一种高精度压力传感器实验模型及其实验方法与流程

本发明一种高精度压力传感器实验模型及其实验方法涉及自动检测与传感技术领域，更具体地说涉及应变片压力测量和高精度转换及显示领域，是一种便于使用者自由拆装和创新设计的传感器实验模型。

背景技术：

在技术飞速发展的今天，一个完整的自动检测系统中传感器是必不可少的，而压力检测又是自动检测领域的一个重要方面。用于压力检测的传感器很多，应变片式传感器就是其中的典型测力传感器。

目前本科及高职高专院校自动化类、电子信息类等专业的课程教学中都要讲授应变片压力检测的知识，而市场上提供给高校的实验仪器基本上都是同一个方案：应变片传感器模块固定在实验台上，传感器测量电路模板也已经做好，使用者只需要对应好接口完成接线，就可以进行压力测量。

这个方案的缺点是：

①传感器选用商用型称重测力传感器，其中悬臂梁是标准型弹性材料，应变片也已经在悬臂梁上粘贴好，学生无法了解不同弹性材料的力敏特性，也无法去尝试自行粘贴应变片。

②测量电路模板已经做好无法改动，选用的电路是模拟电路，电路设计过于陈旧，测量精度低，不利于学生了解目前压力传感器电路的先进设计方法。

③实验台上虽然配套了数字显示装置，但仅仅显示测量电路输出的电压值，往往电压值与压力值（物体重量）并不对应，准确度较差。

④整个传感器检测系统装置和电路都是固定的，不能提供改动的空间，使用者无法在原有系统的基础上进行创新设计。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种高精度压力传感器实验模型及其实验方法，该实验模型是一种便于拆装的实验模型，该模型由多个独立模块组合而成，构建一个先进的压力传感器检测系统，能实现0~500g范围内高精度测量，且误差小于0.3g。

本发明是采取以下技术方案实现的：

高精度压力传感器实验模型包括底座、支架、悬臂梁和称盘，支架设置在底座的中部，悬臂梁设置在支架顶端，悬臂梁的一端通过螺栓固定在支架上形成悬臂梁结构，在秤盘的边缘设有悬挂孔，通过细绳索穿过悬挂孔把秤盘悬挂在悬臂梁的另一端，在悬臂梁上设有应变片；

所述应变片采用市售的电阻应变片压力传感器，应变片设有四个，四个应变片首尾相连组成全桥电路，当秤盘上放置物体，物体的重力作用使弹性悬臂梁发生机械变形，悬臂梁上的应变片也随之变形，应变片的形变导致它的阻值发生有规律的线性变化，由应变片组成的全桥电路把应变片阻值的变化转换成电压的变化；

高精度压力传感器实验模型还设有独立的检测系统，用于压力测量和显示等；

所述检测系统包括外壳和检测电路板，检测电路板安装在外壳中，在外壳上设有电源开关、复位按键、电源指示灯和显示窗口，外壳侧面留有串行接口；

检测电路板上设有信号处理电路、按键电路、单片机小系统电路、显示电路、超限报警电路、串口通信电路和电源电路；

所述信号处理电路、单片机小系统电路和显示电路依次相连；按键电路与单片机小系统电路相连；单片机小系统电路在输出方向分别与显示电路、超限报警电路以及串口通信电路相连；电源电路为检测系统提供工作电压，电源开关和电源指示灯与电源电路相连，电源开关用于控制电源的通断，电源指示灯用于显示电源电路的工作状态；

所述信号处理电路采用模/数转换器（A/D 转换器），所述全桥电路的输出端与信号处理电路相连，将电压变化值传送给信号处理电路，再由信号处理电路将放大和模/数转换后的数字信号传送给单片机小系统电路，单片机小系统电路将物体的重量及价格等信息传送给显示电路显示，并通过串口通信将所述物体的重量及价格等信息传送到上位机；当物体重量超出测量范围时，单片机小系统电路将触发信号发送到超限报警电路，超限报警电路进行超限报警。

单片机小系统电路采用单片机作为核心。

所述应变片粘贴在悬臂梁上。

每个应变片上均附有两根细铜丝作为其输出引脚，四个应变片共有8个输出引脚，通过导线与引脚焊接后将输出引脚延长并固定到电路板上，在电路板上把四个应变片的输出引脚连接成全桥电路，全桥电路的输出引脚与信号处理电路的输入接口相连；所述全桥电路灵敏度高，非线性误差小，秤盘上的重物造成的压力经过应变片全桥电路，转换成微小的电压信号输出。

所述模/数转换器采用市售的HX711 芯片。

所述按键电路采用4×4矩阵键盘结构，为了确保电路中逻辑电平的稳定，在电路中添加了4个上拉电阻；键盘上的按键共设置16个，包括10个数字按键和6个功能键，用于设置单价、去皮、报警和串口通信等功能；按键以矩阵键盘的模式安装在外壳上。

所述单片机小系统电路包括单片机、复位电路和时钟电路，单片机分别与复位电路和时钟电路相连；时钟电路给单片机提供精确的工作频率；复位电路具有复位按键，复位电路具有上电复位和手动复位两种工作模式，检测系统开机通电后自动使单片机复位，单片机工作过程中也可以通过复位按键使单片机复位；单片机小系统电路对模/数转换后的数字信号分析处理，得出精确的物体的重量。

所述显示电路采用液晶显示屏，在液晶显示屏上串接电位器调节显示屏的对比度。

所述超限报警电路包括PNP型三极管、蜂鸣器和LED灯，当物体重量超出测量范围（例如500g）时，单片机驱动超限报警电路工作，蜂鸣器嚣叫，同时LED灯闪烁。

所述悬臂梁采用长条状金属材料制成，悬臂梁能自由更换，高精度压力传感器实验模型的悬臂梁设有10个，长度为200-300mm。

高精度压力传感器实验模型的实验方法，包括如下步骤：

1）根据实验需求选取悬臂梁；

2）将四片阻值相等的应变片对称粘贴在悬臂梁上，悬臂梁上下表面各粘贴两片；

3）把步骤2）中粘贴好应变片的悬臂梁一端用螺栓固定在支架顶部，另一端挂上秤盘，应变片的引脚经过导线延长后连接到电路板上形成全桥电路；

4）依次把单片机小系统电路和全桥电路、信号处理电路、按键电路、显示电路、超限报警电路、串口通信电路连接起来，完成检测系统的连接；

5）给传感器实验模型通电，观察电源指示灯是否工作正常，把编写好的程序下载到单片机里，程序下载完，显示屏显示物体重量为0g；

6）开始称重实验：在秤盘上依次放上标准重量的砝码，同时记录下显示屏上显示的测量结果，分析实验结果，计算测量误差；

7）计价功能实验：先在秤盘上放上砝码，记录下系统测量的物体的重量，然后通过按键设置物体单价，按下确认键确认后，记录下系统计算的物体总价，按下保存功能键后系统保存数据；再重新放置新的砝码、设置单价，观察记录物体重量和总价，分析判断当前显示的物体总价是否为所有被称重物体的总价格；

8）去皮功能实验：在秤盘上放置小于100g重量的物体，按下去皮功能键进行去皮操作，记录显示屏上显示的重量，并把测量结果与0g比较，分析测量误差；

9）超限报警功能实验：在秤盘上放置大于500g重量的物体，观察报警电路中蜂鸣器和LED灯工作情况，如果蜂鸣器嚣叫，LED灯闪烁，报警功能正常；

10）串口通信实验：上述步骤6）~9）的实验完成后，通过传送功能键把当前实验数据传送给上位机。

所述上位机为PC。

本发明实验模型既可以让使用者学习到压力传感器检测系统的设计和搭建，又可以辅助使用者对系统进行创新设计或改造。实验模型本身易于分解和拆装，使用者可以根据自己的设计需要来更换配件和电路模块，重新搭建一个压力传感器测量装置，并实际验证其设计方案是否正确，精度是否达到要求。具体的优点如下：

1、本发明的实验模型从机械结构到电路系统都易于拆装，提供了很大的改动空间，适合用于学生实验，适合使用者进行创新设计。

2、本发明的实验模型提供了一套高精度压力测量的技术方案，解决了传统实验台测量不准确的问题，除了压力测量，实验模型还能实现较多附加功能，帮助使用者去了解压力传感器的先进设计方法和更多的压力测量的知识。

3、本发明的实验模型成本低，目前市场上商用型压力传感器价格较高，而本发明中采用的悬臂梁是普通金属条，成本非常低，应变片的粘贴由使用者自己操作，这样既使使用者得到锻炼，也降低了成本。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明高精度压力传感器实验模型的结构示意图；

图2是本发明高精度压力传感器实验模型中检测系统的组成框图；

图3是本发明高精度压力传感器实验模型的应变片连接原理图；

图4是本发明实施例的信号处理电路的电路连接图；

图5是本发明实施例的按键电路的电路连接图；

图6是本发明实施例的按键排列示意图；

图7是本发明实施例的单片机小系统电路的电路连接图；

图8是本发明实施例的显示电路的电路连接图。

其中：1、底座，2、支架，3、螺栓，4、悬臂梁，5、应变片，6、秤盘，7、检测系统电路板（带外壳）。

具体实施方式

参照附图1~8，本发明高精度压力传感器实验模型包括底座、支架、悬臂梁和称盘，支架设置在底座的中部，悬臂梁设置在支架顶端，悬臂梁的一端通过螺栓固定在支架上形成悬臂梁结构，在秤盘的边缘设有悬挂孔，通过细绳索穿过悬挂孔把秤盘悬挂在悬臂梁的另一端，在悬臂梁上设有应变片；高精度压力传感器实验模型还设有独立的检测系统，用于压力测量和显示；应变片传感器与检测系统相连，将压力变化信号传送给检测系统，由检测系统对信号进行分析处理并进行显示或报警。

所述应变片采用市售的电阻应变片压力传感器，应变片设有四个，四个应变片首尾相连组成全桥电路，当秤盘上放置物体，物体的重力作用使弹性悬臂梁发生机械变形，悬臂梁上的应变片也随之变形，应变片的形变导致它的阻值发生有规律的线性变化，由应变片组成的全桥电路把应变片阻值的变化转换成电压的变化；全桥电路的输出电压较小，通过a，b，c，d引脚接入信号处理电路（如图3）。

高精度压力传感器实验模型还设有独立的检测系统，用于压力测量和显示等；

所述检测系统包括外壳和检测电路板，检测电路板安装在外壳中，在外壳上设有电源开关、复位按键、电源指示灯和显示窗口，外壳侧面留有串行接口；

检测电路板上设有信号处理电路、按键电路、单片机小系统电路、显示电路、超限报警电路、串口通信电路和电源电路；

所述信号处理电路、单片机小系统电路和显示电路依次相连；按键电路与单片机小系统电路相连；单片机小系统电路在输出方向分别与显示电路、超限报警电路以及串口通信电路相连；电源电路为检测系统提供工作电压，电源开关和电源指示灯与电源电路相连，电源开关用于控制电源的通断，电源指示灯用于显示电源电路的工作状态；

所述信号处理电路采用模/数 转换器，所述全桥电路的输出端与信号处理电路相连，将电压变化值传送给信号处理电路，再由信号处理电路将放大和进行模/数转换后的数字信号传送给单片机小系统电路，单片机小系统电路将物体的重量及价格等信息传送给显示电路显示，并通过串口通信将所述物体的重量及价格等信息传送到上位机；当物体重量超出测量范围时，单片机小系统电路将触发信号发送到超限报警电路，超限报警电路进行超限报警。

单片机小系统电路采用单片机作为核心。

所述应变片粘贴在悬臂梁上。

所述悬臂梁采用长条状金属材料制成，所述金属材料包括常见的铁板、钢板、铝板、铜板、锌板等等，板材厚度约3mm，经过机械切割成长约200-300mm,宽约15mm的条状材料，作为悬臂梁使用；悬臂梁取材容易，成本又低，在本实验模型中配套了5种材质、10个金属悬臂梁，供使用者选用。

单片机小系统电路作为检测系统的控制核心，它由单片机和复位电路、时钟电路共同组成，它的工作方式是软硬件结合，一方面，应变片传感器和信号处理电路把变化的压力转换成有效数字信号输入给单片机，另一方面，使用者通过在按键电路上输入相应键值，就能给单片机发送工作指令，单片机接收到指令后，在其内部程序的协助下，对实时接收到的数字信号进行分析处理，计算出准确的物体重量，同时单片机控制LCD显示电路，实时显示物体的重量值，如果重量值超限（例如重量上限设置为500g），单片机就驱动报警电路进行声光报警。

如图7所示实施例中，所述单片机采用性价比较高的MSP430F149单片机，它是16位超低功耗处理器，响应速度快，且拥有丰富的外围模块，方便了程序的编写，它的看门狗电路大大降低了程序的出错率，较多的 I/O口可以扩展更多的功能，MSP430单片机既方便了程序的编写，也简化了硬件电路的设计；时钟电路由一个8MHz的晶振和两片30pF的电容组成，它给单片机提供精确的工作频率；复位电路由一个10k电阻、一个0.1u电容、一个二极管4148和一个复位按键通过串并联组成，所述复位按键设置在单片机复位电路中，复位电路具有上电复位和手动复位两种工作模式，检测系统开机通电后自动使单片机复位，单片机工作过程中也可以通过复位按键使单片机复位；单片机小系统电路对模/数转换后的数字信号分析处理，得出精确的结果（物体的重量），单片机小系统电路将物体的重量及价格等信息传送给显示电路显示，并通过串口通信将所述物体的重量及价格等信息传送到上位机；当物体质量超出测量范围时，单片机小系统电路将触发信号发送到超限报警电路，超限报警电路进行超限报警。

所选单片机具有64个引脚，响应快，功耗低，它的52、53号引脚连接外部时钟电路，外部时钟电路由8MHz的晶振和两片30pF的电容组成，时钟电路给单片机提供精确的工作频率；它的58号引脚连接复位电路，复位电路包含上电复位和手动复位两种模式，实现单片机的复位功能。单片机的P3.2和P3.3脚与信号处理电路连接，接收模/数转换后的数字信号，它的P1口8个引脚与按键电路相连接，组成4×4矩阵键盘，共有16个功能按键，通过按键电路既可以设置物体单价和物体重量的上、下限值，还可以对单片机发送指令。单片机的P2口和P6.3~P6.6共12个引脚与LCD显示电路连接，它的P3.4脚与超限报警电路连接。所选单片机还富余一些功能引脚，以备功能拓展时使用。

如图4所示实施例中，模/数转换器采用市售的HX711 芯片，HX711芯片是专用高精度模/数 转换器，它是信号处理电路的核心器件，它内部集成了稳压电源、片内时钟振荡器等外围电路，兼具信号放大和24位模/数 转换的功能，信号增益最大可达128，具有精度高、响应快、抗干扰性强等优点；由于集成度较高，HX711芯片的外围只需要一个PNP型三极管和少量电容、电阻元件就可以正常工作了；由应变片全桥电路输出的模拟信号经过信号处理电路的输入接口JC8送给HX711芯片的A通道（7、8引脚），信号处理电路对接收到的模拟信号进行放大，放大的倍数是128，再对放大后的信号进行24位模/数 转换，转换后的串行数字信号通过设置在信号处理电路上的标准接口JC9输出给单片机小系统电路的单片机，信号处理电路的标准接口JC9与HX711芯片的11、12引脚相连接。本实施例的信号处理电路连接图中，包括HX711 芯片及其他外围器件，HX711芯片 的2脚BASE是稳压电路控制输出脚，它与PNP三极管8550的基极连接，三极管发射极接5V电源，三极管的集电极与HX711芯片 的3脚AVDD连接，同时经过电容C7与HX711芯片 的5脚AGND连接，再经过电容C8与HX711芯片 的6脚VBG连接，HX711 芯片的3脚AVDD和4脚VFB之间通过电阻R12连接在一起，4脚VFB 和5脚AGND之间通过电阻R13连接在一起。因为HX711 芯片内集成了稳压电源，所以通过以上连接实现方式，就可以让芯片内部的稳压电源直接向外部应变片传感器电路和芯片内的模/数 转换器提供工作电压了。电路中输入接口JC8的1、2、3、4引脚分别对应应变片全桥电路的输出端a、b、c、d来连接，接口JC8的1脚还连接HX711 的3脚AVDD，2脚接地，3、4引脚通过电容C4和电阻R8与HX711 的7脚INA-、8脚INA+相连，从而把应变片全桥电路输出的模拟信号送给HX711 的模拟通道A，通道A 的最大增益为128。HX711 的14脚X1和15脚 RATE短接到地，即14脚和15脚都接通低电平，表示HX711 工作时选用芯片内的时钟振荡器，并且芯片的输出数据速率是10Hz。信号处理电路最终输出的数字信号是通过HX711 的11和12脚来传送的，其中11脚 PD_SCK作为 串口时钟输入脚，接收单片机发送过来的时钟信号；12脚 DOUT作为串口数据输出脚，把需要输出的数字信号按照单片机发送过来的时钟节拍串行输出给单片机，11和12脚分别和标准接口JC9的2、3脚连接。

图5所示为本发明实施例的按键电路连接图，按键电路与单片机小系统电路的输入端相连，按键电路包括按键和电阻，所述按键包括数字按键和功能键，用于设置单价、去皮、报警和串口通信等功能；按键以矩阵键盘的模式安装在外壳上。按键模块共设置16个按键，包括10个数字键和6个功能键，添加了按键电路（参考图6的按键排列示意图），实验模型就可以模拟电子称的功能，包括设置单价、计算总额、去皮，设置报警、串口通信等等，使压力传感器实验模型的功能更加全面；

实验模型搭建完成后，使用者可借助按键来验证实验功能，首先按下“Q”键，系统就进行“去皮”操作，LCD显示屏上显示重量为0g，接下来在秤盘上放置物体，显示屏上会实时显示当前物体的重量，此时通过“0~9”和“.”键来设置物体单价（单位：元/克），设置完单价后按下“#”键，表明单价设置完毕，显示屏就会在第二行显示出当前物体单价，系统同时根据单价和重量计算出物体的总价并实时显示在第三行。实验模型还支持多个物体总价的叠加，比如要在秤盘上重新放置一个物体，这时需先按下“J”键，系统会保存之前的数据，然后对新的物体进行称重和计算，最终在显示屏的第三行显示出目前所有被称重物体的总价格，另外按下“C”键，可以在单价输入错误时对输入的值进行删除，按下“T”键就开始串口通信。

图8是本发明实施例的显示电路的电路连接图，所述液晶显示屏采用LCD12864液晶显示屏，LCD12864液晶屏成本较低，适用于小型测量系统的显示；在LCD12864的3号引脚VO连接一个10k的电位器用来调节显示屏的对比度，LCD12864的DB0~DB7这8个引脚是显示器的8位数据线，与单片机的P2口相连接，LCD12864的RS、WR、EN、CS1这4个脚是控制引脚，与单片机的P6.3~P6.6连接，并且为了便于观察，显示屏安装在外壳上的显示窗口，在显示屏上主要显示物体的重量（单位g）、单价、总价和金额。

高精度压力传感器实验模型进行实验时，可以根据实验需求选取适合材质以及长度的悬臂梁；通过模型进行如下实验：

1、进行称重实验，在秤盘上依次放上标准重量的砝码，同时记录下显示屏上显示的测量结果，分析实验结果，计算测量误差；

2、计价功能实验，先在秤盘上放上砝码，记录下系统测量的物体的重量，然后通过按键设置物体单价，按下“#”键确认后，记录下系统计算的物体总价，按下“J”键后系统保存数据，再重新放置新的砝码、设置单价，观察记录物体重量和总价，分析判断当前显示的物体总价是否为所有被称重物体的总价格；

3、去皮功能实验：在秤盘上放置小于100g重量的物体（去皮范围0~100g），按下“Q”键进行“去皮”操作，观察显示屏上显示的重量是否为0g；

4、超限报警功能实验：在秤盘上放置大于500g重量的物体，观察报警电路中蜂鸣器和LED灯工作情况，如果蜂鸣器嚣叫，LED灯闪烁，报警功能正常；

在上述实验完成后，按下“T”键，把当前实验数据传送给上位机。

本发明从机械结构到电路系统，都采用成本低、易拆装的结构或模块，压力传感器采集的信号经单片机等模块综合分析处理，实现高精度压力测量以及更多的附加功能，通过标准接口来连接，所以每个单元电路都可以更换，提供了很大的创新设计的空间。