毕业设计（论文）矿用便携式静态电阻应变仪的设计

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1、0 前言本文介绍了矿用便携式静态电阻应变仪设计的思路，主要包括硬件设计、软件设计和应变仪的抗干扰与防爆设计三部分。锚索锚杆联合支护是煤矿巷道支护改革的发展方向，得到了广泛的应用，取得巨大的社会和经济效益。但也存在明显的缺点：一是顶板冒落突然，没有明显征兆；二是冒落范围大，对工人的人身安全和矿井正常生产威胁大。本设计采用先进的电子开关切换技术，信号检测采用低频滤波技术，放大电路部分采用精密仪表放大器AD8221达到对微弱的电压信号稳定放大的要求, 检测结果采用LCD汉字显示，具有测量精度高，稳定性好等优点。矿用便携式静态电阻应变仪主要是对支护构件（锚杆、锚索）受力情况的检测，从而获知巷道岩层应力

2、的变化情况。可以为巷道技术人员更好的了解支护体的受力情况提供数据保障，为进一步研究支护构件的设计和机理提供一种新的科研手段；降低顶板事故发生的概率，从而减小对工人的人身安全和矿井正常生产的威胁，对煤矿安全生产和实现高产高效具有重要的意义，同时具有很高的社会和经济效益。1 绪论 本节主要介绍了应变仪的研究背景及意义、国内外发展情况和论文的主要研究工作。1.1 应变仪的研究背景及意义在自然科学和工程领域的各种科学研究活动中，离不开对研究对象准确有效的测量，这是我们认识客观事物内在联系及变化规律的必要和先决条件；其中往往涉及到对微弱信号的检测。微弱信号的检测是测量技术中微弱量（如小位移、微振动、微温

3、差、小电容、弱磁、弱声、微电导、微电流、低电平电压和弱流量等），通过各种传感器把非电量转换成电量（电压或者电流）。微弱信号的测量与分析一直是检测技术中的难点，如V级信号的检测，应变测量就是其中一类。常用的应变测量方法就是电阻应变测量方法，电阻应变测量方法是将应变转换成电信号进行测量的方法，简称电测法。应变电测具有测试廉价、快速、高精度、容易实现数据采集和处理自动化、实用性强等特点，在交通、材料、航空航天、机械等重要工程领域的研究中，有着广泛的应用。我国煤矿事故死亡人数是世界上主要采煤国家死亡总人数的4倍。2002年我国百万吨煤死亡率为5%（国有重点1.25，国有地方3.83，乡镇12.1），为

4、美国的200倍，南非的38倍，波兰的19倍，印度的12倍，俄罗斯的11倍。瓦斯和顶板事故最严重，死亡人数占全国煤矿死亡人数74%以上，事故次数也占70%。顶板事故主要发生在巷道。事故起数最多，发生的频率高，死亡总人数较多。2002年，全国顶板事故2364起，死亡2766人，占事故次数和死亡人数50.71%和34.69% 1。我国煤矿安全事故中，顶板事故占事故次数的50%以上，死亡人数占30%以上，造成这种局面其中一个主要原因是对围岩变形、破坏、支护体受力状况没有全面、及时地了解，不能准确预测预报顶板事故。如何对巷道的稳定性、安全性进行检测，提前采取预防措施，避免损失和灾害，一直是人们讨论的重点

5、。锚索锚杆联合支护是煤矿巷道支护改革的发展方向，随着巷道支护技术的不断提高，锚索锚杆联合支护得到了广泛的应用，取得巨大的社会和经济效益。锚索锚杆联合支护具有效果好、维护费用低、劳动强度低、利于回采等优点。但也存在明显的缺点：一是顶板冒落突然，没有明显征兆；二是冒落范围大，对工人的人身安全和矿井正常生产威胁大。然而，当前的矿用应变仪多数采用的还是手动开关来切换信号通道；显示也仅是字符型的，不便于理解和操作；仪表的精度和稳定性不是很高，不能准确的反映巷道的受力等情况。所以我们针对测力锚杆和锚索设计了一种矿用便携式静态电阻应变仪。矿用便携式静态电阻应变仪的研制成功，可以为巷道技术人员更好的了解支护体

6、的受力情况提供数据保障，为进一步研究支护构件的设计和机理提供一种新的科研手段；降低顶板事故发生的概率，从而减小对工人的人身安全和矿井正常生产的威胁，对煤矿安全生产和实现高产高效具有重要的意义，同时具有很高的社会和经济效益1.2 国内外发展状况应变仪以前采用交流电桥，结构复杂，需电容平衡，很难实现桥路的自动平衡与自动标定，采用载波放大，相敏检波，主要是当时直流放大器性能不高，因此只能采用交流放大。直流结构简单，不需考虑桥路分析电容的影响，因此可实现桥路的自动平衡、自动标定，但电源精度、桥路线路都会产生影响测量精度，因此在国内直流桥路测量大都用在静态应变测量中。在动态应变测量中，国际上大都采用直流

7、供电，测量信号范围已达30KHz，结构简单，精度高，并且多是可程控的，是电桥的调零，标定，到数据的采集与传输，都实现了全程自动化。相应地中高端应变仪几乎都被日、美、德等国所垄断。在国内，还不能很好地解决测量电路和直流电源精度，测量距离、温度、湿度对实际测量精度有较大的影响等一系列问题。目前国内做的比较好的应变仪厂商有华东电子仪器厂、靖江东华、扬州泰司、北戴河兰德公司等，国外有日本东京测器和美国的NEFF公司等。如华东电子仪器厂的YJ-31-P10R型静态电阻应变仪、YD-28型动态电阻应变仪、YJD-27型静动态电阻应变仪，扬州无线电二厂生产的YE3817型应变仪及联能电子的YE2537/YE

8、2538静态电阻应变仪等。这些国内厂商所生产的应变仪基本上都是非程控的且数据都是基于有线技术的传输，这给应变仪的控制操作带来了很大的不方便，同时其数据传输的可靠性也受到了影响。这样的仪器将越来越不能适应科研和实际工程测试的需要。在计算机化测控为主流的今天，不可程控的仪器由于不能加入智能化的测试与控制系统而将被淘汰。在国外，有一些公司提供了台式可程控应变仪系统。譬如，著名的ENDEVCO公司的4430/4960A系列产品。这个系列的仪器提供了多通道和可扩展性，而且还提供了RS232接口和IEEE488总线接口，有极广的应用范围，但是其成本很高。与此同时，国内的许多高校也在积极开发，南京理工大学机

9、械工程学院精仪系已经成功地开发出基于VXI总线的可程控应变仪模块，目前它已成功的广泛应用于各种科学实验与实际的工程测试中。但是基于VXI总线的仪器有价格昂贵、体积大的两大缺陷，同时也具备有线传输的缺陷，这些因素在很大程度上限制了它的应用范围。1.3 论文的主要研究工作本文介绍了矿用便携式静态电阻应变仪设计的思路，主要包括硬件设计、软件设计和应变仪的抗干扰与防爆设计三部分。围绕仪表装置的研制过程进行展开，介绍了应变的测量原理，详细分析矿用便携式静态电阻应变仪装置的工作原理和硬软件组成，并分析了干扰来源和常用的一些抗干扰措施,以及防爆设计方面需要注意的问题。在设计和研制矿用便携式静态电阻应变仪中，

10、本人的主要是利用应变测量的理论和微弱信号检测技术进行设计，同时结合矿用防爆安全等要求进行器件的选取。2 应变仪应变仪一般也称为电阻应变仪，实质上是一种测量敏感元件(电阻应变计)微小电阻变化或相对电阻变化的仪器。2.1 应变仪测量的原理由物理学可知：导体或半导体材料在外界作用力下（拉伸或压缩）产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称为“应变效应”。依据这种效应制成的应变片粘贴于被测材料上，则被测材料受外界作用所产生的应变就会传送到应变片上，从而使应变片的阻值发生变化。通过测量阻值的变化量，就可反映出外界作用力的大小。应变测量时，将一定阻值的电阻应变片粘贴在待测试件处，当试件受外力作用产生变形，

11、应变片阻值将发生变化，在一定范围内，应变片电阻的相对变化量R/R与试件的相对变化量（即应变）成线性关系2，即有： （2-1）式中，是相对拉伸量；K称为电阻应变片的灵敏系数，它的数值与电阻丝的材料及绕线方式有关，一般K值在2.0左右。应变测量的基本原理就是利用上述的应变效应，通过惠斯登电桥完成应变电测的转换，然后利用信号调理电路对电信号进行采集测量和放，最后显示出应变值。2.2 应变测量的特点应变测量是分析研究机械结构和机械强度问题的重要手段，对保证机械设备安全运行、实现自动检测和自动控制等方面都具有重要的作用。在各种应变测量中，电阻式应变仪的电测发是最基本和应用最广泛的测量方法3。应变测量优点

12、主要有以下几点：（1）测量技术较为简单，易于掌握和使用，其价格较低。（2）用途广泛。以应变测量为基础，可制成多种传感器件，用于测量应力、力、力矩、压力、位移等非电物理量，易于实现多点同步测量、远距离测量和遥测，且能用于生产过程的自动检测和自动控制。（3）动态特性好。因其尺寸小，重量轻，基本上不干扰试件的应力状态，几乎无惯性，还可组合成各种变化，测量复杂应力状态，其动态应力范围可达0500KHz。（4）测量范围大。一般测量范围在10-104。（5）适应性强。选用不同种类的应变片，可以在高温（1000）、高压（几百Mpa）、强振、潮湿、腐蚀、高速旋转和核辐射等恶劣环境中测量，性能稳定，因此，应变测

13、量得到广泛的应用。当然，应变测量也存在着许多缺点，这些缺点包括：（1）应变电测发通常为逐点测量，只能测构件表面的应力，不能测到构件的全域应力应变场。（2）所测得的应变值是其敏感栅覆盖面积内构件表面的平均应变，对于应力梯度大的构件表面或应力集中的情况，测量误差较大。如果选用栅长很小的应变计，则可以使测量值尽可能地接近测点的实际应变值。2.3 测量电桥的几种接线方法由于应变很小，一般以微应变计算，很难直接测得，但由式（2-1）可知，只要测得R，就可以求得应变。应变片的测量电路通过应变片可以将试件的应变信号转换成电阻变化，通常这种电阻变化是很小的，必须用适当的方法检测电阻微小变化。为此，需把应变片接

14、入某种电路，此电路将应变片的电阻变化信号转换成电信号。常用的电路有三种，即电位计、惠斯登电桥和双恒流源电路。其中惠斯登电桥有结构简单，精度高等优点4。我们通常将应变片接成惠斯登电桥结构，如图2-1所示。由于在电阻应变测量中，必须考虑温度补偿，因而电桥电路只能采用等臂和对称形式。按照相邻桥臂匹配情况的不同，可分为输出对称电桥，电源对称电桥和等臂电桥。按照连接方式的不同，可分为单臂电桥，半桥和全桥。采用不同的连接方式可以使测量电桥有不同组合，而且有不同的输出。 图2-1惠斯登电桥电路Fig.2-1 Wheatstone bridge circuit一、单臂测量接线法单臂测量接法：如图2-1所示，R

15、1为工作应变片，R2为温度补偿应变片，R3、R4是固定电阻。二、半桥测量接线法在测量电桥的桥臂AB和BC上接电阻应变片，而另外两个臂AD和CD接应变仪的内部固定电阻R，则称半桥接线法。在图2-1中，电桥的两个桥臂AB和BC上均接工作应变片，即R1、R2为工作应变片，R3、R4是固定电阻，此种接法是半桥测量接线法。三、全桥接线法在测量电桥的四个桥臂上全部接电阻应变片，即R1、R2、R3、R4为工作应变片，称为全桥接线法。2.4 应变仪的分类所谓应变测量装置是指以电阻应变计为敏感元件的应力测量仪器。整套的应力测量系统应包括敏感元件、信号的放大和变换(调制)、记录和显示、测量数据的存贮、传递复现及自

16、动处理等部分。我们通常讲的电阻应变仪，实质上是一种测量敏感元件(电阻应变计)微小电阻变化或相对电阻变化的仪器。按照应变仪的工作频率范围以及测量对象的频带，把其分为静态电阻应变仪、静动态电阻应变仪、动态电阻应变仪、瞬态电阻应变仪(或超动态应变仪)、数字式电阻应变仪等。1）静态电阻应变仪主要用于静态应变或静力试验中有关力学量的测量。静态电阻应变仪可分为手动平衡和切换及自动切换和平衡两种类型。2）静动态电阻应变仪这类电阻应变仪除了可测量静态应变(输出直流信号)，还可以测量频率在100200Hz的动态应变。3）动态电阻应变仪主要用于测量结构应力和机械振动应力，尤以研究振动应力为多，这类仪器适用于100

17、05000Hz的振动应力测量。4）瞬态电阻应变仪用于测量爆炸或冲击引起的瞬态变化的应力，仪器具有快速响应的能力，其频带达到几千赫兹至几十万赫兹。5）数字式电阻应变仪利用数字化技术，把静态或准静态应变信号转换成数字信号，在仪器的面板上直接显示或由打印机打印出记录结果。3 应变仪的硬件电路设计本章介绍了矿用便携式静态应变仪的硬件设计，包括整机的工作原理、信号采集调理电路和数字主电路的设计原理、方案选定，同时比较详细的介绍了每个模块的主要功能和电路原理图。3.1 整机的工作原理传感器与信号采集电路用来检测锚杆锚索受力大小，通过单片机ATMEGA16控制电子开关来切换检测通道，使被测信号顺序接通放大器

18、，并通过惠斯登电桥将应变信号转化为微电压信号，经过放大，模数转换(A/D)，成为对应的数字信号，经单片机ATMEGA16处理后，存储数据并由汉显LCD显示或根据需要，通过RS232接口与PC机通讯、上传数据，整机的硬件框图如图3-1所示。图3-1整机的硬件框图Fig.3-1 The hardware diagram of the model3.2 信号采集部分信号采集调理电路设计是检测系统硬件设计中的关键部分，是将模拟量信号转变为数字量信号的中间过程，是影响检测准确性的最为关键的部分。3.2.1 传感器的选用选取传感器为井巷用电阻应变式测力锚杆CM-200和GYS-300型锚索测力计。测力锚杆

19、CM-200内有12个测力应变片（即6对测力应变片）如图3-2所示，1个温度补偿片（起到温度补偿作用），其分别组成半桥式结构，其电阻应变片的灵敏系数K都为2.0。锚索测力计内有1对测力应变片，1个温度补偿片，应变片的材料、结构和阻值等与测力锚杆的相同；其结构简图如图3-3所示，主要由刚体、电阻应变片、端盖等部分组成。传感器的惠斯登电桥电路采用的是单臂测量接线法，应变片本身的温度漂移及环境温度等干扰，半桥的两个应变片两者互相补偿，对于输出没有影响。图3-2应变片布局图Fig.3-2 The layout chart of strain foil（1为刚体，2为电阻应变片，3为端盖）图3-3 GY

20、S-300型锚索测力计结构简图Fig.3-3 The skeleton drawing of prestressed tendon anchorage dynamemter GYS-3003.2.2 惠斯登电桥的桥源应变仪对桥源的精度、稳定性要求很高，因为从传感器输出的模拟量与桥源电压有着直接的关系，桥源的精度和稳定性直接影响输出量的精度和稳定性，因此设计一种高精度和高稳定性供桥电源尤为重要5。当应变片接入测量电路时，电流的增加将产生热效应，从而引起热输出误差。为了控制这一电流，使流过应变片的电流小于最大工作电流（Imax），一般为25mA，所以电桥的总电流最好小于50mA；而另一方面电源芯片

21、的最大输出电流又不能太小，在采用恒压源提供的电压一定的情况下，实际电流输出超过最大输出电流，会导致桥源芯片器件的损坏。综合以上因素，最好的电源需满足，精度高，稳定性好，和输出的电流满足应变片工作的需要等条件。再根据传感器应变片的接法和惠斯登电桥的设计结构，通常情况下其电桥是不平衡的，采用电流源不是很适宜；恒压源供电的不平衡应变电桥广泛地使用在应力、应变测量中，是工业、建筑、计量行业提取测量对象应力、应变参数的主要手段之一。同时又考虑到便携式仪表的低功耗要求，本仪表桥源选择的是电压源，即由低功耗稳压二极管LM385-1.2得到的。低功耗稳压二极管LM385-1.2可以稳压1.2V，原始精度达1%

22、，工作电流范围是15A20mA，满足本仪表的应用要求（桥路电流为10mA左右），其稳压原理图如图3-4所示。其中的-1.2V和+1.2V的压差构成了电压源（=2.4V），电容CA11和CA12选取10F的钽电容，用来稳定输出电压的。图3-4电压源的电路原理图Fig.3-4 The circuit schematic diagram of voltage source3.2.3 信号切换开关为了获取测力锚杆各段弯曲载荷或锚索测力计的两端载荷，本设计需要采用多路开关来切换各段电桥的通断。常用的多路开关有两大类：一是机械触点式多路开关，二是模拟电子开关。机械触点式多路开关主要是指干簧管，水银继电器和

23、机械振子式继电器等，其中以干簧继电器体积小，切换速度快，噪声小，寿命长，最适合模拟量输入通道中使用。但干簧继电器的缺点是体积大（与电子开关相比），工作频率低，在通断时存在抖动现象。与机械触点式多路开关相比，模拟电子开关具有切换速度高、无抖动、易于集成等特点，但其导通电阻一般较大，输出电压、电流容量较小，动态范围很有限，常用于高速且要系统体积小的场合。其主要包括晶体管开关，结型场效应管开关，CMOS场效应开关。其中，晶体管开关的导电电阻小，缺点是存在残余电压，且控制电流要流入信号通道，不能隔离。结型场效应管开关是一种使用较普遍的开关，由于场效应管是一种电压控制电流型器件，一般无失调电压，开启电阻

24、约为10100，断开电阻一般为10M以上，且具有双向导通的功能，但这种场效应管一般不易集成。CMOS场效应管开关是一种应用最普遍的模拟开关，它能克服单沟道场效应管开启电阻随输入电压变化而变化的缺点，具有较其他电子开关明显的特性好，成本低等优点，目前常用的集成模拟开关大多采用了CMOS工艺。最终本设计选择模拟电子开关来切换通道，电子开关的切换由单片机控制，其中其对信号的切换方式的设计有两种：一种是可用来切换桥源的通断，如图3-5（a）所示；一种是用来切换信号到放大器之间的通道，如图3-5（b）所示。若选择如图3-5（b）所示的接法，考虑到传感器的桥接方式，它可以避免电子开关的导通电阻对桥路的影响

25、；但是增加了器件和布线的成本，同时，由于设计的是便携式仪表，一定要考虑电源功率消耗的问题。因此本仪表选择的是图3-5（a）所示接法，其可以切断除测量桥路以外的其他桥路的电流通过，降低了功耗；同时，也可以选取适当的电子开关来减小电子开关的导通电阻对桥路的影响6。 （a）切换桥源 （b）切换通道图3-5半桥式应变测量电路Fig.3-5 The strain measuring circuit of semibridge system选择电子开关的关键是要求其在导通时阻抗很小，切换迅速等。起先选取了集成模拟开关CD4067和CD4016，经过对比实验，它们的效果都不是很好，经常会出现某一个或几个的通

26、道数据变化很大，其原因就是其导通电阻不稳定；最终选用了一种先进的HEX型场效应管IRFD020，其开启电阻仅为0.1，反应迅速，温度稳定性好。电子开关切换电路如图3-6所示。图3-6电子开关切换电路Fig.3-6The switching circuit of electronic switch3.3 信号采集调理电路信号采集调理电路设计是检测系统硬件设计中的关键部分，是将模拟量信号转变为数字量信号的中间过程，是影响检测准确性的最为关键的部分。3.3.1 信号放大部分由于通过惠斯登电桥输出的信号一般是V级，所以要求电路前级放大部分必须有较强的噪音抑止功能和较高的共模抑制比（CMRR），以免有用

27、信号被外部的噪声淹没；同时，控制放大倍数不易过大，以免微小的失调电压可能对电路产生严重影响。 普遍的放大电路设计是采用经典的三运放的形式，即两个输入运放提供增益、一个输出运放利用差分放大器将两个输入的转化信号转换成单端输出，如图3-7所示。本仪表的运算放大器采用精密仪表放大器AD8221，该芯片采用经典的三运放拓扑结构设计，是一款增益可编程、高性能仪表放大器，在业界同类产品中，其相对于频率的共模抑制比（CMRR）最高。当今市场上仪表放大器CMRR在2000Hz开始下降。与之相比，在G=1时，AD8221所有等级产品的最低CMRR均为80Db并宽至10KHz。相对于频率的高共模抑制比使得AD82

28、21可以抑制宽带干扰和线路谐波，从而大大简化对滤波器的要求。低电压失调、低失调漂移、低增益漂移、高增益精度和高共模抑制比特性，使这款器件成为要求具备最佳直流性能应用（如桥式信号调理）的绝佳选择。本仪表的外部接线图如图3-8所示。图3-7三运放设计的仪表放大器Fig.3-7The instrumentation amplifier of the design with three operational amplifiers 图3-8 AD8221的外部接线图Fig.3-8 The circuit diagram of AD221AD8221的传递函数为： （3-1） 可编程增益为用户提供设计灵

29、活性。通过单一电阻，可在1到1000范围内设置增益。AD8221可以采用单电源或双电源供电，特别适合输入电压10V的应用。本设计中将传感器传出的级信号需放大100倍至，即每个微应变对应，可得： （3-2）3.3.2 滤波器的选取硬件滤波按通过的频率范围分，有低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）等类型，按滤波器电路中是否带有源器件可分为无源滤波器与有源滤波器两种7。一、无源滤波器无源RC低通滤波器采用电阻和电容来实现。如图3-9所示，为单极点低通滤波器的实现。这种滤波器的直流输入/输出阻抗等于R1。无源滤波器的成本便宜，但输入/输出阻抗很高。二、

30、有源滤波器单极点有源滤波器的频率响应与无源单极点滤波器的相同，如图3-10所示。在图3-10中，单极点有源滤波器的输入阻抗很高，等于运放的输入阻抗。对于CMOS运放，其输入阻抗在1013数量级。与无源滤波器相比，这个滤波器电路的输出阻抗很低，典型值为几十至几百欧姆。同时，可以根据不同的要求来选择二阶或更高阶的有源滤波器。 （a） （b）图3-9电阻与电容组成的无源低通滤波器及其频谱图Fig.3-9 The circuit diagram and spectrum of R-C low-pass filter （a） （b）图3-10单极点有源低通滤波器及其频谱图Fig.3-10 The cir

31、cuit diagram and spectrum of low-pass active filter with simple pole三、本文所采用的滤波器如图3-8所示的电容C1、C2与前端的惠斯登电桥电路组成了一种RC无源滤波器。其中的电阻值为120，电容选择选择0.1F的独石电容；起到滤除13K赫兹以上高频噪声信号的作用（即：主要滤除由于多路开关的切换产生的高频噪声干扰）。这个低通滤波器是根据电阻式传感器的结构特点设计的，避免了低通滤波器的电阻产生不必要的电压降和产生阻抗匹配困难的问题。电容滤波器（设输入量为电流IC(S)，输出为电压V0(S)，如图3-12所示，其传递函数为8： （3

32、-3）频率特性为： （3-4）对数幅频特性为： （3-5）显然，随着频率滤波器的输出电压衰减逐渐增加，起到了低通滤波器效果，输入输出特性如图3-11（d）所示。滤波器的电容要有耐压高、绝缘好、温度系数小和自谐振频率高等特点。电容滤波器的结构主要有以下几种：图3-11（a）中机构最简单，接在干扰源线间能抑制电源噪声，接在干扰源与和地线间能衰减共模噪声。图3-11（b）中电容器中点接地，能够把噪声电流旁路入地，消除共模噪声。图3-11（c）中的C3接在电源线间，这种结构能有效地抑制共模（由C1、C2完成）和串模噪声（由C3完成）。本仪表采用图3-11（b）所示结构。在模拟量输入通道信号调理电路中，

33、滤波器的选择需根据输入信号和干扰源的频谱进行选择。模拟滤波器，一般需放置在A/D转换器的前面，其功能在模拟域内，而不是在数字域内实现的。图3-11电容滤波器的结构和特性Fig.3-11 The structural and characteristics diagram of capacitive filter而且滤波器常用模拟低通滤波器（LPF）；为什么需要模拟低通滤波器（LPF）？首先，模拟信号中包含高频和低频的噪声。不管你是否承认，这都是确实存在的事实。这种噪声确实存在于模拟信号中，需要采用模拟低通滤波器（LPF）应归结到奈奎斯特定律。根据奈奎斯特定律（如果想要从数字形式中恢复或重建一个

34、带宽为fB的信号，采样频率fS必须满足（fS2fB），对于任何频率的信号（或噪声），如果不被精确转换成数字量，就可能被混淆入其他信号。 经过A/D转换器的信号，都包含与之关联的幅度信息。只要信号频率低于A/D转换器输入级带宽，A/D转换器就能可靠地将信号的幅度信息转换为数据。虽然幅度信息被保留了，但信号的频率信息就不是这样了。对于频率超过1/2fS（fS为A/D转换器的采样频率）的输入信号，经过采样后，其信号被折返到采样频率之内，因此，经过A/D转换后，可能会很难从转换后的数据判断输入信号是在1/2fS之内，还是高于1/2fS。根据奈奎斯特定律，信号被混叠了9。由于本设计所测应变值的变化很缓慢

35、，采用的又是恒压源，微电压信号的变化很小，所以ADC的采样频率设为1次/秒；不适合根据奈奎斯特定律，在电路中设计抗混叠滤波器。本人根据查看的许多资料和研制本仪表过程中的体验，感到在检测动态信号（其频率fB1kHz）时，选择采样频率高的ADC转换器，应用奈奎斯特定律，在电路中设计抗混叠滤波器，是比较适合的。3.3.3 模数转换部分对于A/D转换器的选择首先要确定其位数。对于一台具体的设备，其技术指标中包含检测精度指标。通过这个指标就可以换算出所需的A/D转换的最低指标，只要选择转换精度比这个最低指标高一些的A/D器件就可以满足设计要求。通常精度和分辨率是不同的，受非线性误差的影响，分辨率高的精度

36、不一定高。当器件的非线性误差控制在1位之内时，A/D转换器件用“位数”所表示的分辨率与其转换精度基本相同，习惯上就用位数来衡量其转换精度10。实际选取的A/D转换器的位数应满足测量数据的范围和精度要求，并与其它环节（如传感器变换、信号预处理电路）所能达到的精度相适应；只要不低于它们就行，选的太高既没有意义，而且价格还要高出很多。其次就是要确定A/D转换器的转换速率，要根据采样频率的不同，选择工作频率不同的A/D转换器件。其中主要有：1、低速A/D转换器件：适合采样频率低于每秒10次的场合，其检测对象为变化缓慢的物理量，如温度，压力等，这类A/D转换器件以“双积分型”为主，具有很高的抗工频干扰能

37、力。2、中速A/D转换器件：适合采样频率高于每秒100次的场合，其检测对象为变化比较快的物理量。这类A/D转换器件以“逐次逼近型”为主，绝大多数A/D转换器件都属于这一类型。3、高速A/D转换器件：适合采样频率高于1MHz的场合，其检测对象为变化极快的物理量。这类A/D转换器件以“并行比较型”为主，应用领域以多媒体信息采集和处理为主。综上所述，在工业企业的基于单片机实现的智能仪表装置中，若对于信号转换速率的要求不是很高而对转换精度要求很高时，选择双积分式A/D转换器是很合适的。其中，美国Intersil公司的ICL7135是比较流行的双积分A/D转换器，其具有4位半的精度（相当于14位A/D转

38、换器），自动校零，自动极性输出，其最大线性度误差为1个计数值，单基准电压，动态字位扫描BCD码输出，价格低等特点。本仪表是静态应变仪，测量的是缓慢变化的应变（压力）信号，对精度要求很高，所以选择ICL7135作为A/D转换器件。ICL7135的部分主要引脚功能如下：B8、B4、B2、B1：BCD码的输出端。D5、D4、D3、D2、D1：BCD码数据的位选通信号输出端，分别选通万、千、百、十、个位。CLK（引脚22）：时钟输入端。POL（引脚23）：极性输出端。当输入信号为正，POL端输出高电平；当输入信号为负时，POL端输出为低电平。（引脚26）：数据输出选通脉冲输出端。该脉冲宽度为时间脉冲宽

39、度的1/2，一次A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD码数据输出，可利用该信号把数据打入到并行接口中供CPU读取（此端在与单片机接口时经常被用到）。BUSY（引脚21）：转换状态标志输出端。积分器在积分过程中（包括对信号积分和反积分）BUSY端输出高电平，积分器在反积分过零后输出低电平。其中，ICL7135的其他引脚、外部电路连接和元件参数的选择可以参照其芯片说明资料，在网上可搜索到，这里就不赘述了。由于ICL7135的精度很高（-19999+19999），而且仪表的分辨率为1个微应变，即一个微应变对应0.1mV，这样运放的放大倍数就不用很高，从而降低了失调电压的影响

40、。ICL7135在单极性基准电压（VRef = +1V）供给下，能对双极性输入的模拟电压进行A/D转换，并自动输出极性判别信号。当工作于双极性情况下，最高时钟频率为125KHz，这时转换速度为3次/秒左右；如果输入信号为单极性的，则时钟频率可最高到1MHz，这时转换速度为25次/秒。为了使电路具有抗50Hz串模干扰能力，A/D转换的积分时间应选择积分时间等于50Hz工频的整数倍。ICL7135的外部接线图如图3-12所示。ICL7135的测量周期分为4个阶段：自动调零阶段、模拟输入（被测电压）积分阶段、基准电压反积分（被测电压量化）阶段、积分器回零阶段。其中的积分器回零和自动调零可归为一个阶段

41、；在模拟输入积分阶段：BUSY输出为高电平，被测电压在固定时间（10000T）进行积分；在基准电压反积分阶段：对被测电压以相同的斜率（10000/ VRef）进行量化，ICL7135内部的十进制计数器在此阶段对时钟脉冲计数，其计数值为10000Vin/VRef，即为模拟输入的A/D转换结果，当积分器输出为零，BUSY变为低电平；总的测量周期为40002T，如图3-13所示。进一步分析ICL7135的时序发现，在模拟输入积分阶段和对基准电压反积分阶段，ICL7135的BUSY端输出均为高电平，其余均为低电平，如图2-12所示。同时，模拟输入积分阶段的时间是固定的，为10000个时钟周期（1000

42、0T）。如果应用单片机的定时/计数器检测出BUSY为高电平的时间(或计数值)，再减去输入积分阶段和一个时钟周期（其中在反积分阶段最早时有一个时钟脉冲是“无效”的）的时间之和（10001T）或计数值之和（10001），即得到基准电压反积分的时间或计数值11。图3-12 ICL7135的外部电路连接图Fig.3-12 The circuit diagram of ICL7135（其中T为时钟周期）图3-13典型积分器（INT端）和BUSY端的输出波形图Fig.3-13 The oscillograph trace of the output from INT and BUSY of the typ

43、ical integrator如图3-13，基准电压反积分阶段的计数值（设为N），则 （3-6）由此可得： （3-7）由于基准电压V是已知的，因此求出N后，就不难计算出模拟输入信号V的大小。将ICL7135的BUSY端接到单片机的中断口INT1上。通过INT1中断服务程序读出定时器T1的计数结果，然后减去输入积分阶段的计数值（其为固定值，可由输入模拟量为零时T1的计数值得到）并按上述进行相应的计算即可，这样加上一个极性端POL,ICL7135 只占用单片机3个I/O口，大大节省了单片机I/O口资源，ICL7135与单片机并行3线制接法如图3-14所示。图3-14 ICL7135与单片机并行3线

44、制接法Fig.3-14 The parallel connection with three-wire type between single chip and ICL71353.4 数字主电路部分数字主电路部分的设计主要是通过整机的工作原理来搭建单片机（ATMEGA16）与其外设器件的连接电路；其主要包括数据存储部分、通讯部分和人机对话部分等。3.4.1 CPU最小系统AVR单片机是ATMEL公司出品的具有众多成员的单片机家族，它使用精简指令集，每个时钟周期可以执行一条指令。因此同等时钟条件下，AVR单片机比8051单片机速度快12倍，如果是做1616的乘法，AVR可以比8051快23倍，计

45、算优势非常明显。AVR的耗电量比8051也减少了很多。由于AVR单片机采用了更加先进的制造工艺，在同等配置的条件下，AVR单片机的价格要比单片机便宜。AVR单片机的外设接口多，自带EEPROM的数据存储器，因此在大多数情况下，可以基本摆脱外接的串行EEPROM，使得产品制造成本降低，同时也缩小了产品的体积。在可靠方面，AVR单片机抗干扰能力也优于8051单片机。AVR单片机主要包括ATTINY、AT90和ATMEGA三大系列。其中ATiny系列结构最为简单，功能最弱，适用于比较低档的玩具、仪器仪表和简单的过程控制。AT90系列属于AVR的中等性能类别，具有多个型号，目前AT90系列的老式低档芯

46、片已经基本停产。ATMEGA系列使用了更加先进、可靠地制造工艺，高中低档齐全，正在逐步取代AT90系列的产品。本设计选择ATMEGA16单片机作为仪表的CPU，它是ATMEL公司出品的单片机，具有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWM），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器，片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编

47、程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件选择的省电模式。本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。通过将8位 RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATMEGA16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。图3-15最小系统的电路图Fig.3-15 The circuit diagram of the minimal system最小系统的连接如图3-15所示；单片机选用ATMEGA

48、16，其晶振选择8M,选择掉电自动复位的复位方式，单片机ATMEGA16可以在线下载程序（ISP）用的是JTAG，通过下载线对程序进行在线调试，使软件程序调试更加方便。3.4.2 通讯部分在微型计算机系统中，CPU与外部的基本通信方式有两种12：并行通信，数据的各位同时传送；串行通信，数据一位一位顺序传送。在串行通信时，采用RS- 232-C接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通信接口。它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的通信。本设计要求仪表可以和上位机通讯，把存储器中的数据信息传递给上位机（计算机），所以采用目前使用最普遍的DB-9连接器，其各引脚功能说明

49、见表3-1。RS-232C 规定的逻辑电平与单片机的逻辑电平是不同的，因此，单片机系统要和计算机的RS-232接口进行通信，就必须把单片机的信号电平（TTL电平）转换成计算机的RS-232C电平，或者把计算机的RS-232C电平转换成单片机的TTL电平，通信时候必须对两种电平进行转换13。表3-1 RS-232C串口引脚定义表Tab3-1 The pin definition table of the serial port with RS-232C引脚简写功能说明1CD载波侦测（Carrier Detect）2RXD接收数据（Receive）3TXD发送数据（Transmit）4DTR数据终

50、端准备（Data Terminal Ready）5GND地线（Ground）6DSR数据准备好（Data Set Ready）7RTS请求发送（Request To Send）8CTS清除发送（Clear To Send）9RI振铃指示（Ring Indicator）本设计采用MAXIM公司的单电源电平转换芯片MAX232。MAX232是单电源双RS-232发送/接收芯片，采用单一 +5V电源供电，只需外接5个电容，便可以构成标准的RS-232通信接口，硬件接口简单，所以被广泛采用。图3-16为MAX232的电路连接图，电容C1C15选用0.1F的电解电容或瓷片电容。图3-16MAX232的电

51、路接线图Fig.3-16 The circuit diagram of MAX232串行通讯是将构成字符的每个二进制数据位，依据一定的顺序逐位进行传送的通信方法。在串行通讯中，有两种基本的通信方式：一是异步通讯；另一种是同步通讯。本设计选择的是异步通讯方式，并规定了数据的传送格式，即每个数据以相同的帧格式传送。每一帧信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。通讯协议的格式如下：字头根号量纲数据（112异或校验码结束0xE10x010x630x000x020x01(高位) 0x02(低位)0XRH 0XRL0D波特率： 由单片机决定（1200，2400，4800，9600，19200bps）

52、。在图3-16中，MAX232的9脚和10脚分别接单片机的TXD和RXD脚；7脚和8脚和数字地通过数据线与上位机的串口相连，数据线选择是一端为4芯的航空接头，另一端为DB-9串口的电缆线。3.4.3 人机对话一、键盘部分的设计：键盘是若干个按键的集合，是人与计算机联系的桥梁。操作人员可以通过键盘输入数据和命令，它是单片机系统中不可缺少的输入设备。对按键设计的中要注意按键的去抖动问题；按键从开启到闭合稳定，或者从闭合到完全打开，总要有数毫秒的弹跳时间（即抖动）。抖动会引起一次按键被多次识别并误动作。按键去抖主要有两种方法：一是软件去抖，即判断按键时采用软件延时的办法，多用于键数较多的情况；二是硬

53、件去抖，即在按键处加硬件元件起到缓冲作用，消除抖动；可用R-S触发器或简单的RC滤波器来克服抖动，多用于键数较少的情况。本仪表选用的就是RC滤波器去抖，如3-17图所示；电容选择0.1F的瓷片电容，电阻选择10k。图3-17按键设计的电路原理图Fig.3-17 The circuit wafer and circuit schematic diagram of the design about keystokes二、 LCD液晶显示部分设计本仪表的LCD显示选用的是汉显的液晶屏YB12864，其控制芯片为ST7920，其带汉字显示字库。ST7920是台湾矽创电子公司生产的中文图形控制芯片，它是

54、一种内置汉字图形点阵的液晶显示控制模块，用于显示汉字及图形。YB12864可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（1616点阵，168=128，164=64，一行只能写8个汉字，4行；）、128个字符（8X16点阵）及64256点阵显示RAM（GDRAM）。主要技术参数和显示特性:电源：VDD 3.3V+5V(内置升压电路，无需负压)；显示内容：128列64行（128表示点数）显示颜色：蓝色 显示角度：6：00钟直视LCD类型：STN与MCU接口：8位或4位并行/3位串行配置LED背光多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等利用上述功能可方便地实现汉字、ASCII码、点阵图形

55、、自造字体的同屏显示。本设计采用的是显示模块与CPU并行8位连接方式，如图3-18所示。图3-18 LCD与单片机的连接图Fig.3-18 The circuit diagram of the singlechip and LCD由于采用的是汉字显示的人机对话界面，这样就使得此仪表在国内更易被技术人员和普通工人理解和掌握，给测量带来了方便。4 软件程序设计目前，AVR编译工具有很多种，支持的语言包括汇编语言、C语言、 Pascal和BASIC等。一般来说，微型AVR设计开发可以考虑用汇编语言编写。如果代码规模超过2KB，完全可以用C语言等高级语言编写，这样代码维护起来会比较容易。本设计采用C语

56、言编写应用程序，可以有多种开发环境供选择，包括ICC for AVR、IAR for AVR、GCC for AVR、等。ICC和IAR的编译器产品是需要付费的，而GCC是免费的。GCC本来是Linux上的开源编译器，经过移植，出现了可以在Windows环境下运行的GCC for AVR的编译器。安装了这个编译器后，可以与AVR Studio无缝衔接，可以直接在AVR Studio中进行C语言应用程序的编辑、编译、和调试，经过长期实践证明，GCC for AVR的软件缺陷很少，性能可靠，编译出的烧写文件尺寸也是很小的14。因此本设计以GCC for AVR为编译环境编写下位机软件程序。本应变仪

57、的软件设计包括上位机软件和下位机软件两部分。本人由于水平与时间有限，本章论述的主要是下位机软件的设计。根据软件的功能将下位机软件分成不同模块，每个模块完成一定的功能，模块与模块之间相对独立，这样不但结构清晰，而且便于阅读、调试和提高程序的利用效率。4.1 下位机软件的构成本仪表的软件采用模块化程序设计思想，整个软件系统由主程序，初始化程序，采样程序，转换与处理程序，显示程序和通讯程序等子程序构成。其中主程序流程，如图4-1所示。图4-1主程序框图Fig.4-1 The flow diagram of main program4.2 采样程序控制A/D采样程序采用中断方式（如图4-2所示），这种

58、方式可以避免中断过程中由于干扰使得某一次未输出低电平，而造成的数据顺序的混乱和错误，从而避免了读数的错误。以下程序给ICL7135提供250HZ的频率：/PD7输出250KHZ CTC模式 定时计数器2void ADHZ() DDRD|=0X80;/PD7输出1000 0000 TCCR2=0X19;/ 没有预分频 OCR2=15;/250KHZ图4-2 A/D采样程序流程图Fig.4-2 The flow diagram of A/D sampling program AD转换的程序如下所示：void jishu( ) /if(MCUCR=0x02) switch(MCUCR) case 0

59、x02: addata1=TCNT1; addata1=(addata11); MCUCR=0x03;break; case 0x03: TCCR1B=0X00; addata2=TCNT1; addata2=(addata21); N=addata2-addata1-10001; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; TCCR1B=0X03; MCUCR=0x02; break;default:break; 4.3 显示程序部分由上文可知，显示的控制模块为ST7920。其中，显示RAM（DDRAM）的操作如下：模块可显示三种字型分别是HCGROM字型、CGRAM字型和中文CGR

60、OM字型；三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，0000H0006H （0000H、0002H、0004H、0006H）的四组编码对应CGRAM字型中的四个自定义字符；02H7FH的编码中将选择半宽英文、数字的字型；A1H以上的编码将自动结合下一字节组成两字节的中文字型编码（A1A0HF7FEH）1、显示半宽字型：将8位编码02H7FH写入DDRAM中。2、显示CGRAM字型：将16位编码写入DDRAM中，共有四种编码0000H、 0002H、 0004H 、0006H。3、显示中文字型将16位编码写入DDRAM中，编码（A1A0HF7FEH）。int main(void) uint

61、 i=65535; DDRB=0xff; DDRB&=BIT(1);/PB1输入POL，判断AD转换的正负 DDRA=0xff; lcd_init(); lcdtextout(0,通道N=);lcdtextout(16,压力:); while(1) /lcdout(29,Vin/10+0X30); lcdout(25,Vin%10+0X30);lcdtextout(26,.);lcdout(27,Vin*10%10+0X30);lcdout(28,Vin*100%10+0X30);lcdout(29,Vin*1000%10+0X30);lcdout(30,Vin*10000%10+0X30);i=65535;while(i-);return 0; /*检测LCD是否忙函数*/void busy_check(void) DDRA=0x00; PORTB&=BIT(5); /RS-0PORTB|=BIT(6); /RW-1PORTB|=BIT(7); /E-1 asm(nop); while(PINA&0x80)!=0x00);/ DDRA=0xff; PORTB&=BIT(7); /E=0 /*写命令函数*