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1、检测技术课程设计题目：基于应变片的电子秤设计1、 背景介绍质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科技发展的必然规律。低成本、高智能的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，衡器技术在不断进步和提高。从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤电子秤是日常生活中常用的衡量器件，广泛应用于超市、大中型商场。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具
2、。相比于传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点。我们所要研究的任务是：基于应变片的电子秤设计， 称重范围010Kg,满量程量误差不大于0.005Kg，同时具有自动去皮计算物重，并能计价，具有键盘、显示功能。2、 方案设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。我们的设计原则是：采用模块化的设计方法，各模块、部分也尽量应用集成芯片，这
3、样及保证了精度有可使设计简单化。按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。电子秤模块设计图2.1、 传感器的选择传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量
4、与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。传感器动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传
5、感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 目前对于压力测量的传感器件大致有：压电传感器、电容传感器、电阻应变片传感器等下面对传感器的选取进行论证2.1.1 压电传感器压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。所以不适合作为电子秤的敏感原件。2.1.
6、2 电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素：（1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。因C太小，故容抗=1/C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率P=C ，C很小，则P也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。所以电容式传感器也 不适
7、合作为电子秤的敏感原件2.1.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。应变片式传感器有如下特点：（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。（3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。通过以上几种传感器对比分析，最终选择电阻应变
8、片式传感器。2.2、 设计分析2.2.1 应变片的测量电路电阻应变片把机械应变信号转换为R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。下图为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源E：当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。当忽略电源的内阻时，由分压原理有：= （2.2）当满足条件R1R3=R2R4时，即（2.3）=0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡条件。应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变
9、所引起的电阻变化有关。若差动工作，即R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（2.2），则电桥输出为 题目要求称重范围010Kg,满量程量误差不大于0.005Kg，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重5Kg。我们选择的是电阻应变片压力传感器，量程为10Kg，精度为0.01% ，满足本系统的精度要求。2.2.2 前级放大器部分 采用专用仪表放大器，如：AD620，INA126等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。如AD620,接口如下图所示：AD620仪表放大结构图电
10、路的工作原理：A1，A2工作在负反馈状态，其反相输入端的电压与同相输入端的电压相等。即RG两端的电压分别为VIN+,VIN-。因此Ig=Vin+-Vin-/RG设电阻R1=R2=R，则A1，A2两输出端的电压差为U12= Ig（R1+R2+Rg） =(Vin+-Vin-)(1+2R/Rg)比较两式可得：VO=-U12=-(Vin+-Vin-)(1+2R/Rg)则放大器的增益Av为Av=Uo/(Vin+-Vin-) =-(1+2R/Rg)可见，仅需要调整一个电阻Rg就可以方便的调整放大器的增益，由于整个电路对称，调整时不会造成共模抑制比的降低。在接口图中，通过改变可变电阻R3的阻值，来改变放大器
11、的增益，放大器的计算公式如下：G=49.4K/R3+1AD620具有体积小，功耗低，精度高，噪声低，和输入偏置电流偏低的特点。其最大输入偏置电流为20nA，这一参数反应了他的高输入阻抗。AD620在外接电阻R0时，可实现1到1000内的任意增益，工作电源范围为+-2.3到+-18V，最大电源电流为1.3mA，最大输入失调电压为125uV，频带宽度为120Khz（在G=120）2.2.3 A/D转换模块 A/D转换器选用的原则：1、A/D 转换器的位数。A/D 转换器决定分辨率的高低。在系统中，A/D 转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。2、A/D 转换器的转换速率。不同类型的A/D
12、转换器的转换速率大不相同。积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速A/D 转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速A/D 转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。3、是否加采样/保持器。4、A/D 转换器的有关量程引脚。有的A/D 转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。5、A/D 转换器的启动转换和转换结束。一般A/D 转换器可由外部控制信号启动转换，这一启动信号可由CPU提供。转换结束后A/D 转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平。通知微处理器读取转换结果。6、A/D 转
13、换器的晶闸管现象。其现象是在正常使用时，A/D 转换器芯片电流骤增，时间一长就会烧坏芯片。为防止这种现象，可采取如下措施：（1）加强抗干扰措施，尽量避免较大的干扰电流进入电路；（2）加强电源稳压滤波措施， 在A/D 转换器电源入口处加退耦滤波电路，为防止窄脉冲波窜入在电解电容上再接一高频滤波电容；（3）在A/D 转换器的电源端接一限流电阻，可在出现晶闸管现象时，有效地把电流限定在允许范围内，以防止烧坏器件。选择A/D 转换器除考虑上述要点外，为防止对A/D 转换器的技术指标的影响，还要注意以下几个问题：（1）工作电源电压是否稳定；（2）外接时钟信号的频率是否合适；（3）工作环境温度是否符合器件
14、要求；（4）与其它器件是否匹配；（5）外接是否有强的电磁干扰；（6）印刷线路板布线是否合理。由上面对传感器量程和精度的分析可知：A/D转换器误差应在3g以下。12位A/D精度：10Kg/4096=2.44g；14位A/D精度：10Kg/16384=0.61g；考虑到其他部分所带来的干扰，12位的A/D转换器无法满足要求。所以我们需要选择14位或者精度更高的A/D转换器。方案一 逐次逼近式A/D转换器，如：ADC0809等。 逐次逼近型A/D转换，一般具有采样/保持功能。采样频率高，功率比较低，是理想的高速、高精度、省电型A/D转换器件高精度逐次逼近型A/D转换器一般都带有内部基准和内部时钟，基
15、于51系列单片机结构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。但考虑到所转换的信号为一慢变信号，逐次逼近型A/D转换器的快速的优点不能很好的发挥，且根据系统的要求，14位A/D足以满足精度要求，太高的精度反而浪费了系统资源。所以此方案并不是理想的选择。方案二 双积分型A/D转换器：如：ICL7135、ICL7109等。双积分型ADC是间接型A/D转换器，其基本原理是首先对未知的输入电压进行固定时间的积分，然后转向对标准电压进行反向积分至积分输出电压为零（返回起始值），则标准电压的时间正比于输入电压。输入电压越大，反向积分时间越长。用高频率时钟脉冲来测量标准积分时间，即可得到输入电压对应的数字代码。双积分型A/D转换器虽然速度较慢，但转换精度高（如：ICL7135），具有精确的差分输入。其输出阻抗高，可自动调零，具有超量程信号，全部输出与TTL电平兼容。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力特强，对高于工频干扰（例如噪声电压）也具有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，
