一种小型应变片电阻自动测量仪设计

谢 艳，贾雨龙，郝红斌，董毅龙，彭 叠

（1.南华大学数理学院，湖南衡阳 421001；2.南华大学电气工程学院，湖南衡阳 421001）

目前，国内外都采用惠斯登电桥来测量[1-2]应变。文中采用一种简易的、新的测量方法，即恒流源驱动法[3]来测量应变，该方法测量出来的应变与弹性材料成线性关系[4]，测量的数据通过单片机程序处理后，显示在12864 液晶显示屏上,同时无线上传到上位机。

1 智能应变仪系统

仪器主要由以下器件组成：12 V 直流稳压电源，二组4.7 V、3.3 V 稳压电源，DS18B20 温度传感器，DHT11 湿度传感器，C9012 恒流源驱动电路，LM358应变片电阻测量电路，STM32F103C8T6 单片机，12864 液晶屏，CH340G 以 及CC2530 通信模块，如图1 所示。

图1 智能应变测量仪框图

2 应变仪单元线路

2.1 电源供给电路

如图2 所示，220 V 电压通过T 变压器降压，变换为交流9 V 电压，再通过B1 整流出12 V 直流电压,12 V 电压直接加到两条支路上，第一条支路12 V 电压输入到U1 模块LM317[5]的3 脚端，1 脚是控制端，2脚是输出端，两者之间有1.25 V的钳位电压，1.25 V电压除以R1电阻，得到R1电阻上的电流，R1上电流与1 脚流出的电流之和流过W1 电位器，在W1 电位器上建立起了电压,W1 电位器上的电压加上R1上的1.25 V 电压，就是LM317的2 脚输出电压,通过调节W1 电位器，可调节出4.7 V 直流电压。4.7 V 电压又分五路供给电压，第一路供给两组C9012 组成的恒流源驱动电路；第二路供给LM358[6]运算放大器测量电路；第三路供给DS18B20[7]温度传感器电路；第四路供给湿度DHT11[8]传感器电路；第五路供给12864[9]液晶显示屏插座CN1的第2 脚和19 脚。

图2 电源供给电路

第二条支路12 V 直流电压供给U2 模块LM317的3 脚端，1 脚是控制端，2 脚是输出端，两者之间有1.25 V的钳位电压，1.25 V 电压除以R3电阻，得到R3电阻上的电流，R3上电流与1 脚流出的电流之和流过W2 电位器，在W2 电位器上建立起了电压，W2 电位器上的电压加上R3上的1.25 V 电压，就是LM317的2脚输出电压,通过调节W2电位器，可调节出3.3 V直流电压，3.3 V 电压供给单片机STM32F103C8T6的1 脚、9 脚、24 脚、36 脚、48 脚。

2.2 晶体管输出特性曲线

如图3所示，其描述了晶体三极管输出特性线[10]，当晶体管发射结电压处于正向偏置时，集电极电压处于反向偏置，曲线的近似水平部分是在放大区。当基极电流变化为△ib时，集电极电流变化量为△ic=βib，从图3 放大区来看，当ib为某一固定值，加大VCE电压时，集电极电流ic几乎是一条水平的直线。这说明晶体管集电极输出阻抗非常大，等效为一个恒流源。

图3 晶体管输出特性曲线

2.3 恒流源驱动电路

根据图3 所示，当晶体管基极输入电流为ib时，对应一个在晶体管集电极输出的电流ic，根据这一特性，下面来看看恒流源传感器电路，如图4所示。晶体管Q1、电位器W3、电阻R6组成的恒流源驱动电路中，电位器W3 作为Q1 基极的分压器，接于4.7 V 与地之间；当调节W3 电位器时，就等于在调节Q1 基极的对地电位，也就是给Q1 建立了静态工作点，给基极提供了一条ib通路，这时Q1 导通，其基极与发射极之间就箝位于0.7 V的电压，如果调节W3 电位器中点端电压，使Q1 基极电压相对于地之间为3 V 电压，3 V电压再加上Q1的基极与发射极之间的箝位0.7 V的电压，就可以得到Q1 发射极电压相对于地为3.7 V电压值，这时R6电阻上实际得到的电压值为1 V，R6上1 V 电压值除以R6的阻值100 Ω，在Q1的发射极就可以得到一个稳定的近似10 mA的电流值ie，再适当调节W3 电位器中点电压，就可以在Q1 集电极得到一个10 mA的稳定输出电流。

图4 恒流源传感器

2.4 电流负反馈温度补偿

恒流源驱动器电路也是一个典型的电流负反馈电路，当仪器的环境温度增高时，引起ic增大，ic的增大，引起ie的增大，ie的增大又引起R6上电压的增大，由于Q1 基极电位不变，所以Q1的基极与发射极之间的电压减小，Q1的基极与发射极之间的电压减小，又引起ie减小，ie减小最后引起Q1 集电极ic减小，整个电流负反馈过程是一个快速的过程，它能抑制环境温度对恒流源的影响，能保证仪器可靠工作。根据图3 可以看出，当晶体管发射极与集电极电压变化时，其集电极电流ic基本不变，这说明其输出阻抗非常大，能够作为恒定的电流源输出，换句话说Q1的集电极电流能在外界坏境温度变化下稳定维持在一个常数值。当一个恒定的电流流过可变的R5应变片时，就会产生一个变化的电压值，其关系是一个线性直线方程：△V=I△R的函数关系，这样就把一个可变的受力拉压的应变片电阻转换成了一个可变的电压值。同理由Q2、W4、R9组成的恒流源驱动电路工作原理与由Q1、W3、R6组成的恒流源驱动电路工作原理是一样的。当仪器外界环境温度变化时，由于采用的是负反馈温度补偿，所以Q2 集电极输出电流保持稳定的恒流输出。

2.5 LM358电压缓冲器

第一路恒流源电路，当R5应变片电阻发生阻值变化时，由于其上的电流为恒定值，其两端的电压也会跟着电阻产生线性变化，线性变化的电压传输到LM358芯片的第3 脚，随后从第1 脚输出，1 脚电压再传输到单片机U4的19 脚PB1 口。其输出的电压大小与输入的电压大小一样，电压放大倍数为1，这种电路的理想特点是输入阻抗无穷大，输出阻抗为0，所以传输的电压得到无衰减的、良好的匹配传输，PB1 口是一个12 位ADC 模数转换口，单片机U4 通过程序数据处理后，把该电压显示在12864 液晶屏上。同理，第二路应变片测量电路工作原理与第一路应变片测量电路工作原理相同。

2.6 温度、湿度测量电路

温度测量电路由DS18B20芯片、R10组成，由LM317 电压模块提供4.5 V 电源电压，2 脚与STC32 F103C8T6 单片机的第22 脚PB11 口相连，DS18B20芯片可测量-55～125 °C 之间的温度，采用单总线与STM32F103C8T6 单片机通信，可编程分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5°C、0.25°C、0.125°C和0.062 5 °C，可实现高精度测温，并具有极强的抗干扰纠错能力。

湿度测量电路由DHT11芯片、R11组成，由LM317 电压模块提供4.5 V 电源电压，2 脚与STC32 F103C8T6 单片机的第21 脚PB10 口相连。

2.7 STM32F103C8T6单片机

STM32F103C8T6 单片机[11]是一款中等容量增强型、32 位基于ARM 核心的带64 或128k 字节闪存的微控制器模块。25 脚～29 脚组成开关组，用于仪器开始工作前的设置；30 脚PA9 口，用于向上位机无线发送数据；31 脚PA10 口用于上位机向本机无线下传数据；32 脚PA11 口通过D2 接收CH340G的2 脚发来的数据；33 脚PA12 口经过300 Ω电阻CH340G的第3脚RX 端发送的数据；39 脚PB3 口用于12864 液晶屏的第6 脚使能；38 脚用于程序启动；2 脚PC13 口用于12864 液晶屏第4 脚命令/数据选择；10 脚～17 脚PA0、PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PA7 口用于把STM32F103C8T6 单片机发出的数据传送给12864 液晶显示屏；18 脚PB0 口用于采集LM358 运算放大器7 脚送来的模拟电压；19 脚PB1 口用于采集LM358运算放大器1 脚送来的模拟电压；21 脚B10 口用于接收DHT11 送来的湿度信号；22 脚B11 口用于接收DS18B20 送来的温度信号；8、23、35、47 脚接地；1、9、24、36、48 脚接3.3 V 电压。

2.8 CH340程序下载接口

当下载程序时，CH340G[12]的2 脚发送端发送程序给STM32F103C8T6 单片机的A11 接收端口；当STM32 F103C8T6 单片机上传程序时，从A12 发送端口传送给CH340G的第3 脚接收端，通过CH340G芯片上传到上位机。

2.9 无线通信芯片CC2530

CC2530[13-14]是TI 公司的的一款ZigBee 无线通信芯片，在软件上包含了较完整的ZigBee 协议栈，并有自己的PC 上的配置工具，采用串口和用户产品进行通信，并可以对模块进行发射功率、信道等网络拓扑参数的配置，使用起来相对便捷，而且CC2530芯片结合了领先的RF 收发器的优良性能，其具有业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存。

3 实验方法与测试结果

开机预热，如果仪器大于45 ℃，打开风扇散热抽风，当低于45 ℃，仪器开始工作。接上120 Ω的R5应变片[15]后，随着外力对材料的拉压，应变片上的电阻开始产生变化，由于输入到应变片上的电流是恒定的，所以应变片上的电压随着阻值的变化而变化，即符合y=kx线性函数关系；Q1 输出10 mA 恒定电流，当应变片R5从120 Ω变化到120.2 Ω，那么应变片上变化的电压应该为0.002 V，也就是说，这个应变片应变了0.001 67，当这个应变电压输入到LM358的第3 脚，通过1 脚缓冲输入到STM32 F103C8T6 单片机的19 脚PB1 模数转换口，用于STM32F103C8T6 单片机电压采样，然后进行ADC 模数转换，通过单片机处理数据后，送往12864 液晶显示屏，显示成应变值，同时DS18B20 温度传感器也通过电阻R10，在单总线上，把温度数据传送给单片机STM32F103C8T6的PB11 口，通过单片机处理数据后，送往12864 液晶显示屏，显示成温度值；同时DHT11 湿度传感器也通过电阻R11，在单总线上，把温度数据传送给单片机STM32F103C8T6的PB10口，通过单片机处理数据后，送往12864 液晶显示屏，显示成湿度值；当给应变仪开始加压，就可以在规定的时间内，在一定的温湿度下，通过程序[16]来测量实验材料的应变。

4 程序运行系统

程序运行框图如图5 所示。

图5 程序运行框图

5 结束语

目前，国内外都采用惠斯登电桥来测量应变，其测量电桥和读数电桥的电路复杂。文中应变仪的电子线路得到简化，调试方便，该仪器可同时测量两路应变片电阻，使用元件少。

技术手段：智能应变测量仪采用单片机控制技术，以STC32F103C8T6 单片机芯片为控制中心，采用恒流源和无线传输技术，辅以温度、湿度检测，保证了智能应变测量仪的正常工作。

技术效果：采用STC32F103C8T6 单片机和恒流源驱动电路后，大大缩小了应变测量仪的体积，且其重量轻、功耗小、方便携带、操作简单、稳定可靠。