泊松比5.0~3.0=ν； λ——电阻的压阻系数，其值一般只与金属的材料相关； E ——为材料的弹性模量。 对于上式（3.4）， E +)21(ν电阻的变化量是由A l 、、ρ的变化引起； ελE 是由ρ决定的，电阻的相对变化量是由电阻率引起的。
对于金属和半导体应变片，前者主要是由电阻的形变引起，而后者主要是ρ引起。
A l R ρ
=ρρρ
d A
l
dA A l
dl A
dR +-
=
2
ελν)21(E ++=R
dR
ρ
ρd r dr l dl R dR +-=2
根据定义，应变片的灵敏度系数k ： ............（3.5） 由式（3.5）得知，电阻的灵敏度系数k 的值越大，就说明单位应变所引起的电阻值的变化也越大，也就是说应变片越灵敏。
对于金属电阻应变片而言，电阻形状所引起的阻值变化远大于电阻率所引起的，因此：
............(3.6) 压阻式传感器的特点：灵敏度系数k 比较高，一般要比电阻应变式压力传感器要高出10到20倍。
其缺点是：半导体材料的温度补偿性能较金属的差，并且其灵敏度系数k 受温度的影响会不稳定；灵敏度系数的非线性度比较大，因为灵敏度系数高，在外力的作用下产生比较大的应变时，其电阻阻值的变化也非常大，灵敏度系数k 就非常容易失去其原有的线性特性。
通过比较电阻应变片压力传感器和压阻式压力传感器后，虽然前者的灵敏系数小但随温度的变化其影响小，并且可以采用温度补偿，所以本次设计采用电阻应变片压力传感器。
3.2 电阻应变片压力传感器说明书
本次设计使用：BF350-3AA 型 康铜金属箔电阻应变，其静态测量稳定性好，疲劳寿命长，蠕变，应变极限等特性好，此规格易于粘贴与焊接，单位面积功耗小，尺寸精确，线条均匀，灵敏系数、电阻值离散，横向效应小，粘结面积大，粘贴牢固，散热性好。
电阻349.8+/-0.1 欧、灵敏系数：2.0－2.20、精度等级: 0.02级、应变极限:2.0%、单片尺寸：7.1mm*4.5mm 。
主要技术指标 BF 系列
E ++==λνε
21R dR
k ε
ενk R
dR
=+≈)21(
表
3-1
BF350电阻应变片的主要技术指标
应变计的主要参数：
1、 应变计的电阻值
其阻值R 是在常温下，且不受任何外力的影响下测定的，本次设计的基本电阻值R 为350Ω。
2、 应变计的灵敏度系数
应变计的灵敏度系数是指：当应变计粘贴在处于单向应力状态的试件表面上，且其纵向(敏感栅纵线方向)与应力方向平行时，应变计的电阻变化率与试件表面贴片处沿应力方向的应变(即沿应变计纵向的应变) 的比值，即式中，K 为应变计的灵敏系数；ε为试件表面测点处与应变计敏感栅纵线方向平行的应变；R R /?为由ε所引起的应变计电阻的相对变化。
常用的应变计灵敏系数为4.2~0.2=k 。 金属丝在承受外界压力而发生机械变形的过程中时，ρ、L 、S 三者也都要随之而发生改变，由（3.1）式得金属丝的电阻值必然会随之发生相应的变化。所以，若能测量出电阻值的变化量R ?，就可知道金属丝的应变情况。这种转换关系如下：
....................(3.7)
（3.7）式中:R ?——金属电阻阻值的变化量； k ——金属材料的灵敏度系数
ε——金属材料的轴向应变值,即, ,
所以又称ε为长度应变值。
3.3 电阻应变片压力传感器信号采集电路设计
电桥电路是应变片电测法的基本测量电路，在应变片式位移传感器中广泛采用双臂工作的半桥接法和四臂工作的全桥接法。本次设计采用具有温度补偿的半桥接法。
典型电阻值 350Ω
丝栅材料 Grid Material 康铜箔 Constantan
灵敏系数 Gauge Factor 2.00-2.20 灵敏系数分散 ≤±1% 应变极限 2.0% 疲劳寿命
≥1M
ε
k R R
=?l l ?=ε
图3.2 为双臂工作的半桥接法
由应变片作为桥臂而组成的电桥成为测量电桥。若测量电桥的输入电桥的输入电压为U 0，输出电压为U ?，各桥臂的电阻分别为R1、R2、R3、和R4，则
..........(3.8) 测量电桥灵敏度k 为：
......(3.9) 当采用双臂工作的半桥接法时，若R3=R4=R ，则有
................(3.10)
................(3.11) ................(3.12) 由上式得： ................(3.13)
.................(3.14)
)
(44
4
3322110R R R R R R R R U U ?-?+?-?=?)(144
43322110R R R R R R R R R R U R
R U k ?-?+?-???=??=T R R R ?+?=?3T R R R ?-?=?40
21=?=?R R R
R
U U ??=
?202
0U K =
图3.3 为双臂工作的全桥接法
当采用四臂工作的全桥接法时，若R1=R2=R3=R4=R ，有
.................(3.15) .................(3.16)
.................(3.17)
.................(3.18)
由上式得：
...............(3.19)
...................(3.20) 比较上述的双臂工作的半桥接法和四臂工作的全桥接法知，虽然四臂工作的全桥接法比双臂工作的半桥接法灵敏度高了一倍，但其成本也提高了，为了经济条件的考虑，本次设计采用双臂工作的半桥接法，即用两个电阻应变片工作，同时也考虑了温度对电阻的影响。
R
R
U U ??=?0T R R R ?+?=?10U k =T R R R ?+?=?2T R R R ?+?=?3T R R R ?-?=?4
第4章电阻应变片压力传感器信号调理电路设计
4.1 运算放大器LM741内部结构
在日常的生产中，大多时候传感器所输出的电压或者电流信号可非常的小，可能只有10-3的数量级别，所以导致在信号处理时单片机很难检测出其间发生的变化，所以需要用运算放大器来放大检测到的微弱电信号以便方便观察。如今运算放大器的种类很多，OP07、LM324、LM358、LM741等，本次设计使用的运算放大器件是LM741，下面就针对LM741的使用来加以说明。
4.1 LM741内部的结构简图如下图4.1所示：
图4.1 LM741内部的结构简图
运算放大器的原理是根据其反馈电路来决定其放大倍数的，其放大倍率是根据外部组件所控制的，通过改变外接电路或者电阻的搭配来选择需要放大的倍数。图4.2为运算放大器电路中的表示符号，根据图4.2可以看出（+）端为非反向输入端；（-）端为反向输入端，运算放大器的放大倍数是由（+）端、（-）端所决定的，此差值被称为差动输入。通常放大器实际使用时放大倍数非常高，可以放大到100倍左右。
图4.2差动运算放大器表示符号
4.2 运算放大器LM741的功能
LM741芯片是一种运算放大器集成电路其特点是，LM741的高电源电压范围：±3V 至±22V；工作电源电压范围：±3V~±18V。LM741完全可以用单电源供电，用＋5V，-5V 绝对没有问题，用单＋5V也可以供电，但是线性区间太小，单电源供电，模拟地在1/2 VCC。建议电源最好>8V，否则线性区实在太小，放大倍数无法做大，一不小心，就充顶饱和了。
图4.3是LM741的外型结构图：
图4.3LM741的外型图
图4.4 LM741的输出入脚位图
如图4.4所示。其输出入脚位的各个引脚含义如下：
1、5零端，2正向输入端，3反向输入端，4接地，6输出端，7电源，8空脚
图4.5 LM741的引脚图
其各个引脚的定义如图4.5所示：
1、5零端，2正向输入端，3反向输入端，4接地，6输出端，7电源，8空脚
图4.6 放大器基本输出入图
4.3 运算放大器LM741应用电路
运算放大器的应用非常广，下面就简单介绍以下几个应用：
图4.7为A/D输出接口电路；图4.8为自动感光电路；图4.9为夜间自动感光电路。
图4.7 A/D输出接口电路
图4.8 自动感光电路图
图4.9 夜间自动感光电路图
4.4信号调理电路及滤波电路设计
滤波电路：
抑制电源干扰首先从配电系统的设计上采取措施。通过稳压电源来保证系统供电的稳定性，防止电网供电的过压或前压。但稳压电源并不能抑制电网的瞬态干扰，一般需
加一级低通滤波器。滤波器可分为高通滤波和低通滤波。
高通滤波
高通滤波的规则是高频信号能正常通过，而低于临界值的低频信号则被阻隔和减弱，并且没有相位移动的滤波过程。但是其阻隔和减弱的幅度则会根据不同的频率以及不同的滤波程序（目的）发生改变。它的主要目的是用来消除低频噪声，有的时候也被叫做低频去除。
低通滤波
低通滤波可以认为是设定一个临界值，当信号频率高于这个值时则不能通过。在数字信号中，这个临界值也叫做截止频率。当频率高于这个截止频率时，则不能通过，而让低频信号全部通过，所以称为低通滤波。
滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，比如在负载电阻两端并联电容器C ，或串联电感器L ，以及由电容和电感组合而成的各种复式滤波电路。其中最简单的滤波电路如下图4.10和4.11所示：
图4.10 低通滤波
图4.11 高通滤波
放大倍数的确定：由上述内容知道：电阻应变片压力传感器是将电阻的变化转化为电信号：
..........................(4.8)
式中：R ?——电阻应变片阻值的变化量，一般很小
R ——电阻应变片的阻值，这里是Ω350 k ——灵敏度系数，值为2.2~0.2
ε——金属材料的轴向应变值,即
由 ..................(4.9) k=2~2.2；4max 102-=?ε得：
V U 3410102225--=???÷=?至V U 34101.11022.225--?=???÷=?.(4.10)
εk R R =?l
l
?=εε
k U R R U U 220
0=??=?
由于单片机ADC0接口的输入电压是V 5.2~0，所以本次设计将输出的电压信号放大1000倍。为了保证输出的数值不失真，本次设计采用三级差分放大，每一级分别放大十倍。
其信号调理电路如下图4.12所示：
图4.12 压力数据采集信号调理电路
第一级放大倍数： ......................(4.11) 第二级放大倍数为：10/)1(103=+R Rf
.....................(4.12) 第三级放大倍数为：10/)1(134=+R Rf .....................(4.13)
10)/(61≈=?R Rf U U
I