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1、_称重传感器放大显示电路设计（摘要）【摘要】电阻应变式传感器具有测量范围广、精度高、误差小和线性度好等优点，且能在恶劣环境下工作，在力、压力和重量测试中有非常广泛的应用，力传感器具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。所以电阻应变式力传感器制作的数显电子秤具有准确度高易于制作，简单实用、成本低廉、体积小巧、携带方便等特点。 本课题从数显电子秤的要求分析入手，将整个系统分成五个部分，分析和讨论各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。详细讨论了系统的各种工作情况及信号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工作情况下的工作状态。数显电子秤根据弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹
2、性形变，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变变形后，他的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），将电信号通过数码显示器显示出来，从而完成了将外力变换为电信号的过程。关键词：称重传感器、电阻应变计、精度、单片机1 引言现代社会的发展对其称重技术提出了更高的要求。目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。目前国际化的趋势是电子秤向小型化，模块化，集体化，智能化，其技术性能趋向于速率高，准确度高，稳定性高，可靠性高等，其功能趋向是称重计
3、量的控制信息和非控制信息并重的智能化电子秤。多年来，人们一直期待测量准确、价格低廉的在工业发展中起到巨大作用的电子秤投放市场。传感器技术是现代技术的前沿技术，是制造业自动化和信息化的基础。随着工业自动化、信息化的发展，以往称重传感器的灵敏度、准确度渐渐跟不上时代的发展，所以称重行业急需一种能够在称重过程中准确计量，具有极高的灵敏度，较强的环境适应能力，以及比以往传感器更长的使用寿命。通过试验和创新电阻应变式传感器具有以上特点！利用电阻应变式力传感器制作的数显电子秤，具有测量范围广、精度高、误差小和线性特性好等优点，且能在恶劣环境下工作，在重量测量中有非常广泛的应用，易于制作，简单实用、成本低廉
4、、体积小巧、携带方便等特点。所以这种电子秤因为市场的需要具有很大的发展，上升和推广空间。2 方案论证 首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，该重量信号通过差动输入和调理放大电路后，以模拟信号的方式传送到A/D转换器。其次，由A/D转换电路把模拟信号转换成数字信号送给单片机，经单片机出来的信号传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。3 基础知识 3.1 芯片的原理及应用3.1.1 电阻应变片简介电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化
5、（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述： 一、电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。 设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作，这种材料的泊松系数是。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R： R = L/S（） （21） 当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是
6、说产生变形。设其伸长L，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少r。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作。 对式（2-1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有： 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，我们知道导线的横截面积S = r2，则 s = 2r*r，所以 S/S = 2r/r （24） 从材料力学我们知道 r/r = -L/L （25） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。是表示材料横向效应泊松系数。把式（24）（25）代入（2-3
7、），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）说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。 需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.73.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。 在材料力学中L/L称作为应变，记作，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便 常常把它的百万分之一作为单位，记作。这样，式（-）常写作：
8、 R/R = K (28) 二、弹性体 弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务。 以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。 设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。 肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导
9、。 = （3Q（1+）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2-9） 其中：Q-截面上的剪力；E-扬氏模量：泊松系数；B、b、H、h为梁的几何尺寸。 需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。 三、检测电路 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。 因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用
10、全桥式等臂电桥。 3.1.2 ADC1210简介图1 ADC1210引脚图ADC1210芯片有24条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。 2-12-12：12位数字量输出端。 START： AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使1210复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+
11、）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 3.1.3 MCS-8031简介 图2 MCS-8031引脚图40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。 电源: VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端； 注：用万用表测试单片机引脚电压一般为0v或者5v，这是标准的TTL电平。但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0v-5v之间，其实这是万用表的响应速度没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电压仍保持在0v或者5v。 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体反相输入端和输出端。 控制线:控制线共有4根， ALE/P
12、ROG:允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 I/O线 80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。 P3口还具有第二功能，用
13、于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线） 5. P3口第二功能 P30 RXD 串行输入口 P31 TXD 串行输出口 P32 INT0 外部中断0（低电平有效） P33 INT1 外部中断1（低电平有效） P34 T0 定时计数器0 P35 T1 定时计数器1 P36 WR 外部数据存储器写选通（低电平有效） P37 RD 外部数据存储器读选通（低电平有效）3.1.4 NE5534简介 图3 NE5534引脚图IN-为反相输入端，IN+为同相输入端；OUT为输出端；Balance为平衡输入端，主要作用是是内部电路的差动放大器处于平衡状态；COMp/Bal的作用为，通过调节外接电阻，已达到改
14、善放大器的性能和输出电压；Vcc-和Vcc+为正负电源提供；IN-为反相输入端，IN+为同相输入端；OUT为输出端；Balance为平衡输入端，主要作用是是内部电路的差动放大器处于平衡状态；COMp/Bal的作用为，通过调节外接电阻，已达到改善放大器的性能和输出电压；Vcc-和Vcc+为正负电源提供；3.1.5 CD4511简介 图4 CD4511引脚图CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。CD4511 引 脚 图其功能介绍如下：
15、 BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。 3.1.6 74LS3
16、73简介373为三态输出的八 D 透明锁存器。 图5 74LS373引脚图 373 的输出端 O0O7 可直接与总线相连。 当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。 引出端符号： D0D7 数据输入端 OE 三态允许控制端（低电平有效） LE 锁存允许端 O0
17、O7 输出端 3.1.7 74LS244简介 图6 74LS244引脚图74LS244是8路3态缓冲驱动,也叫做线驱动或者总线驱动门电路。简单地说，它有8个输入端，8个输出端。引脚定义如下：引脚 功能1-1G 1Y1-1Y4输出控制，低电平有效，高电平高阻2-1A1 输入端，对应的输出为1Y13-2Y4 输出端，对应的输入为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输出控制端20-VCC 电源正3.2电路设计原理
18、传感器与测量电3.2.1 总的电路框图显示电路单片机A/D转换差动输入和调理放大电路 图7 总的电路框图3.2.2 传感器测量电路的设计 图8 传感器电桥测量原理电路图当电桥平衡时，R1=R2=R3=R4=R，此时电桥的输出V0=0，当四桥臂的应变片受力变化后，输出变为：V0=kE3.2.3 差动输入和调理放大电路的设计 图9 差动输入模块和调理放大电路从传感器测量电路出来的模拟信号很微弱，必须通过放大器电路对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求。我们选择两个运放组成的差动输入模块，该电路具有共模抑制比高和调节方便的特点，从差动放大电路输出地信号送调理滤波电路进一步放
19、大和调理，可以将微弱的压力信号放大到满足A/D转换的要求。采用20kg量程的传感器，在空载时，可设定调理放大电路输出模拟量为0V，若压力为20kg，输出模拟量为4.0V，则平均每10g对应1LSB变化量，对应电压变化值为0.02mV。3.2.4 ADC1210与单片机接口电路 图10 ADC1210与单片机连接图3.2.5 数码显示电路的设计 图 11 数码显示电路4 设计整体图 图12 整体电路图5 单片机程序流程图 初始化参数 设定时器0工作方式 开中断初始显示09完否？N开始等待中断图13 主程序流程图初始化处理初始化程序入口置高P1.1，置低1.3延迟10ms，初始化IC置高1.3，置
20、低P1.1延迟10ms初始化总线结束初始化程序图14 初始化子程序流程图开始继续初始化显示09关中断设置测量值显示标志初始化显示09完否？重置定时初值显示重量测量值 N 是在测量值显示状态哦吗？ N Y置初值显示结束标志初始化显示09完否？ N调用称重测量转换子程序 Y中断返回图15 中断服务子程序流程图开始 清测量值暂存单元存放内容转存到显示缓冲区求10次测量值的平均值设测量值次数（10次）启动A/D转换将测量值转换成称重值 （十六进制数）读取测量值称重值转换为十进制数存放测量值累加测量次数到否？子程序返回 图16 压力测量转换子程序流程图6 误差分析与改进措施1) 在传感器测量电路中，如果
21、不用差动式，共模信号将影响准确性，而且温漂的影响也会使电路测量误差很大，采用差动式就可以克服这个缺陷。2) 手动调节电路采用电阻式调节，简单易行。7 总结与体会在本次设计的过程中，我发现很多问题，给我的感觉很简单，但实际上很难 ，看似很简单的电路，要动手把他给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我没有经常动手设计过电路，还有资料的查找也是一大难题，这就要求在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本上学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我以后的学习就业还是学习来说，都会有帮助的。我相信，通过这次的课程设计，对我另外的两个目的有益处的。同时，通过本次课程设计，巩固了我们学
22、习过的专业知识，也是得我把理论与实践从真正意义上结合起来；考验了我借助互联网搜集、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力；从中可以自我检测，认识到自己的欠缺与不足，以便于在日后的学习工作中得以改进和提高。通过使用Protel 99等电子设计软件，也让我了解到计算机辅助设计的方便与快捷。 参考文献1常用传感器应用电路的设计与实践 何希才编著，北京：科学出版社，200762传感器应用电路集萃 卿太金，梁渊，郭明琼编著，北京：中国电力出版社，200843传感器简明手册及应用电路 刘畅生，贾静编著，西安：西安电子科技大学出版社，200754传感器及其应用电路 何希才编著，北京：电子工业出版社，20013
23、5传感器应用电路300例 孙余凯，吴鸣山，项绮明编著，北京：电子工业出版社，200836传感器应用及电路设计 陈书旺，张秀清，董建斌等编，北京：化学工业出版社，200837传感器原理与传感器技术 贾石峰主编，北京：机械工业出版社，200988测控电路 张国雄主编，北京：机械工业出版社，20081 元器件清单电子称重传感器放大显示电路设计名称型号数量备注集成运放NE5555模数转换器ADC12101电阻330欧姆810K6电阻1K4电阻100K3电阻1000K1压力传感器1陶瓷电容1000pF3稳压管VS1单片机MCS-80311数码管4锁存器74LS373174LS2442可编程并行接口82551非门74LS0412或门74LS32217_