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基于单片机的电桥平衡自调节设计

时间:11-10 来源:互联网 点击:

在应变式火炮膛压测试仪中,直流不平衡电桥测量电路是测量火炮膛压信号的核心环节。由于电阻应变计阻值有一定的偏差,使得电桥在初始时达不到平衡,导致测试仪在没有应变时输出信号有为负值的可能性,致使测试仪所测得的数据无法以计算机数值校正方法实现。对于传统的机械电位器,手动调节的方法无法满足应变式火炮膛压测试仪封闭式、小体积的要求。本文设计的MSP430F2002单片机和MAX5402数字电位器所构成的电桥平衡自调节电路,具有结构简单、占用空间小、功耗低、可靠性高等特性,完全符合火炮膛压测试仪的要求。

1 电桥平衡自调节原理
在火炮膛压测试仪中,考虑到测试仪壳体结构的限制以及低功耗的要求,采用的电桥为1/4直流源电桥。电桥平衡自调节电路如图1所示。


左图为电桥平衡自调节电路工作原理。其中,R1为电阻应变计温度补偿片,R2为电阻应变计工作片,R1=R2=R3=R4=120 Ω,Uo为电桥输出电压,Io为恒流源。由电路理论计算可知:



若R2·R3-R1·R4=0,则电桥保持平衡。测量中电桥初始输出值一般不为零,这可能导致传感器在测量信号时超过满量程或者为负值,使得通过A/D转换器所获得的数据不可靠。点画线内为电桥平衡调节的核心部分,其中O≤n≤1。
右图为左图的等效电路。由Y型-△型等效理论可知:

可知,Ra的大小决定了调节范围,Ra越小,调节范围就越大。在常用的120 Ω电阻应变计中,理想的Ra阻值范围一般为10~15 kΩ。

2 主要芯片简介
2.1 MSP430F2002单片机
TI公司推出的MSP430F2002单片机集成了10位A/D转换器、定时器、内部DCO时钟、可复用的I/O口以及USI通用串行接口,具有很高的且性价比。
MSP430F2002TRSA具有16个引脚,因外围设备多,I/O引脚都具有复用功能。MSP430F2002不仅支持4线制JTAG烧写,而且还支持2线制Spy -Bi-Wire烧写。在熔丝非熔断模式下,MSP430F2002采用2线制Spyr-Bi-Wire与MSP-FET430UIF烧写器的JTAG口的连接如图2所示。


2.2 MAX5402数字电位器
MAX5402是Maxim公司生产的256节点10 kΩ数字电位器。其具有超低功耗、低温漂、封装体积小等特点;具有SPI串行接口,很容易和单片机配合;使用很少硬件和软件开销,即可实现自动增益控制和自动平衡调节等功能。图3为MAX5402内部结构图,DIN、SCLK、为SPI串行接口引脚,H、W、L等效于滑动变阻器的三个端。其中,DIN为数据传输脚,数据从高位开始接收;SCL,K为通信时钟脚,通信时上升沿有效;为片选使能脚,低电平有效。当=0时,只要SCLK有上升沿,DIN就接收一位数;接满8位数据后,等待置1;最后,抽头W移动到所接收值指定的节点处。

3 软硬件设计
3.1 硬件设计
图4为电桥平衡自调节电路。当测试仪壳体受力产生应变时,电阻应变计阻值也相对产生变化。由于电桥所产生的电压信号微小,需通过仪表放大器INA128放大后,再进入MSP430F2002的A/D转换器的A0输入端。MSP430F2002通过USI通用串行接口的SCLK、SDO、SDI三个引脚,与MAX5402 SPI串行接口的SCLK、DIN、引脚进行数据传输,来控制数字电位器抽头移动。

3.2 软件设计
图5为电桥平衡自调节程序流程。首先初始化SPI、单片机内部DCO时钟、A/D转换器等。在平衡调节过程中,采用与电桥平衡值最接近原则。设电桥平衡值为V,电桥指针未指向终点,指针移动时必会出现V-△V1和V+△V2两个近似值,则取|△V1|和|△V2|之间的最小值。当指针移动至全部电位器抽点后还无法调节到V值左右,则MSP430F2002发出信号使得发光二极管灯亮,并选定最接近的V值为平衡初始值。测试仪在测量完膛压曲线后,通过计算机初值校正,最终获取正确的膛压动态曲线。

4 实验结果
每一个应变式测试仪要测量火炮膛压前,首先要通过油压标定机分析其静态特性,只有通过多次实验才能估算出测试仪触发值的大小。应变式测试仪在进行静态校准前,通过高精度万用表记录下来的15次实验的自平衡调节值如表1所列。由于弹性壳体具有弹性后效,在每次泄压后都必须在正常大气压下保持一段时间。由表1可知,该测试仪壳体在受到450 MPa压强后能恢复到最初状态,未发生塑性变形,各组自平衡调节后的值之间偏差小,而调节所用时间不到5 s,调节后MAX5402功耗只有100 nA。可见,该电桥平衡自调节电路设计是可行的,满足火炮膛压测试仪低功耗、小体积、封闭式等要求。

结语
在应变式火炮膛压测试仪的测量电路设计中,仅用一片MAX5402与单片机结合就实现了电桥的自平衡调节;同时,数字电位器的高可靠特性也使得整个仪器的工作稳定性得到了保证。若要使测试仪体积更小、功耗更低、重复性更好,可采用封装更小、功耗更低、抽头数更多的数字电位器替代。

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