1、0 前言本文介紹了礦用便攜式靜態電阻應變儀設計的思路，主要包括硬件設計、軟件設計和應變儀的抗干擾與防爆設計三部分。錨索錨桿聯合支護是煤礦巷道支護改革的發展方向，得到了廣泛的應用，取得巨大的社會和經濟效益。但也存在明顯的缺點：一是頂板冒落突然，沒有明顯征兆；二是冒落范圍大，對工人的人身安全和礦井正常生產威脅大。本設計采用先進的電子開關切換技術，信號檢測采用低頻濾波技術，放大電路部分采用精密儀表放大器ad8221達到對微弱的電壓信號穩定放大的要求, 檢測結果采用lcd漢字顯示，具有測量精度高，穩定性好等優點。礦用便攜式靜態電阻應變儀主要是對支護構件（錨桿、錨索）受力情況的檢測，從而獲知巷道巖層應力

2、的變化情況。可以為巷道技術人員更好的了解支護體的受力情況提供數據保障，為進一步研究支護構件的設計和機理提供一種新的科研手段；降低頂板事故發生的概率，從而減小對工人的人身安全和礦井正常生產的威脅，對煤礦安全生產和實現高產高效具有重要的意義，同時具有很高的社會和經濟效益。1 緒論 本節主要介紹了應變儀的研究背景及意義、國內外發展情況和論文的主要研究工作。1.1 應變儀的研究背景及意義在自然科學和工程領域的各種科學研究活動中，離不開對研究對象準確有效的測量，這是我們認識客觀事物內在聯系及變化規律的必要和先決條件；其中往往涉及到對微弱信號的檢測。微弱信號的檢測是測量技術中微弱量（如小位移、微振動、微溫

3、差、小電容、弱磁、弱聲、微電導、微電流、低電平電壓和弱流量等），通過各種傳感器把非電量轉換成電量（電壓或者電流）。微弱信號的測量與分析一直是檢測技術中的難點，如v級信號的檢測，應變測量就是其中一類。常用的應變測量方法就是電阻應變測量方法，電阻應變測量方法是將應變轉換成電信號進行測量的方法，簡稱電測法。應變電測具有測試廉價、快速、高精度、容易實現數據采集和處理自動化、實用性強等特點，在交通、材料、航空航天、機械等重要工程領域的研究中，有著廣泛的應用。我國煤礦事故死亡人數是世界上主要采煤國家死亡總人數的4倍。2002年我國百萬噸煤死亡率為5%（國有重點1.25，國有地方3.83，鄉鎮12.1），為

4、美國的200倍，南非的38倍，波蘭的19倍，印度的12倍，俄羅斯的11倍。瓦斯和頂板事故最嚴重，死亡人數占全國煤礦死亡人數74%以上，事故次數也占70%。頂板事故主要發生在巷道。事故起數最多，發生的頻率高，死亡總人數較多。2002年，全國頂板事故2364起，死亡2766人，占事故次數和死亡人數50.71%和34.69% 1。我國煤礦安全事故中，頂板事故占事故次數的50%以上，死亡人數占30%以上，造成這種局面其中一個主要原因是對圍巖變形、破壞、支護體受力狀況沒有全面、及時地了解，不能準確預測預報頂板事故。如何對巷道的穩定性、安全性進行檢測，提前采取預防措施，避免損失和災害，一直是人們討論的重點

5、。錨索錨桿聯合支護是煤礦巷道支護改革的發展方向，隨著巷道支護技術的不斷提高，錨索錨桿聯合支護得到了廣泛的應用，取得巨大的社會和經濟效益。錨索錨桿聯合支護具有效果好、維護費用低、勞動強度低、利于回采等優點。但也存在明顯的缺點：一是頂板冒落突然，沒有明顯征兆；二是冒落范圍大，對工人的人身安全和礦井正常生產威脅大。然而，當前的礦用應變儀多數采用的還是手動開關來切換信號通道；顯示也僅是字符型的，不便于理解和操作；儀表的精度和穩定性不是很高，不能準確的反映巷道的受力等情況。所以我們針對測力錨桿和錨索設計了一種礦用便攜式靜態電阻應變儀。礦用便攜式靜態電阻應變儀的研制成功，可以為巷道技術人員更好的了解支護體

6、的受力情況提供數據保障，為進一步研究支護構件的設計和機理提供一種新的科研手段；降低頂板事故發生的概率，從而減小對工人的人身安全和礦井正常生產的威脅，對煤礦安全生產和實現高產高效具有重要的意義，同時具有很高的社會和經濟效益1.2 國內外發展狀況應變儀以前采用交流電橋，結構復雜，需電容平衡，很難實現橋路的自動平衡與自動標定，采用載波放大，相敏檢波，主要是當時直流放大器性能不高，因此只能采用交流放大。直流結構簡單，不需考慮橋路分析電容的影響，因此可實現橋路的自動平衡、自動標定，但電源精度、橋路線路都會產生影響測量精度，因此在國內直流橋路測量大都用在靜態應變測量中。在動態應變測量中，國際上大都采用直流

7、供電，測量信號范圍已達30khz，結構簡單，精度高，并且多是可程控的，是電橋的調零，標定，到數據的采集與傳輸，都實現了全程自動化。相應地中高端應變儀幾乎都被日、美、德等國所壟斷。在國內，還不能很好地解決測量電路和直流電源精度，測量距離、溫度、濕度對實際測量精度有較大的影響等一系列問題。目前國內做的比較好的應變儀廠商有華東電子儀器廠、靖江東華、揚州泰司、北戴河蘭德公司等，國外有日本東京測器和美國的neff公司等。如華東電子儀器廠的yj-31-p10r型靜態電阻應變儀、yd-28型動態電阻應變儀、yjd-27型靜動態電阻應變儀，揚州無線電二廠生產的ye3817型應變儀及聯能電子的ye2537/ye

8、2538靜態電阻應變儀等。這些國內廠商所生產的應變儀基本上都是非程控的且數據都是基于有線技術的傳輸，這給應變儀的控制操作帶來了很大的不方便，同時其數據傳輸的可靠性也受到了影響。這樣的儀器將越來越不能適應科研和實際工程測試的需要。在計算機化測控為主流的今天，不可程控的儀器由于不能加入智能化的測試與控制系統而將被淘汰。在國外，有一些公司提供了臺式可程控應變儀系統。譬如，著名的endevco公司的4430/4960a系列產品。這個系列的儀器提供了多通道和可擴展性，而且還提供了rs232接口和ieee488總線接口，有極廣的應用范圍，但是其成本很高。與此同時，國內的許多高校也在積極開發，南京理工大學機

9、械工程學院精儀系已經成功地開發出基于vxi總線的可程控應變儀模塊，目前它已成功的廣泛應用于各種科學實驗與實際的工程測試中。但是基于vxi總線的儀器有價格昂貴、體積大的兩大缺陷，同時也具備有線傳輸的缺陷，這些因素在很大程度上限制了它的應用范圍。1.3 論文的主要研究工作本文介紹了礦用便攜式靜態電阻應變儀設計的思路，主要包括硬件設計、軟件設計和應變儀的抗干擾與防爆設計三部分。圍繞儀表裝置的研制過程進行展開，介紹了應變的測量原理，詳細分析礦用便攜式靜態電阻應變儀裝置的工作原理和硬軟件組成，并分析了干擾來源和常用的一些抗干擾措施,以及防爆設計方面需要注意的問題。在設計和研制礦用便攜式靜態電阻應變儀中，

10、本人的主要是利用應變測量的理論和微弱信號檢測技術進行設計，同時結合礦用防爆安全等要求進行器件的選取。2 應變儀應變儀一般也稱為電阻應變儀，實質上是一種測量敏感元件(電阻應變計)微小電阻變化或相對電阻變化的儀器。2.1 應變儀測量的原理由物理學可知：導體或半導體材料在外界作用力下（拉伸或壓縮）產生機械變形，其阻值將發生變化，這種現象稱為“應變效應”。依據這種效應制成的應變片粘貼于被測材料上，則被測材料受外界作用所產生的應變就會傳送到應變片上，從而使應變片的阻值發生變化。通過測量阻值的變化量，就可反映出外界作用力的大小。應變測量時，將一定阻值的電阻應變片粘貼在待測試件處，當試件受外力作用產生變形，

11、應變片阻值將發生變化，在一定范圍內，應變片電阻的相對變化量r/r與試件的相對變化量（即應變）成線性關系2，即有： （2-1）式中，是相對拉伸量；k稱為電阻應變片的靈敏系數，它的數值與電阻絲的材料及繞線方式有關，一般k值在2.0左右。應變測量的基本原理就是利用上述的應變效應，通過惠斯登電橋完成應變電測的轉換，然后利用信號調理電路對電信號進行采集測量和放，最后顯示出應變值。2.2 應變測量的特點應變測量是分析研究機械結構和機械強度問題的重要手段，對保證機械設備安全運行、實現自動檢測和自動控制等方面都具有重要的作用。在各種應變測量中，電阻式應變儀的電測發是最基本和應用最廣泛的測量方法3。應變測量優點

12、主要有以下幾點：（1）測量技術較為簡單，易于掌握和使用，其價格較低。（2）用途廣泛。以應變測量為基礎，可制成多種傳感器件，用于測量應力、力、力矩、壓力、位移等非電物理量，易于實現多點同步測量、遠距離測量和遙測，且能用于生產過程的自動檢測和自動控制。（3）動態特性好。因其尺寸小，重量輕，基本上不干擾試件的應力狀態，幾乎無慣性，還可組合成各種變化，測量復雜應力狀態，其動態應力范圍可達0500khz。（4）測量范圍大。一般測量范圍在10-104。（5）適應性強。選用不同種類的應變片，可以在高溫（1000）、高壓（幾百mpa）、強振、潮濕、腐蝕、高速旋轉和核輻射等惡劣環境中測量，性能穩定，因此，應變測

13、量得到廣泛的應用。當然，應變測量也存在著許多缺點，這些缺點包括：（1）應變電測發通常為逐點測量，只能測構件表面的應力，不能測到構件的全域應力應變場。（2）所測得的應變值是其敏感柵覆蓋面積內構件表面的平均應變，對于應力梯度大的構件表面或應力集中的情況，測量誤差較大。如果選用柵長很小的應變計，則可以使測量值盡可能地接近測點的實際應變值。2.3 測量電橋的幾種接線方法由于應變很小，一般以微應變計算，很難直接測得，但由式（2-1）可知，只要測得r，就可以求得應變。應變片的測量電路通過應變片可以將試件的應變信號轉換成電阻變化，通常這種電阻變化是很小的，必須用適當的方法檢測電阻微小變化。為此，需把應變片接

14、入某種電路，此電路將應變片的電阻變化信號轉換成電信號。常用的電路有三種，即電位計、惠斯登電橋和雙恒流源電路。其中惠斯登電橋有結構簡單，精度高等優點4。我們通常將應變片接成惠斯登電橋結構，如圖2-1所示。由于在電阻應變測量中，必須考慮溫度補償，因而電橋電路只能采用等臂和對稱形式。按照相鄰橋臂匹配情況的不同，可分為輸出對稱電橋，電源對稱電橋和等臂電橋。按照連接方式的不同，可分為單臂電橋，半橋和全橋。采用不同的連接方式可以使測量電橋有不同組合，而且有不同的輸出。 圖2-1惠斯登電橋電路fig.2-1 wheatstone bridge circuit一、單臂測量接線法單臂測量接法：如圖2-1所示，r

15、1為工作應變片，r2為溫度補償應變片，r3、r4是固定電阻。二、半橋測量接線法在測量電橋的橋臂ab和bc上接電阻應變片，而另外兩個臂ad和cd接應變儀的內部固定電阻r，則稱半橋接線法。在圖2-1中，電橋的兩個橋臂ab和bc上均接工作應變片，即r1、r2為工作應變片，r3、r4是固定電阻，此種接法是半橋測量接線法。三、全橋接線法在測量電橋的四個橋臂上全部接電阻應變片，即r1、r2、r3、r4為工作應變片，稱為全橋接線法。2.4 應變儀的分類所謂應變測量裝置是指以電阻應變計為敏感元件的應力測量儀器。整套的應力測量系統應包括敏感元件、信號的放大和變換(調制)、記錄和顯示、測量數據的存貯、傳遞復現及自

16、動處理等部分。我們通常講的電阻應變儀，實質上是一種測量敏感元件(電阻應變計)微小電阻變化或相對電阻變化的儀器。按照應變儀的工作頻率范圍以及測量對象的頻帶，把其分為靜態電阻應變儀、靜動態電阻應變儀、動態電阻應變儀、瞬態電阻應變儀(或超動態應變儀)、數字式電阻應變儀等。1）靜態電阻應變儀主要用于靜態應變或靜力試驗中有關力學量的測量。靜態電阻應變儀可分為手動平衡和切換及自動切換和平衡兩種類型。2）靜動態電阻應變儀這類電阻應變儀除了可測量靜態應變(輸出直流信號)，還可以測量頻率在100200hz的動態應變。3）動態電阻應變儀主要用于測量結構應力和機械振動應力，尤以研究振動應力為多，這類儀器適用于100

17、05000hz的振動應力測量。4）瞬態電阻應變儀用于測量爆炸或沖擊引起的瞬態變化的應力，儀器具有快速響應的能力，其頻帶達到幾千赫茲至幾十萬赫茲。5）數字式電阻應變儀利用數字化技術，把靜態或準靜態應變信號轉換成數字信號，在儀器的面板上直接顯示或由打印機打印出記錄結果。3 應變儀的硬件電路設計本章介紹了礦用便攜式靜態應變儀的硬件設計，包括整機的工作原理、信號采集調理電路和數字主電路的設計原理、方案選定，同時比較詳細的介紹了每個模塊的主要功能和電路原理圖。3.1 整機的工作原理傳感器與信號采集電路用來檢測錨桿錨索受力大小，通過單片機atmega16控制電子開關來切換檢測通道，使被測信號順序接通放大器

18、，并通過惠斯登電橋將應變信號轉化為微電壓信號，經過放大，模數轉換(a/d)，成為對應的數字信號，經單片機atmega16處理后，存儲數據并由漢顯lcd顯示或根據需要，通過rs232接口與pc機通訊、上傳數據，整機的硬件框圖如圖3-1所示。圖3-1整機的硬件框圖fig.3-1 the hardware diagram of the model3.2 信號采集部分信號采集調理電路設計是檢測系統硬件設計中的關鍵部分，是將模擬量信號轉變為數字量信號的中間過程，是影響檢測準確性的最為關鍵的部分。3.2.1 傳感器的選用選取傳感器為井巷用電阻應變式測力錨桿cm-200和gys-300型錨索測力計。測力錨桿

19、cm-200內有12個測力應變片（即6對測力應變片）如圖3-2所示，1個溫度補償片（起到溫度補償作用），其分別組成半橋式結構，其電阻應變片的靈敏系數k都為2.0。錨索測力計內有1對測力應變片，1個溫度補償片，應變片的材料、結構和阻值等與測力錨桿的相同；其結構簡圖如圖3-3所示，主要由剛體、電阻應變片、端蓋等部分組成。傳感器的惠斯登電橋電路采用的是單臂測量接線法，應變片本身的溫度漂移及環境溫度等干擾，半橋的兩個應變片兩者互相補償，對于輸出沒有影響。圖3-2應變片布局圖fig.3-2 the layout chart of strain foil（1為剛體，2為電阻應變片，3為端蓋）圖3-3 gy

20、s-300型錨索測力計結構簡圖fig.3-3 the skeleton drawing of prestressed tendon anchorage dynamemter gys-3003.2.2 惠斯登電橋的橋源應變儀對橋源的精度、穩定性要求很高，因為從傳感器輸出的模擬量與橋源電壓有著直接的關系，橋源的精度和穩定性直接影響輸出量的精度和穩定性，因此設計一種高精度和高穩定性供橋電源尤為重要5。當應變片接入測量電路時，電流的增加將產生熱效應，從而引起熱輸出誤差。為了控制這一電流，使流過應變片的電流小于最大工作電流（imax），一般為25ma，所以電橋的總電流最好小于50ma；而另一方面電源芯片

21、的最大輸出電流又不能太小，在采用恒壓源提供的電壓一定的情況下，實際電流輸出超過最大輸出電流，會導致橋源芯片器件的損壞。綜合以上因素，最好的電源需滿足，精度高，穩定性好，和輸出的電流滿足應變片工作的需要等條件。再根據傳感器應變片的接法和惠斯登電橋的設計結構，通常情況下其電橋是不平衡的，采用電流源不是很適宜；恒壓源供電的不平衡應變電橋廣泛地使用在應力、應變測量中，是工業、建筑、計量行業提取測量對象應力、應變參數的主要手段之一。同時又考慮到便攜式儀表的低功耗要求，本儀表橋源選擇的是電壓源，即由低功耗穩壓二極管lm385-1.2得到的。低功耗穩壓二極管lm385-1.2可以穩壓1.2v，原始精度達1%

22、，工作電流范圍是15a20ma，滿足本儀表的應用要求（橋路電流為10ma左右），其穩壓原理圖如圖3-4所示。其中的-1.2v和+1.2v的壓差構成了電壓源（=2.4v），電容ca11和ca12選取10f的鉭電容，用來穩定輸出電壓的。圖3-4電壓源的電路原理圖fig.3-4 the circuit schematic diagram of voltage source3.2.3 信號切換開關為了獲取測力錨桿各段彎曲載荷或錨索測力計的兩端載荷，本設計需要采用多路開關來切換各段電橋的通斷。常用的多路開關有兩大類：一是機械觸點式多路開關，二是模擬電子開關。機械觸點式多路開關主要是指干簧管，水銀繼電器和

23、機械振子式繼電器等，其中以干簧繼電器體積小，切換速度快，噪聲小，壽命長，最適合模擬量輸入通道中使用。但干簧繼電器的缺點是體積大（與電子開關相比），工作頻率低，在通斷時存在抖動現象。與機械觸點式多路開關相比，模擬電子開關具有切換速度高、無抖動、易于集成等特點，但其導通電阻一般較大，輸出電壓、電流容量較小，動態范圍很有限，常用于高速且要系統體積小的場合。其主要包括晶體管開關，結型場效應管開關，cmos場效應開關。其中，晶體管開關的導電電阻小，缺點是存在殘余電壓，且控制電流要流入信號通道，不能隔離。結型場效應管開關是一種使用較普遍的開關，由于場效應管是一種電壓控制電流型器件，一般無失調電壓，開啟電阻

24、約為10100，斷開電阻一般為10m以上，且具有雙向導通的功能，但這種場效應管一般不易集成。cmos場效應管開關是一種應用最普遍的模擬開關，它能克服單溝道場效應管開啟電阻隨輸入電壓變化而變化的缺點，具有較其他電子開關明顯的特性好，成本低等優點，目前常用的集成模擬開關大多采用了cmos工藝。最終本設計選擇模擬電子開關來切換通道，電子開關的切換由單片機控制，其中其對信號的切換方式的設計有兩種：一種是可用來切換橋源的通斷，如圖3-5（a）所示；一種是用來切換信號到放大器之間的通道，如圖3-5（b）所示。若選擇如圖3-5（b）所示的接法，考慮到傳感器的橋接方式，它可以避免電子開關的導通電阻對橋路的影響

25、；但是增加了器件和布線的成本，同時，由于設計的是便攜式儀表，一定要考慮電源功率消耗的問題。因此本儀表選擇的是圖3-5（a）所示接法，其可以切斷除測量橋路以外的其他橋路的電流通過，降低了功耗；同時，也可以選取適當的電子開關來減小電子開關的導通電阻對橋路的影響6。 （a）切換橋源 （b）切換通道圖3-5半橋式應變測量電路fig.3-5 the strain measuring circuit of semibridge system選擇電子開關的關鍵是要求其在導通時阻抗很小，切換迅速等。起先選取了集成模擬開關cd4067和cd4016，經過對比實驗，它們的效果都不是很好，經常會出現某一個或幾個的通

26、道數據變化很大，其原因就是其導通電阻不穩定；最終選用了一種先進的hex型場效應管irfd020，其開啟電阻僅為0.1，反應迅速，溫度穩定性好。電子開關切換電路如圖3-6所示。圖3-6電子開關切換電路fig.3-6the switching circuit of electronic switch3.3 信號采集調理電路信號采集調理電路設計是檢測系統硬件設計中的關鍵部分，是將模擬量信號轉變為數字量信號的中間過程，是影響檢測準確性的最為關鍵的部分。3.3.1 信號放大部分由于通過惠斯登電橋輸出的信號一般是v級，所以要求電路前級放大部分必須有較強的噪音抑止功能和較高的共模抑制比（cmrr），以免有用

27、信號被外部的噪聲淹沒；同時，控制放大倍數不易過大，以免微小的失調電壓可能對電路產生嚴重影響。 普遍的放大電路設計是采用經典的三運放的形式，即兩個輸入運放提供增益、一個輸出運放利用差分放大器將兩個輸入的轉化信號轉換成單端輸出，如圖3-7所示。本儀表的運算放大器采用精密儀表放大器ad8221，該芯片采用經典的三運放拓撲結構設計，是一款增益可編程、高性能儀表放大器，在業界同類產品中，其相對于頻率的共模抑制比（cmrr）最高。當今市場上儀表放大器cmrr在2000hz開始下降。與之相比，在g=1時，ad8221所有等級產品的最低cmrr均為80db并寬至10khz。相對于頻率的高共模抑制比使得ad82

28、21可以抑制寬帶干擾和線路諧波，從而大大簡化對濾波器的要求。低電壓失調、低失調漂移、低增益漂移、高增益精度和高共模抑制比特性，使這款器件成為要求具備最佳直流性能應用（如橋式信號調理）的絕佳選擇。本儀表的外部接線圖如圖3-8所示。圖3-7三運放設計的儀表放大器fig.3-7the instrumentation amplifier of the design with three operational amplifiers 圖3-8 ad8221的外部接線圖fig.3-8 the circuit diagram of ad221ad8221的傳遞函數為： （3-1） 可編程增益為用戶提供設計靈

29、活性。通過單一電阻，可在1到1000范圍內設置增益。ad8221可以采用單電源或雙電源供電，特別適合輸入電壓±10v的應用。本設計中將傳感器傳出的級信號需放大100倍至，即每個微應變對應，可得： （3-2）3.3.2 濾波器的選取硬件濾波按通過的頻率范圍分，有低通濾波器（lpf）、高通濾波器（hpf）、帶通濾波器（bpf）、帶阻濾波器（bef）等類型，按濾波器電路中是否帶有源器件可分為無源濾波器與有源濾波器兩種7。一、無源濾波器無源rc低通濾波器采用電阻和電容來實現。如圖3-9所示，為單極點低通濾波器的實現。這種濾波器的直流輸入/輸出阻抗等于r1。無源濾波器的成本便宜，但輸入/輸出阻

30、抗很高。二、有源濾波器單極點有源濾波器的頻率響應與無源單極點濾波器的相同，如圖3-10所示。在圖3-10中，單極點有源濾波器的輸入阻抗很高，等于運放的輸入阻抗。對于cmos運放，其輸入阻抗在1013數量級。與無源濾波器相比，這個濾波器電路的輸出阻抗很低，典型值為幾十至幾百歐姆。同時，可以根據不同的要求來選擇二階或更高階的有源濾波器。 （a） （b）圖3-9電阻與電容組成的無源低通濾波器及其頻譜圖fig.3-9 the circuit diagram and spectrum of r-c low-pass filter （a） （b）圖3-10單極點有源低通濾波器及其頻譜圖fig.3-10 t

31、he circuit diagram and spectrum of low-pass active filter with simple pole三、本文所采用的濾波器如圖3-8所示的電容c1、c2與前端的惠斯登電橋電路組成了一種rc無源濾波器。其中的電阻值為120，電容選擇選擇0.1f的獨石電容；起到濾除13k赫茲以上高頻噪聲信號的作用（即：主要濾除由于多路開關的切換產生的高頻噪聲干擾）。這個低通濾波器是根據電阻式傳感器的結構特點設計的，避免了低通濾波器的電阻產生不必要的電壓降和產生阻抗匹配困難的問題。電容濾波器（設輸入量為電流ic(s)，輸出為電壓v0(s)，如圖3-12所示，其傳遞函數

32、為8： （3-3）頻率特性為： （3-4）對數幅頻特性為： （3-5）顯然，隨著頻率濾波器的輸出電壓衰減逐漸增加，起到了低通濾波器效果，輸入輸出特性如圖3-11（d）所示。濾波器的電容要有耐壓高、絕緣好、溫度系數小和自諧振頻率高等特點。電容濾波器的結構主要有以下幾種：圖3-11（a）中機構最簡單，接在干擾源線間能抑制電源噪聲，接在干擾源與和地線間能衰減共模噪聲。圖3-11（b）中電容器中點接地，能夠把噪聲電流旁路入地，消除共模噪聲。圖3-11（c）中的c3接在電源線間，這種結構能有效地抑制共模（由c1、c2完成）和串模噪聲（由c3完成）。本儀表采用圖3-11（b）所示結構。在模擬量輸入通道信號

33、調理電路中，濾波器的選擇需根據輸入信號和干擾源的頻譜進行選擇。模擬濾波器，一般需放置在a/d轉換器的前面，其功能在模擬域內，而不是在數字域內實現的。圖3-11電容濾波器的結構和特性fig.3-11 the structural and characteristics diagram of capacitive filter而且濾波器常用模擬低通濾波器（lpf）；為什么需要模擬低通濾波器（lpf）？首先，模擬信號中包含高頻和低頻的噪聲。不管你是否承認，這都是確實存在的事實。這種噪聲確實存在于模擬信號中，需要采用模擬低通濾波器（lpf）應歸結到奈奎斯特定律。根據奈奎斯特定律（如果想要從數字形式中恢

34、復或重建一個帶寬為fb的信號，采樣頻率fs必須滿足（fs>2fb），對于任何頻率的信號（或噪聲），如果不被精確轉換成數字量，就可能被混淆入其他信號。 經過a/d轉換器的信號，都包含與之關聯的幅度信息。只要信號頻率低于a/d轉換器輸入級帶寬，a/d轉換器就能可靠地將信號的幅度信息轉換為數據。雖然幅度信息被保留了，但信號的頻率信息就不是這樣了。對于頻率超過1/2fs（fs為a/d轉換器的采樣頻率）的輸入信號，經過采樣后，其信號被折返到采樣頻率之內，因此，經過a/d轉換后，可能會很難從轉換后的數據判斷輸入信號是在1/2fs之內，還是高于1/2fs。根據奈奎斯特定律，信號被混疊了9。由于本設計所

35、測應變值的變化很緩慢，采用的又是恒壓源，微電壓信號的變化很小，所以adc的采樣頻率設為1次/秒；不適合根據奈奎斯特定律，在電路中設計抗混疊濾波器。本人根據查看的許多資料和研制本儀表過程中的體驗，感到在檢測動態信號（其頻率fb1khz）時，選擇采樣頻率高的adc轉換器，應用奈奎斯特定律，在電路中設計抗混疊濾波器，是比較適合的。3.3.3 模數轉換部分對于a/d轉換器的選擇首先要確定其位數。對于一臺具體的設備，其技術指標中包含檢測精度指標。通過這個指標就可以換算出所需的a/d轉換的最低指標，只要選擇轉換精度比這個最低指標高一些的a/d器件就可以滿足設計要求。通常精度和分辨率是不同的，受非線性誤差的

36、影響，分辨率高的精度不一定高。當器件的非線性誤差控制在1位之內時，a/d轉換器件用“位數”所表示的分辨率與其轉換精度基本相同，習慣上就用位數來衡量其轉換精度10。實際選取的a/d轉換器的位數應滿足測量數據的范圍和精度要求，并與其它環節（如傳感器變換、信號預處理電路）所能達到的精度相適應；只要不低于它們就行，選的太高既沒有意義，而且價格還要高出很多。其次就是要確定a/d轉換器的轉換速率，要根據采樣頻率的不同，選擇工作頻率不同的a/d轉換器件。其中主要有：1、低速a/d轉換器件：適合采樣頻率低于每秒10次的場合，其檢測對象為變化緩慢的物理量，如溫度，壓力等，這類a/d轉換器件以“雙積分型”為主，具

37、有很高的抗工頻干擾能力。2、中速a/d轉換器件：適合采樣頻率高于每秒100次的場合，其檢測對象為變化比較快的物理量。這類a/d轉換器件以“逐次逼近型”為主，絕大多數a/d轉換器件都屬于這一類型。3、高速a/d轉換器件：適合采樣頻率高于1mhz的場合，其檢測對象為變化極快的物理量。這類a/d轉換器件以“并行比較型”為主，應用領域以多媒體信息采集和處理為主。綜上所述，在工業企業的基于單片機實現的智能儀表裝置中，若對于信號轉換速率的要求不是很高而對轉換精度要求很高時，選擇雙積分式a/d轉換器是很合適的。其中，美國intersil公司的icl7135是比較流行的雙積分a/d轉換器，其具有4位半的精度（

38、相當于14位a/d轉換器），自動校零，自動極性輸出，其最大線性度誤差為1個計數值，單基準電壓，動態字位掃描bcd碼輸出，價格低等特點。本儀表是靜態應變儀，測量的是緩慢變化的應變（壓力）信號，對精度要求很高，所以選擇icl7135作為a/d轉換器件。icl7135的部分主要引腳功能如下：b8、b4、b2、b1：bcd碼的輸出端。d5、d4、d3、d2、d1：bcd碼數據的位選通信號輸出端，分別選通萬、千、百、十、個位。clk（引腳22）：時鐘輸入端。pol（引腳23）：極性輸出端。當輸入信號為正，pol端輸出高電平；當輸入信號為負時，pol端輸出為低電平。（引腳26）：數據輸出選通脈沖輸出端。該

39、脈沖寬度為時間脈沖寬度的1/2，一次a/d轉換結束后，該端輸出5個負脈沖，分別選通高位到低位的bcd碼數據輸出，可利用該信號把數據打入到并行接口中供cpu讀取（此端在與單片機接口時經常被用到）。busy（引腳21）：轉換狀態標志輸出端。積分器在積分過程中（包括對信號積分和反積分）busy端輸出高電平，積分器在反積分過零后輸出低電平。其中，icl7135的其他引腳、外部電路連接和元件參數的選擇可以參照其芯片說明資料，在網上可搜索到，這里就不贅述了。由于icl7135的精度很高（-19999+19999），而且儀表的分辨率為1個微應變，即一個微應變對應0.1mv，這樣運放的放大倍數就不用很高，從而

40、降低了失調電壓的影響。icl7135在單極性基準電壓（vref = +1v）供給下，能對雙極性輸入的模擬電壓進行a/d轉換，并自動輸出極性判別信號。當工作于雙極性情況下，最高時鐘頻率為125khz，這時轉換速度為3次/秒左右；如果輸入信號為單極性的，則時鐘頻率可最高到1mhz，這時轉換速度為25次/秒。為了使電路具有抗50hz串模干擾能力，a/d轉換的積分時間應選擇積分時間等于50hz工頻的整數倍。icl7135的外部接線圖如圖3-12所示。icl7135的測量周期分為4個階段：自動調零階段、模擬輸入（被測電壓）積分階段、基準電壓反積分（被測電壓量化）階段、積分器回零階段。其中的積分器回零和自

41、動調零可歸為一個階段；在模擬輸入積分階段：busy輸出為高電平，被測電壓在固定時間（10000t）進行積分；在基準電壓反積分階段：對被測電壓以相同的斜率（10000/ vref）進行量化，icl7135內部的十進制計數器在此階段對時鐘脈沖計數，其計數值為10000×vin/vref，即為模擬輸入的a/d轉換結果，當積分器輸出為零，busy變為低電平；總的測量周期為40002t，如圖3-13所示。進一步分析icl7135的時序發現，在模擬輸入積分階段和對基準電壓反積分階段，icl7135的busy端輸出均為高電平，其余均為低電平，如圖2-12所示。同時，模擬輸入積分階段的時間是固定的，

42、為10000個時鐘周期（10000t）。如果應用單片機的定時/計數器檢測出busy為高電平的時間(或計數值)，再減去輸入積分階段和一個時鐘周期（其中在反積分階段最早時有一個時鐘脈沖是“無效”的）的時間之和（10001t）或計數值之和（10001），即得到基準電壓反積分的時間或計數值11。圖3-12 icl7135的外部電路連接圖fig.3-12 the circuit diagram of icl7135（其中t為時鐘周期）圖3-13典型積分器（int端）和busy端的輸出波形圖fig.3-13 the oscillograph trace of the output from int and

43、 busy of the typical integrator如圖3-13，基準電壓反積分階段的計數值（設為n），則 （3-6）由此可得： （3-7）由于基準電壓v是已知的，因此求出n后，就不難計算出模擬輸入信號v的大小。將icl7135的busy端接到單片機的中斷口int1上。通過int1中斷服務程序讀出定時器t1的計數結果，然后減去輸入積分階段的計數值（其為固定值，可由輸入模擬量為零時t1的計數值得到）并按上述進行相應的計算即可，這樣加上一個極性端pol,icl7135 只占用單片機3個i/o口，大大節省了單片機i/o口資源，icl7135與單片機并行3線制接法如圖3-14所示。圖3-14

44、 icl7135與單片機并行3線制接法fig.3-14 the parallel connection with three-wire type between single chip and icl71353.4 數字主電路部分數字主電路部分的設計主要是通過整機的工作原理來搭建單片機（atmega16）與其外設器件的連接電路；其主要包括數據存儲部分、通訊部分和人機對話部分等。3.4.1 cpu最小系統avr單片機是atmel公司出品的具有眾多成員的單片機家族，它使用精簡指令集，每個時鐘周期可以執行一條指令。因此同等時鐘條件下，avr單片機比8051單片機速度快12倍，如果是做16×

45、16的乘法，avr可以比8051快23倍，計算優勢非常明顯。avr的耗電量比8051也減少了很多。由于avr單片機采用了更加先進的制造工藝，在同等配置的條件下，avr單片機的價格要比單片機便宜。avr單片機的外設接口多，自帶eeprom的數據存儲器，因此在大多數情況下，可以基本擺脫外接的串行eeprom，使得產品制造成本降低，同時也縮小了產品的體積。在可靠方面，avr單片機抗干擾能力也優于8051單片機。avr單片機主要包括attiny、at90和atmega三大系列。其中atiny系列結構最為簡單，功能最弱，適用于比較低檔的玩具、儀器儀表和簡單的過程控制。at90系列屬于avr的中等性能類別

46、，具有多個型號，目前at90系列的老式低檔芯片已經基本停產。atmega系列使用了更加先進、可靠地制造工藝，高中低檔齊全，正在逐步取代at90系列的產品。本設計選擇atmega16單片機作為儀表的cpu，它是atmel公司出品的單片機，具有如下特點：16k字節的系統內可編程flash（具有同時讀寫的能力，即rwm），512字節eeprom，1k字節sram，32個通用i/o口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的jtag接口，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數器，片內/外中斷，可編程串行usart，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（

47、tqfp封裝）的adc，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個spi串行端口，以及六個可以通過軟件選擇的省電模式。本芯片是以atmel高密度非易失性存儲器技術生產的。片內isp flash 允許程序存儲器通過isp串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于avr內核之中的引導程序進行編程。通過將8位 risc cpu與系統內可編程的flash集成在一個芯片內，atmega16成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。圖3-15最小系統的電路圖fig.3-15 the circuit diagram of the minimal system最小系統的

48、連接如圖3-15所示；單片機選用atmega16，其晶振選擇8m,選擇掉電自動復位的復位方式，單片機atmega16可以在線下載程序（isp）用的是jtag，通過下載線對程序進行在線調試，使軟件程序調試更加方便。3.4.2 通訊部分在微型計算機系統中，cpu與外部的基本通信方式有兩種12：并行通信，數據的各位同時傳送；串行通信，數據一位一位順序傳送。在串行通信時，采用rs- 232-c接口（又稱 eia rs-232-c）是目前最常用的一種串行通信接口。它適合于數據傳輸速率在020000b/s范圍內的通信。本設計要求儀表可以和上位機通訊，把存儲器中的數據信息傳遞給上位機（計算機），所以采用目前

49、使用最普遍的db-9連接器，其各引腳功能說明見表3-1。rs-232c 規定的邏輯電平與單片機的邏輯電平是不同的，因此，單片機系統要和計算機的rs-232接口進行通信，就必須把單片機的信號電平（ttl電平）轉換成計算機的rs-232c電平，或者把計算機的rs-232c電平轉換成單片機的ttl電平，通信時候必須對兩種電平進行轉換13。表3-1 rs-232c串口引腳定義表tab3-1 the pin definition table of the serial port with rs-232c引腳簡寫功能說明1cd載波偵測（carrier detect）2rxd接收數據（receive）3tx

50、d發送數據（transmit）4dtr數據終端準備（data terminal ready）5gnd地線（ground）6dsr數據準備好（data set ready）7rts請求發送（request to send）8cts清除發送（clear to send）9ri振鈴指示（ring indicator）本設計采用maxim公司的單電源電平轉換芯片max232。max232是單電源雙rs-232發送/接收芯片，采用單一 +5v電源供電，只需外接5個電容，便可以構成標準的rs-232通信接口，硬件接口簡單，所以被廣泛采用。圖3-16為max232的電路連接圖，電容c1c15選用0.1f的電

51、解電容或瓷片電容。圖3-16max232的電路接線圖fig.3-16 the circuit diagram of max232串行通訊是將構成字符的每個二進制數據位，依據一定的順序逐位進行傳送的通信方法。在串行通訊中，有兩種基本的通信方式：一是異步通訊；另一種是同步通訊。本設計選擇的是異步通訊方式，并規定了數據的傳送格式，即每個數據以相同的幀格式傳送。每一幀信息由起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位組成。通訊協議的格式如下：字頭根號量綱數據（112異或校驗碼結束0xe10x010x630x000x020x01(高位) 0x02(低位)0xrh 0xrl0d波特率： 由單片機決定（1200，24

52、00，4800，9600，19200bps）。在圖3-16中，max232的9腳和10腳分別接單片機的txd和rxd腳；7腳和8腳和數字地通過數據線與上位機的串口相連，數據線選擇是一端為4芯的航空接頭，另一端為db-9串口的電纜線。3.4.3 人機對話一、鍵盤部分的設計：鍵盤是若干個按鍵的集合，是人與計算機聯系的橋梁。操作人員可以通過鍵盤輸入數據和命令，它是單片機系統中不可缺少的輸入設備。對按鍵設計的中要注意按鍵的去抖動問題；按鍵從開啟到閉合穩定，或者從閉合到完全打開，總要有數毫秒的彈跳時間（即抖動）。抖動會引起一次按鍵被多次識別并誤動作。按鍵去抖主要有兩種方法：一是軟件去抖，即判斷按鍵時采用

53、軟件延時的辦法，多用于鍵數較多的情況；二是硬件去抖，即在按鍵處加硬件元件起到緩沖作用，消除抖動；可用r-s觸發器或簡單的rc濾波器來克服抖動，多用于鍵數較少的情況。本儀表選用的就是rc濾波器去抖，如3-17圖所示；電容選擇0.1f的瓷片電容，電阻選擇10k。圖3-17按鍵設計的電路原理圖fig.3-17 the circuit wafer and circuit schematic diagram of the design about keystokes二、 lcd液晶顯示部分設計本儀表的lcd顯示選用的是漢顯的液晶屏yb12864，其控制芯片為st7920，其帶漢字顯示字庫。st7920是

54、臺灣矽創電子公司生產的中文圖形控制芯片，它是一種內置漢字圖形點陣的液晶顯示控制模塊，用于顯示漢字及圖形。yb12864可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字（16×16點陣，16×8=128，16×4=64，一行只能寫8個漢字，4行；）、128個字符（8x16點陣）及64×256點陣顯示ram（gdram）。主要技術參數和顯示特性:電源：vdd 3.3v+5v(內置升壓電路，無需負壓)；顯示內容：128列×64行（128表示點數）顯示顏色：藍色 顯示角度：6：00鐘直視lcd類型：stn與mcu接口：8位或4位并行/3位串行配置led背光多種

55、軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等利用上述功能可方便地實現漢字、ascii碼、點陣圖形、自造字體的同屏顯示。本設計采用的是顯示模塊與cpu并行8位連接方式，如圖3-18所示。圖3-18 lcd與單片機的連接圖fig.3-18 the circuit diagram of the singlechip and lcd由于采用的是漢字顯示的人機對話界面，這樣就使得此儀表在國內更易被技術人員和普通工人理解和掌握，給測量帶來了方便。4 軟件程序設計目前，avr編譯工具有很多種，支持的語言包括匯編語言、c語言、 pascal和basic等。一般來說，微型avr設計開發可以考慮用匯編語言編寫。如果代碼規模超過2kb，完全可以用c語言等高級語言編寫，這樣代碼維護起來會比較容易。本設計采用c語言編寫應用程序，可以有多種開發環境供選擇，包括icc for avr、iar for avr、gcc for avr、等。icc和iar的編譯器產品是需要付費的，而gcc是免費的。gcc本來是linux上的開源編譯器，經過移植，出現了可以在windows環境下運行的gcc for avr的編譯器。安裝了這個編譯器后，可以與avr studio無縫銜接，可以直接在avr studio中進行c語言應用程序的編輯、編譯、和調試，經過長期實踐證明，gcc