传感器与检测技术综合实验课程设计

潘 炜

（安徽农业大学 信息与计算机学院，安徽 合肥 230036）

传感器技术是一门学科跨度大，兼具理论性及应用性的技术。然而，传感器的这种跨学科特性，使得传感器涉及的领域非常之宽，给学习、研究与应用传感器技术带来了相当大的难度［1］。这就要求教师在教授传感器与检测技术理论课程及前修课程的基础上，根据现有的实验条件，在传感器与检测技术综合实验课程中认真设计课程内容和教学方法，提高教学效果。应变式电阻传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一［2］。这类传感器种类很多，在几何量和机械测量领域中应用广泛，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等非电量［3］。压力传感器属于应变式电阻传感器，故选择它作为传感器与检测技术综合实验课程实验模板中的传感元件。学生通过制作、调试和使用实验板，对于利用应变式传感器或其他类型的传感器设计检测系统，可以起到举一反三的效果，并且能够锻炼学生的动手能力，达到理论和实践相结合的目的。

1 系统框图

实验模板系统框图如图1所示。压力传感器将被测物理量转变成电信号，此信号经信号调理电路处理后成为合适的电信号，信号调理电路的核心是放大电路。信号调理电路输出的模拟电信号传送给模数转换器，在单片机控制下进行模数转换，此模数转换后的数字量经过对单片机编写的用户程序处理后，由单片机控制显示电路显示被测量。

图1 实验模板系统框图

2 各个功能模块介绍

2.1 压力传感器

本实验选择S型拉压称重传感器NO.9K192。该传感器承受拉、压力均可，输出对称性好，精度高［4］，它采用全桥测量电路，其输出端存在共模和差模信号。选用此传感器可以让学生了解实际传感器的应用。

2.2 信号调理电路

放大电路是信号调理电路的核心元件。为了使学生掌握应用仪用运算放大器放大传感器的输出信号，选择单电源仪用运算放大器MAX4194［5］和双电源仪用运算放大器AD620［6］，实现可选择在单或双电源供电模式下对传感器输出的差模信号放大，如图2所示。

图2 单双电源供电模式下的信号放大

MAX4194供电范围VCCMAX＝7.5V，现采用VCC＝5 V供电。传感器承受最大拉力和压力时，在5V给传感器供电时，其输出最大差模电压为±2.5mV。实验中传感器承受压力，UCM＋＝UCM－＝2.5V，选择G＝1 000，计算放大器输出信号电压最大值△UOUTmax＝UOUTmax－UREF＝2.5mV×1000＝2.5V，如使UOUTmax＝2.5～5 V，可设UREF＝0～2.5V。根据实际制作传感器方法，常使UOFFSET＝0.5V［7］，故调节设置UREF的电位器，使传感器承受压力为零时，UOUTmin＝0.5V左右 。

AD620供电范围±2.3V～±18V，现采用±12V供电。10V给传感器供电，其最大输出差模电压为±5 mV。实验中传感器承受压力，V，选择G＝49.4kΩ/51Ω＋1＝970。放大器信号输出电压△UOUTmax＝UOUTmax－UREF＝5mV×970＝4.85V，如使UOUTmax＝4.85V～（＋12V－1.2V）＝4.85V～10.8 V，可设UREF＝0V～5.45V。按照UOFFSET＝0.5V，调节设置UREF的电位器，使传感器承受压力为零时，UOUTmin＝0.5V左右。

学生通过使用MAX4194和AD620对传感器输出的信号进行放大，可以掌握单双电源仪用运算放大器的应用及其特点。

2.3 模数转换

选择ADC0804 8位AD转换器进行AD转换，其分辨率为q＝5V/255［8］。单双电源运放共用此AD转换器。对每种载荷正反行程至少各测3次［9］。单电源供电时的实测数据如表1所示。

表1 载荷与输出电压

根据ADC0804转换规律，十进制数＝255/5V×平均输出电压值，将表1所测数据转换为十进制数，十进制数与载荷关系如表2所示。

表2 十进制数与载荷

表2 （续）

利用Excel做出输入量为十进制数，输出量为载荷的拟合直线，并得到标度变换方程y＝0.074 1x－2.322 1，将此方程用于编程。拟合直线和标度变换方程如图3所示。

图3 使用MAX4194的拟合直线和标度变换方程

同理，根据双电源供电时的实测数据可以利用Excel得到拟合直线和标度变换方程，并将方程应用于编程。

2.4 控制电路

单片机STC89C52具有8KB ROM 区和512B RAM区［10］，在功能上和存储空间上，满足该项目设计过程中程序的装载和实现相应的功能。

2.5 显示电路

将被测量远程传送到PC机显示和近程送到液晶屏或数码管显示，可通过跳线选择液晶屏或数码管。采用PC机显示需使用MAX232芯片［11］，通过串口转USB数据线与PC机之间进行通信，可将数据保存在PC机上，便于数据处理和数据分析。

3 程序流程图

程序流程图如图4所示。

程序分支通过实验模板上的跳线位置来选择。用户程序在keil.c51中编译成＊.hex文件，对单片机烧写＊.hex文件。

4 数据处理

对串口通信进行设置。通过串口传输至PC机的实测数据如图5所示。

将串口数据取平均值作为最终测试值可以消除随机干扰信号［12］。根据测试值分析此称重传感器的性能指标。

图4 程序流程图

图5 实测数据

5 结论

学生制作上述实验电路，将会更好地掌握其前修课程所学内容，如传感器与检测技术、模拟电子技术、单片机原理及应用、用EDA软件绘制原理图和仿真，用EDA软件画PCB图等。学会调试电路。对于设计检测系统，可以起到举一反三的效果。学生做此综合实验有助于对本专业学科体系的理解，有助于提高他们的就业能力。

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［1］董永贵.传感器技术与系统［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［2］刘爱华，满宝元.传感器原理与应用技术［M］.北京：人民邮电出版社，2012.

［3］何道清，张禾，谌海云.传感器与传感器技术［M］.北京：科学出版社，2008.

［4］安徽电子科学研究所.拉压力传感器使用手册［Z］.检定编号：9K192，2010－09.

［5］Maxim Integrated Products Inc.MAX4194datasheet，Micropower，Single－Supply，Rail－to－Rail，Precision Instrumentation Amplifiers［EB/OL］.6/03.http：//www.maximintegrated.com.

［6］Analog Devices Inc.AD620datasheet，Low Cost Low Power Instrumentation Amplifier［EB/OL］.8/14.http：//www.analog.com.

［7］Maxim Integrated Products Inc.MAX1450datasheet，Low－Cost，1%－Accurate Signal Conditioner for Piezoresistive Sensors ［EB/OL］.5/14.http：//www.maximintegrated.com.

［8］National Semiconductor Corporation. ADC0804datasheet，ADC0801/ADC0802/ADC0803/ADC0804/ADC0805 8－Bit μP Compatible A/D Converters［EB/OL］.11/99.http：//pdf1.all－datasheet.com.

［9］魏学业，张俊红，张立华.传感器与检测技术［M］.北京：人民邮电出版社，2012.

［10］香港宏晶科技有限公司.STC89C52RC单片机介绍［EB/OL］.（201501）.http：//wenku.baidu.com.

［11］Maxim Integrated Products Inc.MAX232datasheet，＋5V－Powered，Multichannel RS－232Drivers/Receivers［EB/OL］.1/15.http：//www.maximintegrated.com.

［12］徐科军.传感器与检测技术［M］.北京：电子工业出版社，2011.