基于應(yīng)變片的電子秤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛東旭 杜政道

【摘要】本文介紹了一款基于應(yīng)變片的數(shù)字顯示電子秤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作，系統(tǒng)由傳感器檢測(cè)電路、檢測(cè)信號(hào)放大電路、檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和顯示電路組成。該設(shè)計(jì)是為了配合傳感器相關(guān)教學(xué)來(lái)進(jìn)行的，注重系統(tǒng)的模塊化和輸入輸出的相對(duì)獨(dú)立性。文中重點(diǎn)介紹了應(yīng)變片傳感器的制作過(guò)程和要點(diǎn)，以及針對(duì)應(yīng)變片傳感器的電路調(diào)試的步驟和要領(lǐng)。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)變片;稱(chēng)重傳感器;信號(hào)整理;A/D轉(zhuǎn)換

Abstract：A strain-gauge-based electronic scale experimental system is introduced which is composed of sensor detecting circuit，signal amplifying and conditioning， signal converting and MCU with a LCD displaying modules.The aim of this design is to practice the project-oriented teaching section of strain-gauge sensor.The system is set into several modules with I/Os to enhance the practicing and understanding. The steps and key points to work out a weighting sensor with strain-gauges and load cell are emphasized.

Keywords：Strain Gauge;Weighting Sensor;Signal Conditioning;A/D Converting

為了配合面向電子信息工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的《傳感器技術(shù)與測(cè)控》課程關(guān)于應(yīng)變片傳感器的項(xiàng)目式教學(xué)，設(shè)計(jì)了這個(gè)利用基于應(yīng)變計(jì)的稱(chēng)重傳感器構(gòu)成的數(shù)字顯示電子秤原型系統(tǒng)。

系統(tǒng)按照傳感與檢測(cè)系統(tǒng)的劃分方法，分為傳感器、傳感信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集、信號(hào)數(shù)據(jù)處理及顯示幾個(gè)部分，幫助學(xué)生加深對(duì)傳感器和處理系統(tǒng)的領(lǐng)會(huì)和理解。

電路由傳感器檢測(cè)電路、檢測(cè)信號(hào)放大電路、檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和顯示電路組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

其中，①電阻應(yīng)變式傳感器由4只構(gòu)成電橋電路的應(yīng)變計(jì)組成的構(gòu)成稱(chēng)重傳感器，完成將壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào);②差動(dòng)放大電路由較為成熟的由運(yùn)算放大器構(gòu)成的測(cè)量放大器（也稱(chēng)為儀表放大器）實(shí)現(xiàn);③A/D轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)單地由一個(gè)8位并行A/D轉(zhuǎn)換芯片來(lái)完成，便于調(diào)試和掌握該芯片的應(yīng)用;④單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制;⑤鍵盤(pán)由4x4矩陣鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)，利于學(xué)習(xí)者掌握鍵盤(pán)掃描的原理和實(shí)現(xiàn);⑥LCD顯示由LCD12864模塊實(shí)現(xiàn)。

1.稱(chēng)重傳感器的制作

稱(chēng)重傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變式傳感器，它是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的結(jié)構(gòu)型傳感器。以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，可用下式表示：

（1）

式中：—金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω·cm2/m），S—導(dǎo)體的截面積（cm2），L—導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m）。

為了檢測(cè)應(yīng)變引起的電阻的變化，并將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化以利于信號(hào)采集，應(yīng)變計(jì)通常構(gòu)成如圖2所示的電橋結(jié)構(gòu)，并按照行業(yè)常規(guī)進(jìn)行分顏色引線。

圖2 電阻式應(yīng)變傳感器構(gòu)成電橋電路

對(duì)于圖3中的電子秤結(jié)構(gòu)示意圖，需要通過(guò)其核心的彈性懸臂結(jié)合應(yīng)變計(jì)電路完成受力-即重量-的測(cè)量。這里，應(yīng)變計(jì)的裝貼是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

圖3 電子秤結(jié)構(gòu)示意圖

稱(chēng)重傳感器的制作包括一下幾個(gè)環(huán)節(jié)：1）設(shè)計(jì)和制作彈性懸臂。為了加強(qiáng)固定承重塊和增加其的應(yīng)變性，懸臂被設(shè)計(jì)成中間帶孔洞的啞鈴形，如圖3中所示。2）選擇電阻應(yīng)變片。對(duì)應(yīng)變片的電阻值和精度進(jìn)行測(cè)量選擇，并選用合適尺寸的應(yīng)變片。這里選用的是阻值為350Ω的BF350型應(yīng)變片。3）處理懸臂試件表面。去除油污銹跡等，并進(jìn)行45°交叉紋打磨，并清潔。4）定位應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。應(yīng)變片粘貼的位置及方向均對(duì)應(yīng)變測(cè)量有非常大的影響，必須準(zhǔn)確地粘貼在試件的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)上，并保證方向與應(yīng)變方向一致。5）粘貼應(yīng)變片。分清應(yīng)變片的正反，上膠粘貼，注意如圖4所示的定位對(duì)準(zhǔn)。粘貼時(shí)用手進(jìn)行滾壓趕出氣泡并檢查是否貼合飽滿。貼好后檢查是否有短路、斷路等現(xiàn)象。6）連接引線。應(yīng)變片引線較細(xì)，必要時(shí)可配接接線柱。引線焊接時(shí)要快捷，免傷及應(yīng)變片。注意檢查引線是否與懸臂試件絕緣，且無(wú)斷路。導(dǎo)線的最終引出用不同的顏色來(lái)表示，如圖2和圖5所示。7）進(jìn)行保護(hù)和防潮處理。用硅膠或環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)試件表面進(jìn)行貼敷，面積可適當(dāng)擴(kuò)大，覆蓋應(yīng)變片及其引線。

圖4 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的定位及應(yīng)變片的粘貼

圖5 懸臂應(yīng)變片粘貼及引線顏色示意圖

2.信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理

從電橋電路可以看出，稱(chēng)重傳感器輸出的是兩路浮地的電壓信號(hào)，適合使用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大和調(diào)理。這里選用的是LM741構(gòu)成的測(cè)量放大器電路。LM741電壓適應(yīng)范圍較寬，可在±5～±18V范圍內(nèi)選用，且具有很高的輸入共模、差模電壓。內(nèi)含頻率補(bǔ)償和過(guò)載、短路保護(hù)電路，可通過(guò)外接電位器進(jìn)行調(diào)零。這樣電路具有交、直流共模抑制大失真小等優(yōu)點(diǎn)，且便于信號(hào)的調(diào)零、平衡等處理和調(diào)整。測(cè)量放大器電路如圖6所示。

圖6 測(cè)量放大器電路圖

3.信號(hào)轉(zhuǎn)換

檢測(cè)信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理后，由A/D變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送至由STC89S52構(gòu)成的計(jì)算處理部件進(jìn)行采集、處理和顯示。為了便于在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行調(diào)試和講解，選用了較為簡(jiǎn)捷的并行輸出A/D變換器ADC0804來(lái)完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換。ADC0804是一個(gè)8位、單通道、低價(jià)A/D轉(zhuǎn)換器，主要特點(diǎn)是：模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間大約100us、方便的TTL或CMOS標(biāo)準(zhǔn)接口、可滿足差分電壓輸入、具有參考電壓輸入端、內(nèi)含時(shí)鐘發(fā)生器、單電源工作時(shí)（0V_5V）輸入信號(hào)電壓范圍是0V_5V、不需要調(diào)零等。

利用ADC0804和單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路如圖7所示。

圖7 ADC0804和單片機(jī)連接的電路圖

使用過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)節(jié)Vref/2所連接的電位器來(lái)調(diào)節(jié)稱(chēng)重傳感器以及放大整理電路的零點(diǎn)。由于電子秤的信號(hào)變化是單向的，因此應(yīng)將未承重時(shí)放大與整理電路的輸出調(diào)到-2.5V，ADC0804的Vref/2設(shè)為0V，稱(chēng)重時(shí)輸出電壓上升，A/D轉(zhuǎn)換可以獲得28=256的動(dòng)態(tài)范圍。

4.計(jì)算處理及顯示

計(jì)算處理的部件由單片機(jī)STC89S52來(lái)實(shí)現(xiàn)，承擔(dān)著采集A/D變換輸出數(shù)據(jù)、掃描鍵盤(pán)輸入、輸出顯示數(shù)據(jù)、完成設(shè)定單價(jià)及計(jì)算金額等電子秤功能。另外，在系統(tǒng)硬件標(biāo)定的基礎(chǔ)上，也可通過(guò)這一部分來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的非線性擬合、誤差補(bǔ)償以及清零等功能。

電路設(shè)計(jì)上，單片機(jī)與周?chē)考倪B接及端口分配情況如圖8所示。

圖8 單片機(jī)布局和端口使用示意圖

其中，鍵盤(pán)采用了定制的4x4矩陣薄膜鍵盤(pán)模塊，采用了CM12864-12液晶模塊，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的接口。

5.軟件

系統(tǒng)軟件使用Keil μVision V4編寫(xiě)和調(diào)試。軟件流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)軟件狀態(tài)分為常規(guī)顯示、稱(chēng)重顯示、設(shè)定單價(jià)、標(biāo)校幾個(gè)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)鍵盤(pán)事件的處理進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

6.結(jié)語(yǔ)

上述數(shù)字顯示電子秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成了基本的稱(chēng)重和顯示功能。在實(shí)際的應(yīng)用中，還需要考慮幾個(gè)工程和工藝的問(wèn)題。

6.1 溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響

不論是試件還是應(yīng)變片傳感器，在溫度發(fā)生變化的時(shí)候，會(huì)發(fā)生線膨脹，都會(huì)產(chǎn)生性能的變化。要實(shí)現(xiàn)高精度稱(chēng)重測(cè)量，必須對(duì)其溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袘?yīng)變片自補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ褪沁x用特定的敏感柵材料，使其電阻溫度系數(shù)、靈敏系數(shù)以及線膨脹系數(shù)在溫度變化時(shí)，能夠使電阻的變化率為0，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。在非全臂測(cè)量電橋的情況下，也可以采用線路補(bǔ)償法。

6.2 引線過(guò)長(zhǎng)時(shí)進(jìn)行導(dǎo)線電阻補(bǔ)償

非全橋檢測(cè)電路的情況下，如果稱(chēng)重傳感器導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)，則需要對(duì)長(zhǎng)導(dǎo)線電阻引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，通常用三線制或四線制的連接方法來(lái)完成。

6.3 測(cè)量誤差的校正和補(bǔ)償

應(yīng)變片構(gòu)成稱(chēng)重傳感器，從原理、材料、制作工藝和溫度影響的情況下，會(huì)存在一定的非線性特性，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差，對(duì)這個(gè)誤差的校正和補(bǔ)償是高精度稱(chēng)重系統(tǒng)必不可少的內(nèi)容。一種方法是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)稱(chēng)，再利用系統(tǒng)的可編程部分進(jìn)行擬合校正和補(bǔ)償。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：葛東旭（1965—），男，碩士，高級(jí)工程師，副教授，現(xiàn)供職于職應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，承擔(dān)電子信息工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)、通信專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)和信息管理與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)和科研工作;指導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)和江蘇省電子類(lèi)技能競(jìng)賽，多次獲獎(jiǎng)，研究方向：電子工程。