一種小型應變片電阻自動測量儀設計

謝 艷，賈雨龍，郝紅斌，董毅龍，彭 疊

（1.南華大學數(shù)理學院，湖南衡陽 421001；2.南華大學電氣工程學院，湖南衡陽 421001）

目前，國內(nèi)外都采用惠斯登電橋來測量[1-2]應變。文中采用一種簡易的、新的測量方法，即恒流源驅(qū)動法[3]來測量應變，該方法測量出來的應變與彈性材料成線性關(guān)系[4]，測量的數(shù)據(jù)通過單片機程序處理后，顯示在12864 液晶顯示屏上,同時無線上傳到上位機。

1 智能應變儀系統(tǒng)

儀器主要由以下器件組成：12 V 直流穩(wěn)壓電源，二組4.7 V、3.3 V 穩(wěn)壓電源，DS18B20 溫度傳感器，DHT11 濕度傳感器，C9012 恒流源驅(qū)動電路，LM358應變片電阻測量電路，STM32F103C8T6 單片機，12864 液晶屏，CH340G 以 及CC2530 通信模塊，如圖1 所示。

圖1 智能應變測量儀框圖

2 應變儀單元線路

2.1 電源供給電路

如圖2 所示，220 V 電壓通過T 變壓器降壓，變換為交流9 V 電壓，再通過B1 整流出12 V 直流電壓,12 V 電壓直接加到兩條支路上，第一條支路12 V 電壓輸入到U1 模塊LM317[5]的3 腳端，1 腳是控制端，2腳是輸出端，兩者之間有1.25 V的鉗位電壓，1.25 V電壓除以R1電阻，得到R1電阻上的電流，R1上電流與1 腳流出的電流之和流過W1 電位器，在W1 電位器上建立起了電壓,W1 電位器上的電壓加上R1上的1.25 V 電壓，就是LM317的2 腳輸出電壓,通過調(diào)節(jié)W1 電位器，可調(diào)節(jié)出4.7 V 直流電壓。4.7 V 電壓又分五路供給電壓，第一路供給兩組C9012 組成的恒流源驅(qū)動電路；第二路供給LM358[6]運算放大器測量電路；第三路供給DS18B20[7]溫度傳感器電路；第四路供給濕度DHT11[8]傳感器電路；第五路供給12864[9]液晶顯示屏插座CN1的第2 腳和19 腳。

圖2 電源供給電路

第二條支路12 V 直流電壓供給U2 模塊LM317的3 腳端，1 腳是控制端，2 腳是輸出端，兩者之間有1.25 V的鉗位電壓，1.25 V 電壓除以R3電阻，得到R3電阻上的電流，R3上電流與1 腳流出的電流之和流過W2 電位器，在W2 電位器上建立起了電壓，W2 電位器上的電壓加上R3上的1.25 V 電壓，就是LM317的2腳輸出電壓,通過調(diào)節(jié)W2電位器，可調(diào)節(jié)出3.3 V直流電壓，3.3 V 電壓供給單片機STM32F103C8T6的1 腳、9 腳、24 腳、36 腳、48 腳。

2.2 晶體管輸出特性曲線

如圖3所示，其描述了晶體三極管輸出特性線[10]，當晶體管發(fā)射結(jié)電壓處于正向偏置時，集電極電壓處于反向偏置，曲線的近似水平部分是在放大區(qū)。當基極電流變化為△ib時，集電極電流變化量為△ic=βib，從圖3 放大區(qū)來看，當ib為某一固定值，加大VCE電壓時，集電極電流ic幾乎是一條水平的直線。這說明晶體管集電極輸出阻抗非常大，等效為一個恒流源。

圖3 晶體管輸出特性曲線

2.3 恒流源驅(qū)動電路

根據(jù)圖3 所示，當晶體管基極輸入電流為ib時，對應一個在晶體管集電極輸出的電流ic，根據(jù)這一特性，下面來看看恒流源傳感器電路，如圖4所示。晶體管Q1、電位器W3、電阻R6組成的恒流源驅(qū)動電路中，電位器W3 作為Q1 基極的分壓器，接于4.7 V 與地之間；當調(diào)節(jié)W3 電位器時，就等于在調(diào)節(jié)Q1 基極的對地電位，也就是給Q1 建立了靜態(tài)工作點，給基極提供了一條ib通路，這時Q1 導通，其基極與發(fā)射極之間就箝位于0.7 V的電壓，如果調(diào)節(jié)W3 電位器中點端電壓，使Q1 基極電壓相對于地之間為3 V 電壓，3 V電壓再加上Q1的基極與發(fā)射極之間的箝位0.7 V的電壓，就可以得到Q1 發(fā)射極電壓相對于地為3.7 V電壓值，這時R6電阻上實際得到的電壓值為1 V，R6上1 V 電壓值除以R6的阻值100 Ω，在Q1的發(fā)射極就可以得到一個穩(wěn)定的近似10 mA的電流值ie，再適當調(diào)節(jié)W3 電位器中點電壓，就可以在Q1 集電極得到一個10 mA的穩(wěn)定輸出電流。

圖4 恒流源傳感器

2.4 電流負反饋溫度補償

恒流源驅(qū)動器電路也是一個典型的電流負反饋電路，當儀器的環(huán)境溫度增高時，引起ic增大，ic的增大，引起ie的增大，ie的增大又引起R6上電壓的增大，由于Q1 基極電位不變，所以Q1的基極與發(fā)射極之間的電壓減小，Q1的基極與發(fā)射極之間的電壓減小，又引起ie減小，ie減小最后引起Q1 集電極ic減小，整個電流負反饋過程是一個快速的過程，它能抑制環(huán)境溫度對恒流源的影響，能保證儀器可靠工作。根據(jù)圖3 可以看出，當晶體管發(fā)射極與集電極電壓變化時，其集電極電流ic基本不變，這說明其輸出阻抗非常大，能夠作為恒定的電流源輸出，換句話說Q1的集電極電流能在外界壞境溫度變化下穩(wěn)定維持在一個常數(shù)值。當一個恒定的電流流過可變的R5應變片時，就會產(chǎn)生一個變化的電壓值，其關(guān)系是一個線性直線方程：△V=I△R的函數(shù)關(guān)系，這樣就把一個可變的受力拉壓的應變片電阻轉(zhuǎn)換成了一個可變的電壓值。同理由Q2、W4、R9組成的恒流源驅(qū)動電路工作原理與由Q1、W3、R6組成的恒流源驅(qū)動電路工作原理是一樣的。當儀器外界環(huán)境溫度變化時，由于采用的是負反饋溫度補償，所以Q2 集電極輸出電流保持穩(wěn)定的恒流輸出。

2.5 LM358電壓緩沖器

第一路恒流源電路，當R5應變片電阻發(fā)生阻值變化時，由于其上的電流為恒定值，其兩端的電壓也會跟著電阻產(chǎn)生線性變化，線性變化的電壓傳輸?shù)絃M358芯片的第3 腳，隨后從第1 腳輸出，1 腳電壓再傳輸?shù)絾纹瑱CU4的19 腳PB1 口。其輸出的電壓大小與輸入的電壓大小一樣，電壓放大倍數(shù)為1，這種電路的理想特點是輸入阻抗無窮大，輸出阻抗為0，所以傳輸?shù)碾妷旱玫綗o衰減的、良好的匹配傳輸，PB1 口是一個12 位ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換口，單片機U4 通過程序數(shù)據(jù)處理后，把該電壓顯示在12864 液晶屏上。同理，第二路應變片測量電路工作原理與第一路應變片測量電路工作原理相同。

2.6 溫度、濕度測量電路

溫度測量電路由DS18B20芯片、R10組成，由LM317 電壓模塊提供4.5 V 電源電壓，2 腳與STC32 F103C8T6 單片機的第22 腳PB11 口相連，DS18B20芯片可測量-55～125 °C 之間的溫度，采用單總線與STM32F103C8T6 單片機通信，可編程分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5°C、0.25°C、0.125°C和0.062 5 °C，可實現(xiàn)高精度測溫，并具有極強的抗干擾糾錯能力。

濕度測量電路由DHT11芯片、R11組成，由LM317 電壓模塊提供4.5 V 電源電壓，2 腳與STC32 F103C8T6 單片機的第21 腳PB10 口相連。

2.7 STM32F103C8T6單片機

STM32F103C8T6 單片機[11]是一款中等容量增強型、32 位基于ARM 核心的帶64 或128k 字節(jié)閃存的微控制器模塊。25 腳～29 腳組成開關(guān)組，用于儀器開始工作前的設置；30 腳PA9 口，用于向上位機無線發(fā)送數(shù)據(jù)；31 腳PA10 口用于上位機向本機無線下傳數(shù)據(jù)；32 腳PA11 口通過D2 接收CH340G的2 腳發(fā)來的數(shù)據(jù)；33 腳PA12 口經(jīng)過300 Ω電阻CH340G的第3腳RX 端發(fā)送的數(shù)據(jù)；39 腳PB3 口用于12864 液晶屏的第6 腳使能；38 腳用于程序啟動；2 腳PC13 口用于12864 液晶屏第4 腳命令/數(shù)據(jù)選擇；10 腳～17 腳PA0、PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PA7 口用于把STM32F103C8T6 單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)傳送給12864 液晶顯示屏；18 腳PB0 口用于采集LM358 運算放大器7 腳送來的模擬電壓；19 腳PB1 口用于采集LM358運算放大器1 腳送來的模擬電壓；21 腳B10 口用于接收DHT11 送來的濕度信號；22 腳B11 口用于接收DS18B20 送來的溫度信號；8、23、35、47 腳接地；1、9、24、36、48 腳接3.3 V 電壓。

2.8 CH340程序下載接口

當下載程序時，CH340G[12]的2 腳發(fā)送端發(fā)送程序給STM32F103C8T6 單片機的A11 接收端口；當STM32 F103C8T6 單片機上傳程序時，從A12 發(fā)送端口傳送給CH340G的第3 腳接收端，通過CH340G芯片上傳到上位機。

2.9 無線通信芯片CC2530

CC2530[13-14]是TI 公司的的一款ZigBee 無線通信芯片，在軟件上包含了較完整的ZigBee 協(xié)議棧，并有自己的PC 上的配置工具，采用串口和用戶產(chǎn)品進行通信，并可以對模塊進行發(fā)射功率、信道等網(wǎng)絡拓撲參數(shù)的配置，使用起來相對便捷，而且CC2530芯片結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，其具有業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存。

3 實驗方法與測試結(jié)果

開機預熱，如果儀器大于45 ℃，打開風扇散熱抽風，當?shù)陀?5 ℃，儀器開始工作。接上120 Ω的R5應變片[15]后，隨著外力對材料的拉壓，應變片上的電阻開始產(chǎn)生變化，由于輸入到應變片上的電流是恒定的，所以應變片上的電壓隨著阻值的變化而變化，即符合y=kx線性函數(shù)關(guān)系；Q1 輸出10 mA 恒定電流，當應變片R5從120 Ω變化到120.2 Ω，那么應變片上變化的電壓應該為0.002 V，也就是說，這個應變片應變了0.001 67，當這個應變電壓輸入到LM358的第3 腳，通過1 腳緩沖輸入到STM32 F103C8T6 單片機的19 腳PB1 模數(shù)轉(zhuǎn)換口，用于STM32F103C8T6 單片機電壓采樣，然后進行ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過單片機處理數(shù)據(jù)后，送往12864 液晶顯示屏，顯示成應變值，同時DS18B20 溫度傳感器也通過電阻R10，在單總線上，把溫度數(shù)據(jù)傳送給單片機STM32F103C8T6的PB11 口，通過單片機處理數(shù)據(jù)后，送往12864 液晶顯示屏，顯示成溫度值；同時DHT11 濕度傳感器也通過電阻R11，在單總線上，把溫度數(shù)據(jù)傳送給單片機STM32F103C8T6的PB10口，通過單片機處理數(shù)據(jù)后，送往12864 液晶顯示屏，顯示成濕度值；當給應變儀開始加壓，就可以在規(guī)定的時間內(nèi)，在一定的溫濕度下，通過程序[16]來測量實驗材料的應變。

4 程序運行系統(tǒng)

程序運行框圖如圖5 所示。

圖5 程序運行框圖

5 結(jié)束語

目前，國內(nèi)外都采用惠斯登電橋來測量應變，其測量電橋和讀數(shù)電橋的電路復雜。文中應變儀的電子線路得到簡化，調(diào)試方便，該儀器可同時測量兩路應變片電阻，使用元件少。

技術(shù)手段：智能應變測量儀采用單片機控制技術(shù)，以STC32F103C8T6 單片機芯片為控制中心，采用恒流源和無線傳輸技術(shù)，輔以溫度、濕度檢測，保證了智能應變測量儀的正常工作。

技術(shù)效果：采用STC32F103C8T6 單片機和恒流源驅(qū)動電路后，大大縮小了應變測量儀的體積，且其重量輕、功耗小、方便攜帶、操作簡單、穩(wěn)定可靠。