实用电子秤的设计与制作

实用电子秤的设计与制作

一、 课程设计任务

1．设计框图

利用传感器与检测技术实验室已有的应变式称重台，将四片应变片采用全桥形式接入测量电路，经过运放OP07组成的仪表放大器放大，再由串行模数转换芯片TLC2543进行A/D转换，转换结果送入单片机STC12C5A60S2，通过74LS244驱动四位数码管显示。仪表放大器的输出需经采集卡采集，经过虚拟仪器软件分析，得到较好的线性度和灵敏度后，才能再送入AD芯片进行转换。系统框图如图1所示。

图1 电子秤系统框图

2．基本要求

(1) 掌握金属箔式应变片的应变效应。

(2) 掌握单臂、半桥和全桥电路的工作原理和性能。

(3) 利用multisim仿真软件，确定仪表放大器设计方案；应用运放OP07设计三

运放仪表放大器，确定电路元器件具体参数；在通用板上制作电路板。 (4) 仪表放大器增益可调，放大倍数自行确定；应变电桥和放大电路应具有调零

功能。

(5) 能够利用C51单片机编写正确程序，调试电路板，采集放大器的输出电压，

并显示。

(6) 考虑A/D分辨率为20mV，要求灵敏度不低于40mV/20g。

(7) 利用虚拟仪器采集测量电路的输出电压至电脑中，并分析数据。要求非线性

误差小于1.50%。

二、 设计总体要求

1．认真阅读本设计任务书，了解本设计的任务和要求。

2．认真复习《传感器与检测技术》和《单片机原理与应用》课程中有关应变式传感器和A/D转换、数码管显示的有关内容。 3．适当查阅一些与设计有关的参考资料，鼓励同学创新。

4．利用protues7.1画出系统完整电路图，包括仪表放大器和单片机系统两大部分。

5．特别要注意焊接装配的质量，认真搞好焊接装配工艺，焊接完毕后一定要细心检查有无错误、错焊元件、焊接点与接地点短路等。在焊接装配完成后，要认真检查部件的焊接情况，在与电路图反复对照确属无误后，方可接上直流电源，特别要注意电源接法。

6．精心调测，尽量得到较高的灵敏度和较低的非线性误差。

7．认真地写出设计报告，要做到理论与实际相结合，通过设计中的计算、装配、调测，巩固理论，验证理论，书写设计报告是一个从感性认识向理性认识发展的过程，也时考察同学们在本设计中有无收获以及收获大小的标志。

三、 采用应变片称重的基本原理

电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转换成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。其主要缺点是输出信号小、线性范围窄,而且动态响应较差。但由于应变片的体积小,商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中仍有非常广泛的应用。

应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。

当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化ΔR/R。在一定应变范围内ΔR/R与ε的关系满足下式：

?R?K?R

式中，ε为应变片的轴向应变。

定义K=(ΔR/R)/ε为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化ΔR/R与其单向应力引起的试件表面轴向应变ε之比。

电阻应变片计把机械应变转换成ΔR/R后，应变电阻变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120Ω，灵敏系数K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000μ，应变电阻相对变化量为：

ΔR/R = K*ε= 2*1000*10ˉ6 =0.002

可以看出电阻变化只有120*0.002=0.24Ω，其电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变片计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化。通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。

若将电桥四臂接入四片应变片，如图2所示，即两个受拉应变，两个受压应

变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。

在接入四片应变片时，需满足以下条件：相邻桥臂应变片应变状态应相反，相对桥臂应变片应变状态应相同。可简称为：“相邻相反，相对相同”。 此时

Uo?E(R??R)E(R??R)?R??E2R2RR

全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度 图2 全桥电路 为单片工作时的4倍，同时具有温度补偿作用。

除上述全桥电路外，还有单臂和半桥电路两种。单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；当E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。本次实训采用全桥电路。电桥供电电源为5V。

四、 测量电路的设计

1．仪表放大器的工作原理

由于传感器的输出信号往往较小，必须经过放大电路进行调理放大，再进行测量。常用的放大电路可以由单运放放大器、双运放放大器、三运放放大器或直接由集成仪表放大器（如AD620、AD623）等构成。下面以三运放构成的仪表放大器为例说明仪表放大器的工作原理及性能指标，运算放大器选择高精度运放OP07。

1）基本电路及放大原理 V1OP1R4R2V1'V2'R3VoR3R4OP3R1R2V2OP2图3 三运放电路原理图 如上图，由运算放大器特性可知 OP1： OP2：

由分压原理可得

V1?V1'?V2?V2'?R2(V2?V1')R1?R2 R2(V1?V2')R1?R2 R2R)V1?2V2R1R1

故

V1'?(1?R2R)V2?2V1R1R1

由于放大器OP3为差值放大器，可知

V2'?(1?V0?R4(V2'?V1')R3

所以其差值放大倍数为

V0R2R?4(1?2)V2?V1R3R1

当要改变增益时，仅须调整可变电阻R1即可。

gain?2．集成运算放大器OP-07

OP-07有A、D、C、E各档，它是高精度运算放大器，具有极低的失调电压（10μV）和偏置电流（0.7nA），它的温漂系数为0.5μV/℃，OP-07具有较高的共模输入范围（±14V），共模抑制比CMRR=126dB，以及极宽的供电电流范围（从±3V到±18V），双电源供电。AD OP-07的封装、管脚排列以及基本连接方式如下图所示，OP07一般不需要调零，如需调零，可在1和8管脚之间接一个电位器，阻值可为20k，参见基本接法图。

图5 AD OP-07封装图

调零 1 8 -IN 调零

+Vs

Vin R1 2 3 R2 2 7 +IN 3 6 OUT

-Vs R3 1 +15V 7 6 8 Vout

4

-15V 管脚功能图 基本接法 20k 图6 运算放大器引脚图 5 NC

4 +15V 3．参考电路

图7是压力传感器的测量电路，由两个部分组成。前一部分是采用三个运放构成的仪表放大器，后面的放大器将仪表放大器的输出电压进一步放大。R28是电桥的调零电阻，R42是整个放大电路的调零电阻，R29，R40调整运放增益。仪表放大器因为输入阻抗高，共模抑制能力好而作为电桥的接口电路。其增益可用下式表示：

2R30A＝（1+R29）