CN109141216A - 一种基于单片机的电阻应变仪 - Google Patents

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丁家会
张兆军
沙秉辉
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance

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Abstract

本发明公开了一种基于单片机的电阻应变仪。属于对非物理量测控技术领域。包括测量电桥，与测量电桥连接的放大器，放大器通过模数转换芯片与单片机连接，单片机连接有液晶显示屏和计算机。本基于单片机的电阻应变仪进行了系统集成，实现了应变仪功能的多样化；采用单片机作为应变仪系统芯片，使得样本数据的采集更加精确，精度更高；同时，本电阻应变仪实现了人机交互功能，功能丰富，操作方便，用户可以直观的观测到所测对象形变时的参数变化。

Description

一种基于单片机的电阻应变仪
技术领域
本发明涉及一种电阻应变仪，具体是一种基于单片机的电阻应变仪，属于对非物理量测控技术领域。
背景技术
随着人类社会科技的发展，非物理量的测控技术被广泛应用于各个技术领域，尤其是应变的测试，在机械制造、建筑工程、航天航空、交通运输、船舶及桥梁制造等各个方面显得更加重要。测控技术和自动化程度的高低，代表着一个国家科学化、现代化的进程。伴随着时代的进步，人们对于更加智能化的要求推动着应变技术的革新。
目前，传统的测试系统是基于仪器硬件，仪器的功能由制造商定义而设计的，使用者无法根据实际的需求更改或增加其他所需功能，在使用过程中受到很大程度上的限制，并且此类仪器结构复杂，成本偏高，操作不便，性能单一、没有办法进行集成、使用性能欠佳，急需改革。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于单片机的电阻应变仪，实现应变仪功能的多样化，采集样本数据更加精确，精度更高，实现人机交互，功能丰富，操作方便。
为了实现上述目的，本基于单片机的电阻应变仪，包括测量电桥，与测量电桥连接的放大器，放大器通过模数转换芯片与单片机连接，单片机连接有液晶显示屏和计算机。
进一步，所述单片机采用89C52型单片机。
进一步，所述测量电桥采用惠斯通电桥电路。
进一步，所述放大器采用AD620型芯片放大电路。
进一步，所述模数转换芯片采用ICL7135型模数转换芯片。
进一步，所述液晶显示屏采用LCD12864型液晶显示屏。
进一步，所述测量电桥与放大器通过外部电源供电。
进一步，所述外部电源由电源适配器和7805电源转换器构成。
进一步，所述单片机通过RS232/485转换器与计算机进行通信。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本电阻应变仪进行了系统集成，实现了应变仪功能的多样化；
2、采用单片机作为应变仪系统芯片，使得样本数据的采集更加精确，精度更高；
3、本电阻应变仪实现了人机交互功能，功能丰富，操作方便，用户可以直观的观测到所测对象形变时的参数变化。
附图说明
图1是本发明原理框图；；
图2是本发明的系统总流程图；
图3是本发明中测量电桥电路；
图4是典型单片机应用系统图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本基于单片机的电阻应变仪，包括测量电桥，与测量电桥连接的放大器，放大器通过模数转换芯片与单片机连接，单片机连接有液晶显示屏和计算机。
单片机上电后，它的主机就开始进入监控状态下，然后产生提示符。同时，系统还能对其他扩展端口进行初始化工作。数据采集功能被启动后，单片机系统进入中断程序开始数据采集工作。被测量经过测量电桥、信号放大和数模转换这一系列工作后，被单片机计算和处理，然后通过液晶显示屏显示出直观的数据。再通过串行接口发出取数据指令，将最实时的数据上传到上位计算机中。
进一步，所述单片机采用89C52型单片机。
进一步，所述测量电桥采用惠斯通电桥电路。
进一步，所述放大器采用AD620型芯片放大电路。
进一步，所述模数转换芯片采用ICL7135型模数转换芯片。
进一步，所述液晶显示屏采用LCD12864型液晶显示屏。
进一步，所述测量电桥与放大器通过外部电源供电。
进一步，所述外部电源由电源适配器和7805电源转换器构成。
进一步，所述单片机通过RS232/485转换器与计算机进行通信。
本电阻应变仪选定89C52单片机为系统控制芯片，首先通过传感器采集到应变片发生变化产生的电信号，电信号极微弱，需要经过AD620放大器放大，之后再由ICL7135模数转换芯片进行模数转换，将电信号从模拟量转化成数字量，最后由LCD12864液晶显示屏显示出测得的数据。
本电阻应变仪的主要技术原理如下：应变测量系统实际上就是对微弱信号进行测量分析的系统，将应变量转化为电信号后，接着对电信号进行放大、滤波等调理工作，然后将信号数字化，最后显示和存储得到的数字量。金属具有阻止电流流过的性质，即它带电阻。一般来说，金属所带电阻与金属自身长度成正比，与金属的横截面积成反比。当拉伸金属两端使其变长后，金属长度增加，横截面积减少，金属两端电阻值变大。应变仪就是运用这种原理而成的传感器。测量时，在待测定对象样板的绝缘体上粘上金属应变片，当其受力发生形变时，根据金属应变片的伸缩情况就可以把待测定对象的形变通过电阻值形式表示出来，从而分析其各项特性。
设计系统的硬件结构的关键之处在于单片机系统，包含了显示器设计、定时/复位设计、数模转换通道、串行接口通讯和电源部分的设计，本系统是通过RS232/485转换器与计算机进行通信。单片机系统上电后，它的主机就开始进入监控状态下，然后产生提示符。同时，系统还能对其他扩展端口进行初始化工作。数据采集功能被启动后，单片机系统进入中断程序开始数据采集工作。被测量经过测量电桥、信号放大和模数转换这一系列工作后，才能被单片机计算和处理，然后通过LCD12864液晶显示屏显示出直观的数据。再通过串行接口发出取数据指令，将最实时的数据上传到上位计算机中。
基于单片机的电阻应变仪软件设计，这类应变仪的软件部分通常采用的设计方法是模块化设计法，将各模块的程序分别进行编写和调试。在软件开发中，功能丰富的系统所需的软件数庞大而复杂，采取模块编写法，能够大大提高工作效率、错误率降低、方便扩展和升级系统模块功能。
如图2所示，主程序是为89C52单片机初始化编写，比如设置堆栈、设置标志位、清除内存、预设定时器的控制等随之出现开机初始化状态，将片内存储器中显示的缓冲器的内容显示在LCD12864型液晶显示屏上，随后开始工作，通过LCD12864型液晶显示屏实现人机交互功能。
如图3所示，本电阻应变仪的测量电路通过惠斯通电桥电路实现，应变测量系统实际上就是对微弱信号进行测量分析的系统，将应变量转化为电信号后，接着对电信号进行放大、滤波等调理工作，然后将信号数字化，最后显示和存储得到的数字量。金属具有阻止电流流过的性质，即它带电阻。一般来说，金属所带电阻与金属自身长度成正比，与金属的横截面积成反比。当拉伸金属两端使其变长后，金属长度增加，横截面积减少，金属两端电阻值变大。应变仪就是运用这种原理而成的传感器。测量时，在待测定对象样板的绝缘体上粘上金属应变片，当其受力发生形变时，根据金属应变片的伸缩情况就可以把待测定对象的形变通过电阻值形式表示出来，从而分析其各项特性。
如图4所示，本电阻应变仪中单片机系统开发过程包括四个部分：单片机系统、用于测控目的前向传感器输入通道、后向伺服控制输出通道以及基本的人机对话通道。
综上所述，本电阻应变仪通过引入计算机技术，不仅可以更大程度的满足用户的需求，解决传统测试系统所不能实现的问题，也可以简化系统的电子线路、增加测量精度、抗干扰能力强、开拓更多功能、节省开发资源和成本、缩短开发周期、易于实现升级、可靠性增强、更加符合了智能化和自动化的要求，发展前景十分可观。对于这样一种新型技术的需要，人们投入更多精力和财力进行研究，逐渐形成了目前较成熟的基于计算机技术的应变测试系统，这是仪器控制系统技术和微计算机处理技术相结合的产物。
电阻应变仪可以通过频率响应范围来分类，分为四类，分别是静态、动静态、动态和超动态电阻应变仪。应变仪的基本组成是测量电路、电源电路和放大器。在国内，直流桥路测量一般应用在静态应变中。直流供电在国际上一般都是用在动态应变测量时，这样可使桥源电路结构简单，精确度高，测试信号能达到30KHz。
从前，电阻应变仪一般用指示电表或者记录仪显示数据，随着微型计算机的发展，出现了数字式应变仪，可以通过显示屏直观的看到数据变化，通过键盘操作，还能实时观察和分析数据变化，进行系统集成。目前，应变仪的精准度有了很大提高，它的发展趋势可以预见如下：
(1)应用微机技术，采用CMOS集成技术，将多种功能整合到一块芯片上，使应变仪更加小型化，能够被广泛应用在军事、工业、交通运输、航空航天、生物医疗、建筑设计等各领域。
(2)当前世界上智能仪表和总线存在多种总线和仪表共同发展的局面，智能仪器面临更加深刻的改革，网络化的测试系统也将得到完善。
(3)伴随着微电子技术的发展，测量仪器与微处理器、计算机技术进一步融合，数字化、智能化水平也会得到提升。
本基于单片机的电阻应变仪进行了系统集成，实现了应变仪功能的多样化；采用单片机作为应变仪系统芯片，使得样本数据的采集更加精确，精度更高；同时，本电阻应变仪实现了人机交互功能，功能丰富，操作方便，用户可以直观的观测到所测对象形变时的参数变化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于单片机的电阻应变仪，其特征在于，
包括测量电桥，与测量电桥连接的放大器，放大器通过模数转换芯片与单片机连接，单片机连接有液晶显示屏和计算机。
2.根据权利要求1所述一种基于单片机的电阻应变仪，其特征在于，
所述单片机采用89C52型单片机。
3.根据权利要求1所述一种基于单片机的电阻应变仪，其特征在于，
所述测量电桥采用惠斯通电桥电路。
4.根据权利要求1所述一种基于单片机的电阻应变仪，其特征在于，
所述放大器采用AD620型芯片放大电路。
5.根据权利要求1所述一种基于单片机的电阻应变仪，其特征在于，
所述模数转换芯片采用ICL7135型模数转换芯片。
6.根据权利要求1所述一种基于单片机的电阻应变仪，其特征在于，
所述液晶显示屏采用LCD12864型液晶显示屏。
7.根据权利要求1所述一种基于单片机的电阻应变仪，其特征在于，
所述测量电桥与放大器通过外部电源供电。
8.根据权利要求7所述一种基于单片机的电阻应变仪，其特征在于，
所述外部电源由电源适配器和7805电源转换器构成。
9.根据权利要求1所述一种基于单片机的电阻应变仪，其特征在于，
所述单片机通过RS232/485转换器与计算机进行通信。
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