電子稱重傳感器放大顯示電路設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上稱重傳感器放大顯示電路設計（摘要）【摘要】電阻應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，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用，力傳感器具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。所以電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤具有準確度高易于制作，簡單實用、成本低廉、體積小巧、攜帶方便等特點。 本課題從數(shù)顯電子秤的要求分析入手，將整個系統(tǒng)分成五個部分，分析和討論各個部分的電路原理、控制策略、實現(xiàn)方法。詳細討論了系統(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）在外力作用下產生彈性形變，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變變形后，他的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（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。關鍵詞：稱重傳感器、電阻應變計、精度、單片機1 引言現(xiàn)代社會的發(fā)展對其稱重技術提出了更高的要求。目前，臺式電子秤在商業(yè)貿易中的使用已相當普遍，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、攜帶不便、應用場所受到制約。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，其技術性能趨向于速率高，準確度高，穩(wěn)定性高，可靠性

3、高等，其功能趨向是稱重計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確、價格低廉的在工業(yè)發(fā)展中起到巨大作用的電子秤投放市場。傳感器技術是現(xiàn)代技術的前沿技術，是制造業(yè)自動化和信息化的基礎。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、準確度漸漸跟不上時代的發(fā)展，所以稱重行業(yè)急需一種能夠在稱重過程中準確計量，具有極高的靈敏度，較強的環(huán)境適應能力，以及比以往傳感器更長的使用壽命。通過試驗和創(chuàng)新電阻應變式傳感器具有以上特點！利用電阻應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，且能在惡劣環(huán)境下工作，在重量測量中有非常廣泛的應用，易于

4、制作，簡單實用、成本低廉、體積小巧、攜帶方便等特點。所以這種電子秤因為市場的需要具有很大的發(fā)展，上升和推廣空間。2 方案論證 首先利用由電阻應變式傳感器組成的測量電路測出物質的重量信號，該重量信號通過差動輸入和調理放大電路后，以模擬信號的方式傳送到A/D轉換器。其次，由A/D轉換電路把模擬信號轉換成數(shù)字信號送給單片機，經(jīng)單片機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 基礎知識 3.1 芯片的原理及應用3.1.1 電阻應變片簡介電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變

5、形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（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，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述： 一、電阻應變片 電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。 設有一個金屬電阻絲，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。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R： R = L/S（） （21） 當他的兩端受F力

6、作用時，將會伸長，也就是說產生變形。設其伸長L，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少r。此外，還可用實驗證明，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，我們知道導線的橫截面積S = r2，則 s = 2r*r，所以 S/S = 2r/r （24） 從材料力學我們知道 r/r = -L/L （25） 其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。是表示材料橫向效應泊松系數(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決定的一個常數(shù)，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，不同的材料的K值一般在1.73.6之間；其次K值是一個無因次量，即它沒有量綱。 在材料力學中L/L稱作為應變，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 彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。 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力分布。 設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力，但其上、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神，一為壓縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應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

9、的應變表達式，而不再推導。 = （3Q（1+）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2-9） 其中：Q-截面上的剪力；E-揚氏模量：泊松系數(shù)；B、b、H、h為梁的幾何尺寸。 需要說明的是，上面分析的應力狀態(tài)均是“局部”情況，而應變片實際感受的是“平均”狀態(tài)。 三、檢測電路 檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變?yōu)殡妷狠敵?。因為惠斯登電橋具有很多?yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。 因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，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轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使1210復位，下降沿啟動A/D轉換）。 EOC： AD轉換結束信號，輸出，當AD轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉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AD轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于6

11、40KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準電壓。 Vcc：電源，單一5V。 GND：地。 3.1.3 MCS-8031簡介 圖2 MCS-8031引腳圖40個引腳按引腳功能大致可分為4個種類：電源、時鐘、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引腳電壓一般為0v或者5v，這是標準的TTL電平。但有時候在單片機程序正在工作時候測試結果并不是這個值而是介于0v-5v之間，其實這是萬用表的響應速度沒這么快而已，在某一個瞬間單片機引腳電壓仍保持在0v或者5v。 時鐘: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:復位/備用電源。 RST（Reset）功能：復位信號輸入端。 VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。 EA/Vpp:內外ROM選擇/片內EPROM編程電源。 EA功能：內外ROM選擇端。 Vpp功能：片內有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8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。

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 定時計數(shù)器0 P35 T1 定時計數(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、過調節(jié)外接電阻，已達到改善放大器的性能和輸出電壓；Vcc-和Vcc+為正負電源提供；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，通過調節(jié)外接電阻，已達到改善放大器的性能和輸出電壓；Vcc-和Vcc+為正負電源提供；3.1.5 CD4511簡介 圖4 CD4511引腳圖CD4511是一個用于驅動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點如下：具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域寗覮ED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BI=0 時，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BI=1，LT=0 時，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LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(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。 當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，O0O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當 OE 為高電平時，O0O7 呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。 當鎖存允許端 LE 為高電平時，O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當 LE 為低電平時，O 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當 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)緩沖驅動,也叫做線驅動或者總線驅動門電路。簡單地說，它有8個輸入端，8個輸出端。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，對應的輸出為1Y13-2Y4 輸出端，對應的輸入為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電路設計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A/D轉換差動輸入和調理放大電路 圖7 總的電路框圖3.2.2 傳感器測量電路的設計 圖8 傳感器電橋測量原理電路圖當電橋平衡時，R1=R2=R3=R4=R，此時電橋的輸出V0=0，當四橋臂的應變片受力變化后，輸出變?yōu)椋篤0=kE3.2.3 差動輸入和調理放大電路的設計 圖9 差動輸入模塊和調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行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求。我們選擇兩個運放組成的差動輸入模塊，該電路具有共模抑制比高和調節(jié)方便的特點，從差動放大電路

19、輸出地信號送調理濾波電路進一步放大和調理，可以將微弱的壓力信號放大到滿足A/D轉換的要求。采用20kg量程的傳感器，在空載時，可設定調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1LSB變化量，對應電壓變化值為0.02mV。3.2.4 ADC1210與單片機接口電路 圖10 ADC1210與單片機連接圖3.2.5 數(shù)碼顯示電路的設計 圖 11 數(shù)碼顯示電路4 設計整體圖 圖12 整體電路圖5 單片機程序流程圖 初始化參數(shù) 設定時器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關中斷設置測量值顯示標志初始化顯示09完否？重置定時初值顯示重量測量值 N 是在測量值顯示狀態(tài)哦嗎？ N Y置初值顯示結束標志初始化顯示09完否？ N調用稱重測量轉換子程序 Y中斷返回圖15 中斷服務子程序流程圖開始 清測量值暫存單元存放內容轉存到顯示緩沖區(qū)求10次測量值的平均值設測量值次數(shù)（10次）啟動A/D轉換將測量值轉換成稱重值 （十六進制數(shù)）讀取測量值稱重值轉換為十進制數(shù)存放測量值累加測量次數(shù)到否？子程序返回 圖16 壓力測量轉換子程序流程圖6 誤差分析與改進措施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缺陷。2) 手動調節(jié)電路采用電阻式調節(jié)，簡單易行。7 總結與體會在本次設計的過程中，我發(fā)現(xiàn)很多問題，給我的感覺很簡單，但實際上很難 ，看似很簡單的電路，要動手把他給設計出來，是很難的一件事，主要原因是我沒有經(jīng)常動手設計過電路，還有資料的查找也是一大難題，這就要求在以后的學習中，應該注意到這一點，更重要的是我們要學會把從書本上學到的知識和實際的電路聯(lián)系起來，這不論是對我以后