基于电阻应变片数字显示握力计的设计

　　摘要:本文描述了基于电阻式应变片传感器设计的电子测量握力计及实现方法。该系统由51单片机控制，通过液晶屏自动显示所测握力的大小。其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，显示电路。测量电路利用电阻式应变器件将物体的力量信号转化成相应大小的电信号，通过差动放大电路将电信号放大到AD芯片能够识别的范围内从而能将电信号转换成对应的数字信号，最终在液晶上显示所测的握力。

　　关键词：电阻应变式传感器、差分放大器、1602液晶

　　一、设计任务与要求

　　1.1设计任务

　　1).设计一个数字显示握力计，可以显示出当前的力量值。

　　2).用数字显示被测力量。

　　1.2设计思路

　　数字显示握力计的测量过程是把被测物体的力量通过电阻式应变片传感器转换成电压信号。由于这一信号通常都很小，需要进行放大，放大后的模拟信号经由模/数芯片转换成数字量，再通过显示器显示出力量大小。

　　1.3工作原理

　　当被测物体(主要是手臂力量)使用数字显示握力计检测时，其力量使握力计弹簧变形便通过电阻应变片传感器，传感器随之产生相应的电效应，将物体的力量转换成电信号(电压或电流)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数(A/D)转换器进行转换，单片机对转换后的数字信号进行必要的判断、分析，再送到显示电路。

　　二、方案设计与论证

　　2.1整体方案

　　通过电阻应变片产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片TCL2543进行A/D转换，由于此芯片可直接用于数字显示，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。此方案的优点是外部电路非常简单，能实现较高的精度。

　　三、电子元器件的选取

　　3.1传感器的选择

　　电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广,寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。

　　3.2运算放大器的选择

　　市场上有已成形的集成运算放大器，如AD620仪用放大器能直接用于该设计的放大部分，且集成芯片相对于自己用单运放搭接的运放电路具有更稳定的性能，误差更小;但集成运算放大器价格相对较高，而且自己搭接的运放电路其误差范围已经基本满足本设计的要求，所以我们选取OP07单运放搭接差分运算放大器的方式，同时一定程度上锻炼了模拟电路的实践能力。

　　3.3模数转换(A/D)芯片的选取

　　根据本课题的要求，要满足最低档位的分辨率，必须选取位数较高的A/D芯片，串行的TLC2543芯片驱动程序相对并行A/D复杂一点，但根据市场零售价格比较，该芯片是满足要求的最便宜的芯片，本着开发项目尽量缩减成本的原则我们最终选取了该芯片。

　　3.4显示器的选择

　　选取SMC1602a LCM点阵型液晶对放大以后的数据进行显示。

　　四、各硬件模块的具体实现方案

　　系统硬件包括电源模块、数据采集及放大模块、A/D转换模块、自动换档模块、数码管显示模块。

　　4.1电源模块

　　由于系统硬件有OP07，而运放电路要求正负9V电源，故此整个放大电路需要的电源可以直接用可充电的锂电池。

　　4.2传感器模块

　　电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化 , 再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。在这里，我们用电阻应变式传感器作为测量电路的核心。并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度。

　　4.3、差动放大电路

　　数字显示握力计使用电阻应变全桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D转换。一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级，需要外部放大电路来获得足够的增益。

　　仪表仪器放大器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器，就是典型的差动放大器。它只需高精度OP07和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。

　　OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

　　4.4、A/D转换

　　在实际的测量和控制系统中检测到的常是时间、数值都连续变化的物理量，这种连续变化的物理量称之为模拟量，与此对应的电信号是模拟电信号。模拟量要输出显示，首先要经过模拟量到数字量的转换，LCM点阵型液晶才能接收、处理。

　　五、系统调试

　　5.1调试过程

　　(1).首先在握力计无负载时确保显示器准确显示零。

　　(2).然后握力臂施以不同的力量，观察显示器是否准确显示力量大小，如有偏差，采样十五次求平均值。

　　(3).零位稳定是影响握力计精度非常重要的因素，因受温度或其它因素影响将引起零位不稳定，这种现象称为零漂。由于零漂的影响，零输入信号时，输出可能不为零，为消除这个零位漂移值，采用零位补偿技术，零位补偿就是把这个零漂值储存起来，每一数据采集时减去这个数值，得到的数值就是消除零漂的有效信号。

　　六、系统功能

　　该数字握力计，测量范围分成四档，0～1.999Kg、0～19.99Kg、0～199.9Kg、0～1999Kg。用数字显示被测握力，小数点位置对应不同的量程显示，且具有量程自动切换功能，能适应不同层次的人群。

　　七、设计总结

　　目前，市场上的小型数显握力计很少但是其正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。TCL2543采用较小的封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少，满足了握力计小型化的需求;其内置各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过SPI接口方便地控制和读取这些寄存器，满足了握力计智能化的需求。

　　在电子技术的课程设计中，我们花了大量的时间和精力进行资料查阅和方案论证，结合自己所学，认真解决每一个功能模块中遇到的问题。我们还用仿真软件Proteus 6 Professional 进行某些功能模块的仿真，收到了很好的效果。