傳感器課程設計--稱重傳感器應用電路設計

1、<p>　　課 程 設 計</p><p>　　2012年6 月 25</p><p><b>　　任務書</b></p><p>　　課程 傳感器課程設計</p><p>　　題目 稱重傳感器應用電路設計</p>&

2、lt;p><b>　　主要內(nèi)容：</b></p><p>　　使用稱重傳感器，設計一臺電子稱電路，可稱重5千克，精度10克。</p><p>　　設計開始先查閱相關資料，如元器件資料、方案選擇等，可以使用單片機方案，也可以使用模擬電路方案，設計顯示電路時顯示**.**千克，并有相應的手動校正電路。</p><p><b>　　基

3、本要求：</b></p><p>　　1．設計以測量顯示部分電路為主；</p><p>　　2．要繪制原理框圖；</p><p><b>　　3．繪制原理電路；</b></p><p>　　4．要有必要的計算及元件選擇說明；</p><p><b>　　5．提供元件清單；&l

4、t;/b></p><p>　　6．如果采用單片機，必需繪制軟件流程圖</p><p><b>　　主要參考資料：</b></p><p>　　[1] 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應用[M].電子科技大學出版社,2004</p><p>　　[2] 王琦.電阻應變式稱重傳感器的設計[J].木材加工機械.2005(3

5、)</p><p>　　[3] 繆少勇.淺談稱重傳感器工作原理及故障排除[J].科學之友.2010(14)</p><p>　　[4] 施昌彥.稱重傳感器計量規(guī)程[J].試驗技術與試驗機.1987(4)</p><p>　　[5] 張國維.測控電路[M].機械工業(yè)出版社,2007</p><p>　　完成期限 2012.6.25—2012

6、.6.29 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　專業(yè)負責人 </p><p>　　2012年 6 月 25 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在我們生活中

7、經(jīng)常都需要測量物體的重量，于是就用到秤，但是隨著社會的進步、科學的發(fā)展，我們對其要求操作方便、易于識別。隨著計量技術和電子技術的發(fā)展傳統(tǒng)純機械結構的桿秤、臺秤、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰，電子稱量裝置電子秤、電子天平等以其準確、快速、方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點而受到人們的青睞。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

8、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。</p><p>　　關鍵詞：稱重傳感器、電阻應變計、精度、顯示</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一、設計要求1</b></p><p

9、><b>　　二、方案設計1</b></p><p><b>　　1、方案說明1</b></p><p><b>　　2、方案論證2</b></p><p>　　三、傳感器工作原理2</p><p>　　四、電路的工作原理4</p><p&g

10、t;　　五、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇6</p><p><b>　　1、測量電路6</b></p><p>　　2、差動放大電路7</p><p><b>　　3、A/D轉換8</b></p><p>　　4、顯示電路設計9</p><p>　　5、系統(tǒng)需要

11、的元器件清單10</p><p><b>　　六、總結11</b></p><p>　　稱重傳感器應用電路設計</p><p><b>　　一 、設計要求</b></p><p>　　使用稱重傳感器，設計一臺電子稱電路，可稱重5千克，精度10克。</p><p>　　設計

12、開始先查閱相關資料，如元器件資料、方案選擇等，可以使用單片機方案，也可以使用模擬電路方案，設計顯示電路時顯示**.**千克，并有相應的手動校正電路。</p><p><b>　　二、方案設計</b></p><p><b>　　1、方案說明</b></p><p>　　在設計系統(tǒng)時，針對各個電路模塊實現(xiàn)的功能來設計電子秤的

13、方案有以下兩種：</p><p>　　方案一 模擬電路方案</p><p>　　首先利用由電阻應變式傳感器組成的測量電路測出物質(zhì)的重量信號。其次，由差動放大器電路把傳感器輸出的微弱信號進行一定倍數(shù)的放大，然后送A/D轉換電路中。然后再由A/D轉換電路把接收到的模擬信號轉換成數(shù)字信號，傳送到顯示電路。最后由顯示電路顯示數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設計總體方案框圖如圖1所示。</p><p&

14、gt;　　圖1模擬電路總體系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　方案二 單片機方案</b></p><p>　　按照本設計功能的要求，系統(tǒng)由5個部分組成：控制器部分、信號采集部分、報警部分、數(shù)據(jù)顯示部分、和電路電源部分，系統(tǒng)設計總體方案框圖如圖2所示。 </p><p>　　圖2 單片機總體系統(tǒng)框圖</p><p>　　

15、信號采集部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號，得到微弱的電信號（本設計為電壓信號），而后經(jīng)處理電路（如濾波電路，差動放大電路，）處理后，送A/D轉換器，將模擬量轉化為數(shù)字量輸出?？刂破鞑糠纸邮軄碜訟/D轉換器輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過復雜的運算，將數(shù)字信號轉換為物體的實際重量信號，并將其存儲到存儲單元中?？刂破鬟€可以通過對擴展I/O的控制，對鍵盤進行掃描，而后通過鍵盤散轉程序，對整個系統(tǒng)進行控制。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實現(xiàn)顯示功能。電路電源部分主要

16、是為電路提供穩(wěn)定方便的電源，將工頻電壓直接轉換成所需的±5伏電壓。報警部分只要是在超重時對使用者發(fā)出警告聲。</p><p><b>　　2、方案論證</b></p><p>　　鑒于本電子秤的設計并不太復雜，通過方案比較，由于方案一采用器件較少，成本較低，電路實現(xiàn)簡單，且方案一完全能實現(xiàn)所需功能，所以在具體設計時，采用了第一種設計方案。</p>

17、<p>　　首先利用由電阻應變式傳感器組成的測量電路測出物質(zhì)的重量信號，該重量信號通過差動輸入和調(diào)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)字信號送給數(shù)碼管，最后由顯示電路顯示數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　三、傳感器工作原理</b></p><p>　　傳感器實際上是一種將質(zhì)量信號轉變?yōu)榭蓽y量的電信號

18、輸出的裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境，這點對正確使用傳感器至關重要，它關系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個衡器的可靠性和安全性。因此傳感器外圍電路的抗干擾能力是數(shù)據(jù)采集部分電路設計的關鍵環(huán)節(jié)。</p><p>　　稱重傳感器主要由彈性體、電阻應變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，輸出信號電壓可由式（1）給出： </p><

19、p><b>　　（1）</b></p><p>　　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(chǎn)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(chǎn)生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相0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。</p><p>

20、;　　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。</p><p><b>　　（一）電阻應變片</b></p><p>　　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

21、為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數(shù)是μ。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R：</p><p>　　R = ρL/S（Ω） （2）</p><p>　　當他的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設其伸長ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻

22、率也會有所改變，記作Δρ。</p><p>　　對式（2）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：</p><p>　　ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （3）</p><p>　　用式（2）去除式（3）得到</p><p>　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L –

23、 ΔS/S （4）</p><p>　　另外，我們知道導線的橫截面積S = πr2，則 Δs = 2πr*Δr，所以</p><p>　　ΔS/S = 2Δr/r （5）</p><p><b>　　從材料力學我們知道</b></p><p&

24、gt;　　Δr/r = -μΔL/L （6）</p><p>　　其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應泊松系數(shù)。把式（5）式（6）代入式（4），有</p><p>　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L</p><p>　　=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/

25、L</p><p>　　= K *ΔL/L （7）</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L） （8）</p><p>　　式(7)說明了電阻應變片的

26、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。</p><p>　　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(zhì)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1.7—3.6之間；其次K值是一個無因次量，即它沒有量綱。</p><p>　　在材料力學中ΔL/L稱作為應變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便。常常把它的百

27、萬分之一作為單位，記作με。這樣，式（7）常寫作：</p><p>　　ΔR/R = Kε （9）</p><p><b>　　(二) 彈性體</b></p><p>　　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(chǎn)生反作用力，達到相對靜平衡；其

28、次，它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)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電信號的轉換任務。</p><p><b>　?。ㄈz測電路　　</b></p><p>　　檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變?yōu)殡妷狠敵觥Ｒ驗榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?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

29、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銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。</p><p><b>　　四、電路的工作原理</b></p><p>　　電子秤完整電路圖如下圖3所示，其電路構成主要有測量電路，差動放大電路，A/D轉換，顯示電路。其中測量電路中最主要的元器件就是電阻應變式傳感器。電阻應變式傳感器是

30、傳感器中應用最多的一種，廣泛應用于電子秤以及各種新型結構的測量裝置。而差動放大電路的作用就是把傳感器輸出的微弱的模擬信號進行一定倍數(shù)的放大，以滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求。A/D轉換的作用是把模擬信號轉變成數(shù)字信號，進行模數(shù)轉換，然后把數(shù)字信號輸送到顯示電路中去，最后由顯示電路顯示出測量結果。</p><p>　　圖3 電子秤完整電路圖</p><p>　　當電橋平衡時，R1=R2

31、=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=kεE</p><p>　　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(diào)節(jié)方便的特點，從差動放大電路輸出地信號送調(diào)理濾波電路進一步放大和調(diào)理，可以將微弱的壓力信號放大到滿足A/D轉換的要求。

32、</p><p>　　采用5kg量程的傳感器，在空載時，可設定調(diào)理放大電路輸出模擬量為0V，若壓力為5kg，輸出模擬量為200mV，則平均每1g對應1LSB變化量，對應電壓變化值為0.4mV。</p><p>　　五、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇</p><p><b>　　1、測量電路</b></p><p>　　

33、電阻應變片可直接粘貼在被測量的受力構件上，測量應力、應變。然而要測量其他被測量（如力、壓力、加速度等），就要先將這些被測量轉換成應變，然后再用應變片進行測量，比直接測量多了一個轉換過程，完成這種轉換的原件彈性敏感原件。由彈性敏感元件和應變片，以及一些附件（補償元件，殼體等）便組成各種電阻應變式傳感器。 </p><p>　　電阻應變片的電阻變化范圍為0.0005—0.1歐姆。所以測量電路應當能精確測量出很

34、小的電阻變化，在電阻應變傳感器中常用的是橋式測量電路。 橋式測量電路有四個電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓E，另一個對角線為輸出電壓Uo。其特點是：當四個橋臂電阻達到相應的關系時，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計來測量，所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。 測量電橋如圖4。</p><p>　　圖4 傳感器的測量電路 </p><p>　　它

35、由箔式電阻應變片電阻R1、R2、R3、R4組成測量電橋，R1、R2、R3、R4 為特性相同的應變片,且有R1=R2=R3=R4=R，測量電橋的電源由穩(wěn)壓電源E供給。物體的重量不同，電橋不平衡程度不同，指針式電表指示的數(shù)值也不同。滑動式線性可變電阻器RP1作為物體重量彈性應變的傳感器，組成調(diào)零電路，當載荷為0時，調(diào)節(jié)RP1使數(shù)碼顯示屏顯示零。其輸出電壓為：</p><p>　　U= (ΔR/R-ΔR/R-ΔR/R

36、+ΔR/R) （10）</p><p>　　ΔR=ΔR=ΔR，ΔR=ΔR=-ΔR （11）</p><p><b>　　則有</b></p><p>　　U= *4*ΔR/R=Ekε （12）</p><p><b>　　2、

37、差動放大電路</b></p><p>　　圖5 差動放大電路

38、</p><p>　　差動放大電路是由比較器A1、A2組成的，其工作原理：在許多需要用A/D轉換和數(shù)字采集的單片機系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表儀器放大器的選型很多，我們這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器LM358，廣泛應用于工業(yè)自動控制、儀器儀表、電氣測量

39、等數(shù)字采集的系統(tǒng)中。本設計中差動放大電路結構圖如圖5</p><p><b>　　推導過程：</b></p><p>　　I = (V-V)/R （13）</p><p>　　V = (R81+R7+R82)I</p><p>　　= (1+)I

40、 （14）</p><p><b>　　則有 </b></p><p>　　A=1+=13 （15）</p><p><b>　　3、A/D轉換</b></p><p>　　A/D轉換的作用是進行模數(shù)轉換，把接收到的模擬信號轉換成數(shù)字

41、信號輸出。在選擇A/D轉換時，先要確定A/D轉換的位數(shù)，該設計運用的是雙積分式A/D轉換器ICL7106，A/D轉換誤的位數(shù)確定與整個測量控制系統(tǒng)所需測量控制的范圍和精度有關，系統(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)很多，包括傳感器的變換精度，信號預處理電路精度A/D轉換器以及輸出電路等。</p><p>　　3.1 ICL7106雙積分型的A／D轉換器的特點</p><p>　　a.直接輸出7段譯碼信號

42、</p><p>　　b.7106直接驅動LED</p><p>　　c.位十進制A/D轉換器 </p><p><b>　　d.雙積分型電路</b></p><p>　　3.2 雙積分A/D轉換器結構與原理</p><p>　　ICL7106的性能特點：＋7V～＋15V單電源供電，可選9V疊層

43、電池，有助于實現(xiàn)儀表的小型化。低功耗（約16mW），一節(jié)9V疊層電池能連續(xù)工作200小時或間斷使用半年左右。 輸入阻抗高（1010Ω）。內(nèi)設時鐘電路、＋2.8V基準電壓源、異或門輸出電路，能直接驅動3½位LED顯示器。 屬于雙積分式A/D轉換器，A/D轉換準確度達±0.05％，轉換速率通常選2次／秒～5次／秒。具有自動調(diào)零、自動判定極性等功能。通過對芯片的功能檢查，可迅速判定其質(zhì)量好壞。 外圍

44、電路簡單，僅需配5只電阻、5只電容和LED顯示器，即可構成一塊DVM。其抗干擾能力強，可靠性高。</p><p>　　ICL7106的工作原理： ICL7106內(nèi)部包括模擬電路和數(shù)字電路兩大部分，二者是互相聯(lián)系的。一方面由控制邏輯產(chǎn)生控制信號，按規(guī)定時序將多路模擬開關接通或斷開，保證A/D 轉換正常進行；另一方面模擬電路中的比較器輸出信號又控制著數(shù)字電路的工作狀態(tài)和顯示結果。</p><p&g

45、t;　　模擬電路：模擬電路由雙積分式A/D轉換器構成。主要包括2.8V基準電壓源（E0）、緩沖器（A1）、積分器（A2）、比較器（A3）和模擬開關等組成。緩沖器A4專門用來提高COM端帶負載的能力，可謂設計數(shù)字多用表的電阻擋、二極管擋和hFE擋提供便利條件。這種轉換器具有轉換準確度高、抗串模干擾能力強、電路簡單、成本低等優(yōu)點，適合做低速模／數(shù)轉換。每個轉換周期分三個階段進行：自動調(diào)零（AZ）、正向積分（INT）、反向積分（DE），并按照

46、AZ→INT→DE→AZ…的順序進行循環(huán)。令計數(shù)脈沖的周期為TCP，每個測量周期共需4000TCP。其中，正向積分時間固定不變，T1＝1000TCP。儀表顯示值</p><p>　　N=* （16）</p><p>　　將T1＝1000TCP，UREF＝100.0mV代入上式得</p><p>　　N＝10UIN

47、或UIN＝0.1N （17）只要把小數(shù)點定在十位上，即可直讀結果。滿量程時N＝2000，此時UM＝2UREF＝200mV，儀表顯示超量程符號“1”。</p><p><b>　　4、顯示電路設計</b></p><p>　　欲測量2V以上的直流電壓，必須利用精密電阻分壓器對UIN進行衰減。積分電阻應采用金屬膜電阻，積分電

48、容宜選絕緣性好、介質(zhì)吸收小的聚苯乙烯電容或聚丙烯電容。</p><p>　　數(shù)字電路：數(shù)字電路主要包括8個單元：①時鐘振蕩器；②分頻器；③計數(shù)器；④鎖存器；⑤譯碼器；⑥異或門相位驅動器；⑦控制邏輯；⑧LED顯示器。時鐘振蕩器由ICL7106內(nèi)部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C組成。若取R＝120kΩ，C＝100PF，則f0＝40kHz。f0經(jīng)過4分頻后得到計數(shù)頻率fCP＝10kHz，即TCP＝0.1ms。此

49、時測量周期T＝16000T0＝4000TCP＝0.4s，測量速率為2.5次／秒。f0還經(jīng)過800分頻，得到50Hz方波電壓，接LED的背電極BP。LED須采用交流驅動方式，當筆段電極a～g與背電極BP呈等電位時不顯示，當二者存在一定的相位差時，液晶才顯示。因此，可將兩個頻率與幅度相同而相位相反的方波電壓，分別加至某個筆段引出端與BP端之間，利用二者電位差來驅動該筆段顯示。驅動電路采用異或門。其特點是當兩個輸入端的狀態(tài)相異時（一個為高電平

50、，另一個為低電平），輸出為高電平；反之輸出低電平。7段LED驅動電路如圖所示。圖中，加在a、b、c筆段上的方波電壓與BP端方波電壓的相位相反，存在電位差，使這三段顯示。而d、e、f、g段消隱，故可顯示數(shù)字“7”。顯見，只</p><p>　　ICL7106與數(shù)碼顯示器被設計成一個量程為200mV的電壓表。把差動放大器輸出的電壓信號轉換成數(shù)字信號。便攜式電子手提秤的量程為2kg~5kg，稱重傳感器在5kg時的輸出約

51、為200mV。</p><p>　　5、系統(tǒng)需要的元器件清單</p><p><b>　　表1 元器件清單</b></p><p><b>　　六、總結</b></p><p>　　目前，電子秤正朝著小型化、高精度、智能化方向發(fā)展。ICL7106采用較小的封裝，尺寸很小，所需的外圍器件也很少，滿足

52、了電子秤小型化的需求；其內(nèi)置各種控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，并且可以通過SPI接口方便地控制和讀取這些寄存器，滿足了電子秤智能化的需求。因此ICL7106是電子秤中模數(shù)轉換器的想選擇。</p><p>　　在電子技術的課程設計中，我花了大量的時間和精力進行資料查閱和方案論證，結合自己所學，認真解決每一個功能模塊中遇到的問題．有時，為了解決一個具體問題，竟到了絞盡腦汁的地步．</p><p>　

53、　在設計完各個功能模塊之后，我用Protel 99 SE繪圖軟件進行了各個模塊的繪制，并最終繪制成一個總的電路原理圖，收到了很好的效果。但由于缺乏實踐經(jīng)驗，電路中還有些功能不夠完善，參數(shù)不夠精確，而且抗干擾能力也不夠好。</p><p>　　總之，在這次課程實際中，我學會了怎樣把自己所學的書本知識應用到實處。通過具體的操作，我掌握了各個功能模塊的接口設計方法，無論是在設計思想還是在動手能力上都有了很大的提高。&l

54、t;/p><p>　　從這次的課程設計中，我真正的意識到，在以后的學習中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學的理論知識用到實際當中，課程設計更是如此，只有經(jīng)常的動手，理論與實際結合的過程中才能提高，這就是我在這次課程設計中的最大收獲。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應用[M].電子科技

55、大學出版社,2004</p><p>　　[2] 王琦.電阻應變式稱重傳感器的設計[J].木材加工機械.2005(3)</p><p>　　[3] 繆少勇.淺談稱重傳感器工作原理及故障排除[J].科學之友.2010(14)</p><p>　　[4] 施昌彥.稱重傳感器計量規(guī)程[J].試驗技術與試驗機.1987(4)</p><p>　　[5