電子稱重傳感器放大顯示電路設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上稱重傳感器放大顯示電路設(shè)計(jì)（摘要）【摘要】電阻應(yīng)變式傳感器具有測量范圍廣、精度高、誤差小和線性度好等優(yōu)點(diǎn)，且能在惡劣環(huán)境下工作，在力、壓力和重量測試中有非常廣泛的應(yīng)用，力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點(diǎn)。所以電阻應(yīng)變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤具有準(zhǔn)確度高易于制作，簡單實(shí)用、成本低廉、體積小巧、攜帶方便等特點(diǎn)。 本課題從數(shù)顯電子秤的要求分析入手，將整個(gè)系統(tǒng)分成五個(gè)部分，分析和討論各個(gè)部分的電路原理、控制策略、實(shí)現(xiàn)方法。詳細(xì)討論了系統(tǒng)的各種工作情況及信號的傳遞情況，并得到了系統(tǒng)各個(gè)部分在不同工作情況下的工作狀態(tài)。數(shù)顯電子秤根據(jù)彈性體（彈性元件，敏

2、感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性形變，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變變形后，他的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），將電信號通過數(shù)碼顯示器顯示出來，從而完成了將外力變換為電信號的過程。關(guān)鍵詞：稱重傳感器、電阻應(yīng)變計(jì)、精度、單片機(jī)1 引言現(xiàn)代社會的發(fā)展對其稱重技術(shù)提出了更高的要求。目前，臺式電子秤在商業(yè)貿(mào)易中的使用已相當(dāng)普遍，但存在較大的局限性：體積大、成本高、需要工頻交流電源供應(yīng)、攜帶不便、應(yīng)用場所受到制約。目前國際化的趨勢是電子秤向小型化，模塊化，集體化，智能化，其技術(shù)性能趨向于速率高，準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性高，可靠性

3、高等，其功能趨向是稱重計(jì)量的控制信息和非控制信息并重的智能化電子秤。多年來，人們一直期待測量準(zhǔn)確、價(jià)格低廉的在工業(yè)發(fā)展中起到巨大作用的電子秤投放市場。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代技術(shù)的前沿技術(shù)，是制造業(yè)自動化和信息化的基礎(chǔ)。隨著工業(yè)自動化、信息化的發(fā)展，以往稱重傳感器的靈敏度、準(zhǔn)確度漸漸跟不上時(shí)代的發(fā)展，所以稱重行業(yè)急需一種能夠在稱重過程中準(zhǔn)確計(jì)量，具有極高的靈敏度，較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，以及比以往傳感器更長的使用壽命。通過試驗(yàn)和創(chuàng)新電阻應(yīng)變式傳感器具有以上特點(diǎn)！利用電阻應(yīng)變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤，具有測量范圍廣、精度高、誤差小和線性特性好等優(yōu)點(diǎn)，且能在惡劣環(huán)境下工作，在重量測量中有非常廣泛的應(yīng)用，易于

4、制作，簡單實(shí)用、成本低廉、體積小巧、攜帶方便等特點(diǎn)。所以這種電子秤因?yàn)槭袌龅男枰哂泻艽蟮陌l(fā)展，上升和推廣空間。2 方案論證 首先利用由電阻應(yīng)變式傳感器組成的測量電路測出物質(zhì)的重量信號，該重量信號通過差動輸入和調(diào)理放大電路后，以模擬信號的方式傳送到A/D轉(zhuǎn)換器。其次，由A/D轉(zhuǎn)換電路把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)出來的信號傳送到顯示電路，最后由顯示電路顯示數(shù)據(jù)。3 基礎(chǔ)知識 3.1 芯片的原理及應(yīng)用3.1.1 電阻應(yīng)變片簡介電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變

5、形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。 由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。下面就這三方面簡要論述： 一、電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。 設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長度為L，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作，這種材料的泊松系數(shù)是。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為R： R = L/S（） （21） 當(dāng)他的兩端受F力

6、作用時(shí)，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長L，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少r。此外，還可用實(shí)驗(yàn)證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作。 對式（2-1）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有： R = L/S + L/S SL/S2 （22） 用式（2-1）去除式（2-2）得到 R/R = / + L/L S/S （23） 另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S = r2，則 s = 2r*r，所以 S/S = 2r/r （24） 從材料力學(xué)我們知道 r/r = -L/L （25） 其中，負(fù)號表示伸長時(shí)，半徑方向是縮小的。是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（2

7、4）（25）代入（2-3），有 R/R = / + L/L + 2L/L =（1 + 2（/）/（L/L）*L/L = K *L/L （2-6） 其中 K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （-） 式（2-6）說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關(guān)系。 需要說明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān)，不同的材料的K值一般在1.73.6之間；其次K值是一個(gè)無因次量，即它沒有量綱。 在材料力學(xué)中L/L稱作為應(yīng)變，記作，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便 常常把它的百萬分之一作為單位，記作

8、。這樣，式（-）常寫作： R/R = K (28) 二、彈性體 彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。 以托利多公司的SB系列稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應(yīng)力分布。 設(shè)有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。 肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)

9、的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。 = （3Q（1+）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2-9） 其中：Q-截面上的剪力；E-揚(yáng)氏模量：泊松系數(shù)；B、b、H、h為梁的幾何尺寸。 需要說明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。 三、檢測電路 檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥Ｒ驗(yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。 因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵

10、銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。 3.1.2 ADC1210簡介圖1 ADC1210引腳圖ADC1210芯片有24條引腳，采用雙列直插式封裝，下面說明各引腳功能。 2-12-12：12位數(shù)字量輸出端。 START： AD轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使1210復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 EOC： AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于6

11、40KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 Vcc：電源，單一5V。 GND：地。 3.1.3 MCS-8031簡介 圖2 MCS-8031引腳圖40個(gè)引腳按引腳功能大致可分為4個(gè)種類：電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳。 電源: VCC - 芯片電源，接+5V； VSS - 接地端； 注：用萬用表測試單片機(jī)引腳電壓一般為0v或者5v，這是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平。但有時(shí)候在單片機(jī)程序正在工作時(shí)候測試結(jié)果并不是這個(gè)值而是介于0v-5v之間，其實(shí)這是萬用表的響應(yīng)速度沒這么快而已，在某一個(gè)瞬間單片機(jī)引腳電壓仍保持在0v或者5v。 時(shí)鐘:XTAL1、XTAL2 - 晶體反相輸入端和輸出端。 控制線:控制

12、線共有4根， ALE/PROG:允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖 ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 PSEN:外ROM讀選通信號。 RST/VPD:復(fù)位/備用電源。 RST（Reset）功能：復(fù)位信號輸入端。 VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。 EA/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。 EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。 Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。 I/O線 80C51共有4個(gè)8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。

13、P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線） 5. P3口第二功能 P30 RXD 串行輸入口 P31 TXD 串行輸出口 P32 INT0 外部中斷0（低電平有效） P33 INT1 外部中斷1（低電平有效） P34 T0 定時(shí)計(jì)數(shù)器0 P35 T1 定時(shí)計(jì)數(shù)器1 P36 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通（低電平有效） P37 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通（低電平有效）3.1.4 NE5534簡介 圖3 NE5534引腳圖IN-為反相輸入端，IN+為同相輸入端；OUT為輸出端；Balance為平衡輸入端，主要作用是是內(nèi)部電路的差動放大器處于平衡狀態(tài)；COMp/Bal的作用為，通

14、過調(diào)節(jié)外接電阻，已達(dá)到改善放大器的性能和輸出電壓；Vcc-和Vcc+為正負(fù)電源提供；IN-為反相輸入端，IN+為同相輸入端；OUT為輸出端；Balance為平衡輸入端，主要作用是是內(nèi)部電路的差動放大器處于平衡狀態(tài)；COMp/Bal的作用為，通過調(diào)節(jié)外接電阻，已達(dá)到改善放大器的性能和輸出電壓；Vcc-和Vcc+為正負(fù)電源提供；3.1.5 CD4511簡介 圖4 CD4511引腳圖CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動LED顯示器。CD4511 引

15、 腳 圖其功能介紹如下： BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。 LT：3腳是測試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。 LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值。 A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。CD4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。

16、 3.1.6 74LS373簡介373為三態(tài)輸出的八 D 透明鎖存器。 圖5 74LS373引腳圖 373 的輸出端 O0O7 可直接與總線相連。 當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時(shí)，O0O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng) OE 為高電平時(shí)，O0O7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。 當(dāng)鎖存允許端 LE 為高電平時(shí)，O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當(dāng) LE 為低電平時(shí)，O 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng) LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。 引出端符號： D0D7 數(shù)據(jù)輸入端 OE 三態(tài)允許控制端（低電平有效）

17、 LE 鎖存允許端 O0O7 輸出端 3.1.7 74LS244簡介 圖6 74LS244引腳圖74LS244是8路3態(tài)緩沖驅(qū)動,也叫做線驅(qū)動或者總線驅(qū)動門電路。簡單地說，它有8個(gè)輸入端，8個(gè)輸出端。引腳定義如下：引腳 功能1-1G 1Y1-1Y4輸出控制，低電平有效，高電平高阻2-1A1 輸入端，對應(yīng)的輸出為1Y13-2Y4 輸出端，對應(yīng)的輸入為2A44-1A2 5-2Y3 6-1A3 7-1Y2 8-1A4 9-2Y110-GND地 11-2A1 12-1Y4 13-2A2 14-1Y315-2A3 16-1Y2 17-2A4 18-1Y119-2G 2Y1-2Y4輸出控制端20-VCC

18、電源正詞條圖冊3.2電路設(shè)計(jì)原理傳感器與測量電3.2.1 總的電路框圖顯示電路單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換差動輸入和調(diào)理放大電路 圖7 總的電路框圖3.2.2 傳感器測量電路的設(shè)計(jì) 圖8 傳感器電橋測量原理電路圖當(dāng)電橋平衡時(shí)，R1=R2=R3=R4=R，此時(shí)電橋的輸出V0=0，當(dāng)四橋臂的應(yīng)變片受力變化后，輸出變?yōu)椋篤0=kE3.2.3 差動輸入和調(diào)理放大電路的設(shè)計(jì) 圖9 差動輸入模塊和調(diào)理放大電路從傳感器測量電路出來的模擬信號很微弱，必須通過放大器電路對其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求。我們選擇兩個(gè)運(yùn)放組成的差動輸入模塊，該電路具有共模抑制比高和調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)，從差動放大電路

19、輸出地信號送調(diào)理濾波電路進(jìn)一步放大和調(diào)理，可以將微弱的壓力信號放大到滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。采用20kg量程的傳感器，在空載時(shí)，可設(shè)定調(diào)理放大電路輸出模擬量為0V，若壓力為20kg，輸出模擬量為4.0V，則平均每10g對應(yīng)1LSB變化量，對應(yīng)電壓變化值為0.02mV。3.2.4 ADC1210與單片機(jī)接口電路 圖10 ADC1210與單片機(jī)連接圖3.2.5 數(shù)碼顯示電路的設(shè)計(jì) 圖 11 數(shù)碼顯示電路4 設(shè)計(jì)整體圖 圖12 整體電路圖5 單片機(jī)程序流程圖 初始化參數(shù) 設(shè)定時(shí)器0工作方式 開中斷初始顯示09完否？N開始等待中斷圖13 主程序流程圖初始化處理初始化程序入口置高P1.1，置低1.3延遲1

20、0ms，初始化IC置高1.3，置低P1.1延遲10ms初始化總線結(jié)束初始化程序圖14 初始化子程序流程圖開始繼續(xù)初始化顯示09關(guān)中斷設(shè)置測量值顯示標(biāo)志初始化顯示09完否？重置定時(shí)初值顯示重量測量值 N 是在測量值顯示狀態(tài)哦嗎？ N Y置初值顯示結(jié)束標(biāo)志初始化顯示09完否？ N調(diào)用稱重測量轉(zhuǎn)換子程序 Y中斷返回圖15 中斷服務(wù)子程序流程圖開始 清測量值暫存單元存放內(nèi)容轉(zhuǎn)存到顯示緩沖區(qū)求10次測量值的平均值設(shè)測量值次數(shù)（10次）啟動A/D轉(zhuǎn)換將測量值轉(zhuǎn)換成稱重值 （十六進(jìn)制數(shù)）讀取測量值稱重值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)存放測量值累加測量次數(shù)到否？子程序返回 圖16 壓力測量轉(zhuǎn)換子程序流程圖6 誤差分析與改進(jìn)措施1) 在傳感器測量電路中，如果不用差動式，共模信號將影響準(zhǔn)確性，而且溫漂的影響也會使電路測量誤差很大，采用差動式就可以克服這個(gè)缺陷。2) 手動調(diào)節(jié)電路采用電阻式調(diào)節(jié)，簡單易行。7 總結(jié)與體會在本次設(shè)計(jì)的過程中，我發(fā)現(xiàn)很多問題，給我的感覺很簡單，但實(shí)際上很難 ，看似很簡單的電路，要動手把他給設(shè)計(jì)出來，是很難的一件事，主要原因是我沒有經(jīng)常動手設(shè)計(jì)過電路，還有資料的查找也是一大難題，這就要求在以后的學(xué)習(xí)中，應(yīng)該注意到這一點(diǎn)，更重要的是我們要學(xué)會把從書本上學(xué)到的知識和實(shí)際的電路聯(lián)系起來，這不論是對我以后