傳感器課程設(shè)計稱重傳感器應(yīng)用電路設(shè)計

1、東北石油大學(xué)課 程 設(shè) 計 2012 年 6 月 25課 程 傳感器課程設(shè)計 題 目 稱重傳感器應(yīng)用電路設(shè)計 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 測控 2009-1 學(xué)生姓名 黃俊 學(xué)生學(xué)號 090601240128 指導(dǎo)教師 殷海雙 路敬祎 任務(wù)書課程課程 傳感器課程設(shè)計傳感器課程設(shè)計題目題目 稱重傳感器應(yīng)用電路設(shè)計稱重傳感器應(yīng)用電路設(shè)計專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 姓名 黃俊 學(xué)號 090601240128 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：使用稱重傳感器，設(shè)計一臺電子稱電路，可稱重 5 千克，精度 10 克。設(shè)計開始先查閱相關(guān)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(shè)計顯示

2、電路時顯示*.*千克，并有相應(yīng)的手動校正電路。基本要求：基本要求：1設(shè)計以測量顯示部分電路為主；2要繪制原理框圖；3繪制原理電路；4要有必要的計算及元件選擇說明；5提供元件清單；6如果采用單片機，必需繪制軟件流程圖主要參考資料：主要參考資料：1 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用M.電子科技大學(xué)出版社,20042 王琦.電阻應(yīng)變式稱重傳感器的設(shè)計J.木材加工機械.2005(3)3 繆少勇.淺談稱重傳感器工作原理及故障排除J.科學(xué)之友.2010(14)4 施昌彥.稱重傳感器計量規(guī)程J.試驗技術(shù)與試驗機.1987(4) 5 M.機械工業(yè)出版社,2007完成期限2012.6.29 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人

3、 2012 年 6 月 25 日摘 要在我們生活中經(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(xué)的發(fā)展，我們對其要求操作方便、易于識別。隨著計量技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)純機械結(jié)構(gòu)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(zhǔn)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(yīng)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(yīng)用，力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。所以電阻應(yīng)變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤具有準(zhǔn)確度高易于制作，簡單實用、成本低廉、體積小巧

4、、攜帶方便等特點。關(guān)鍵詞：稱重傳感器、電阻應(yīng)變計、精度、顯示目 錄一一、設(shè)計要求設(shè)計要求.1二、方案設(shè)計二、方案設(shè)計.11、方案說明.12、方案論證.2三、傳感器工作原理三、傳感器工作原理.2四、電路的工作原理四、電路的工作原理.4五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇.61、測量電路.62、差動放大電路.73、A/D 轉(zhuǎn)換.84、顯示電路設(shè)計.95、系統(tǒng)需要的元器件清單.10六、六、總結(jié)總結(jié).11稱重傳感器應(yīng)用電路設(shè)計一 、設(shè)計要求使用稱重傳感器，設(shè)計一臺電子稱電路，可稱重 5 千克，精度 10 克。設(shè)計開始先查閱相關(guān)資料，如元器件資料、方案選擇等，可以使用

5、單片機方案，也可以使用模擬電路方案，設(shè)計顯示電路時顯示*.*千克，并有相應(yīng)的手動校正電路。二、方案設(shè)計1、方案說明在設(shè)計系統(tǒng)時，針對各個電路模塊實現(xiàn)的功能來設(shè)計電子秤的方案有以下兩種：方案一 模擬電路方案首先利用由電阻應(yīng)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(zhuǎn)換電路中。然后再由 A/D 轉(zhuǎn)換電路把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)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(shè)計總體方案框圖如圖 1 所示。電阻應(yīng)變式傳感器差動放大電路顯示電路（LED）A/D 轉(zhuǎn)換電路圖 1 模擬電路總體系統(tǒng)框圖方案二 單片機方案

6、按照本設(shè)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(shè)計總體方案框圖如圖2 所示。 圖 2 單片機總體系統(tǒng)框圖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(shè)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(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出?？刂破鞑糠纸邮軄碜?A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過復(fù)雜的運算，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為物體的實際重量信號，并將其存儲到存儲單元中。控制器還可以通過對擴展 I/O 的控制，對鍵盤進行掃描，而后通過鍵盤散轉(zhuǎn)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

7、現(xiàn)顯示功能。電路電源部分主要是為電路提供穩(wěn)定方便的電源，將工頻電壓直接轉(zhuǎn)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。2、方案論證鑒于本電子秤的設(shè)計并不太復(fù)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(shè)計時，采用了第一種設(shè)計方案。 首先利用由電阻應(yīng)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(zhuǎn)換器。其次，由 A/D 轉(zhuǎn)換電路把模擬信號轉(zhuǎn)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)。三、傳感器工作原理傳感器實際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信

8、號輸出的裝置。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(guān)重要，它關(guān)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(shè)計的關(guān)壓力傳感器中央處理單元模/數(shù)轉(zhuǎn)換LED 顯示電源電路信號放大調(diào)理電路超重報警鍵環(huán)節(jié)。稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)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： （1）電阻應(yīng)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(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變

9、片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相 0應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)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。由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)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。（一）電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)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(yīng)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(shè)有一個金屬電阻絲，其長度為 L，橫截面是半徑為 r 的圓形，其面積記作 S，其電阻率記作 ，這種材料的泊松系數(shù)是 。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為 R： R = L/S（） （2）當(dāng)

10、他的兩端受 F 力作用時，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長 L，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少 r。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作 。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： R = L/S + L/S SL/S2 （3）用式（2）去除式（3）得到 R/R = / + L/L S/S （4）另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積 S = r2，則 s = 2r*r，所以ERRRRRRRRRRRRUo)()(244332211424 S/S = 2r/r （5）從材料力學(xué)我們知道 r/r = -L/L （6）其中，負(fù)號表示伸長

11、時，半徑方向是縮小的。 是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（5）式（6）代入式（4） ，有 R/R = / + L/L + 2L/L =（1 + 2（/）/（L/L） ）*L/L = K *L/L （7）其中 K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （8）式(7)說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關(guān)系。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(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān)，不同的材料的 K 值一般在1.73.6 之間；其次 K 值是一個無因次量，即它沒有量綱。在材料力學(xué)中 L/L 稱作為應(yīng)變，記作 ，用它來

12、表示彈性往往顯得太大，很不方便。常常把它的百萬分之一作為單位，記作 。這樣，式（7）常寫作： R/R = K （9）(二) 彈性體彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)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；其次，它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變場（區(qū)） ，使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。（三）檢測電路檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因為惠斯登電橋具有很多?yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)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器中得到了廣泛的應(yīng)用。因為全橋式等臂電橋的

13、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。四、電路的工作原理電子秤完整電路圖如下圖 3 所示，其電路構(gòu)成主要有測量電路，差動放大電路，A/D 轉(zhuǎn)換，顯示電路。其中測量電路中最主要的元器件就是電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器是傳感器中應(yīng)用最多的一種，廣泛應(yīng)用于電子秤以及各種新型結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求。A/D 轉(zhuǎn)換的作用是把模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，進行模數(shù)轉(zhuǎn)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(jié)果。 圖 3 電子秤完

14、整電路圖當(dāng)電橋平衡時，R1=R2=R3=R4=R，此時電橋的輸出 V0=0，當(dāng)四橋臂的應(yīng)變片受力變化后，輸出變?yōu)椋篤0=kE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(zhuǎn)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(zhuǎn)換的要求。采用 5kg 量程的傳感器，在空載時，可設(shè)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(yīng) 1LSB 變化量，對應(yīng)電壓

15、變化值為 0.4mV。五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇1、測量電路電阻應(yīng)變片可直接粘貼在被測量的受力構(gòu)件上，測量應(yīng)力、應(yīng)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(zhuǎn)換成應(yīng)變，然后再用應(yīng)變片進行測量，比直接測量多了一個轉(zhuǎn)換過程，完成這種轉(zhuǎn)換的原件彈性敏感原件。由彈性敏感元件和應(yīng)變片，以及一些附件（補償元件，殼體等）便組成各種電阻應(yīng)變式傳感器。 電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍為 0.00050.1 歐姆。所以測量電路應(yīng)當(dāng)能精確測量出很小的電阻變化，在電阻應(yīng)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

16、。其特點是：當(dāng)四個橋臂電阻達到相應(yīng)的關(guān)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。 圖 4 傳感器的測量電路 它由箔式電阻應(yīng)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(yīng)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(yīng)變的傳感器，組成調(diào)零電路，當(dāng)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： U = (R /R-R /R-R /R+

17、R /R) 14E1243（10） R =R =R，R =R =-R 1324（11）則有 U = *4*R/R=Ek 14E（12）2、差動放大電路 圖 5 差動放大電路 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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用于工業(yè)自動控制、儀器儀表、電氣測量等數(shù)字采集的系統(tǒng)中。

18、本設(shè)計中差動放大電路結(jié)構(gòu)圖如圖 5推導(dǎo)過程： I = (V -V)/R 1 i2i7（13） V = (R81+R7+R82)I0 = (1+)I 782RR（14）則有 A=1+=13 vf782RR（15）3、A/D 轉(zhuǎn)換A/D 轉(zhuǎn)換的作用是進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。在選擇 A/D 轉(zhuǎn)換時，先要確定 A/D 轉(zhuǎn)換的位數(shù)，該設(shè)計運用的是雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器 ICL7106，A/D 轉(zhuǎn)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(guān)，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(yù)處理電路精度 A/D 轉(zhuǎn)換器以及輸出電路等。3.1 ICL7106 雙

19、積分型的 AD 轉(zhuǎn)換器的特點a.直接輸出 7 段譯碼信號 c.位十進制 A/D 轉(zhuǎn)換器 3.2 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)與原理ICL7106 的性能特點：7V15V 單電源供電，可選 9V 疊層電池，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（1010）。內(nèi)設(shè)時鐘電路、2.8V 基準(zhǔn)電壓源、異或門輸出電路，能直接驅(qū)動 3位 LED 顯示器。 屬于雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器，A/D 轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度達0.05，轉(zhuǎn)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

20、圍電路簡單，僅需配 5 只電阻、5 只電容和 LED 顯示器，即可構(gòu)成一塊DVM。其抗干擾能力強，可靠性高。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?qū)⒍嗦纺M開關(guān)接通或斷開，保證 A/D 轉(zhuǎn)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(jié)果。模擬電路：模擬電路由雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。（E0）、緩沖器（A1）、積分器（A2）、比較器（A3）和模擬開關(guān)等組成。緩沖器 A4 專門用來提高COM 端帶負(fù)載的能力，可謂設(shè)計數(shù)字多用表的電阻擋、二極管擋和 hFE 擋提

21、供便利條件。這種轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換準(zhǔn)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(zhuǎn)換。每個轉(zhuǎn)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 AZINTDEAZ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，T11000TCP。儀表顯示值 N=* CPTT1REFINUU（16） N10UIN 或 UIN0.1N （17）只要把小數(shù)點定在十位上，即可直讀結(jié)果。滿量程時 N2000，此時UM2UREF200mV，儀表顯示超量程符號“1”。4、顯示電路設(shè)計欲測量 2V 以上的直流電壓，必須

22、利用精密電阻分壓器對 UIN 進行衰減。積分電阻應(yīng)采用金屬膜電阻，積分電容宜選絕緣性好、介質(zhì)吸收小的聚苯乙烯電容或聚丙烯電容。數(shù)字電路：數(shù)字電路主要包括 8 個單元：時鐘振蕩器；分頻器；計數(shù)器；鎖存器；譯碼器；異或門相位驅(qū)動器；控制邏輯；LED 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R120k，C100PF，則 f040kHz。f0 經(jīng)過 4 分頻后得到計數(shù)頻率fCP10kHz，即 TCP0.1ms。此時測量周期 T16000T04000TCP0.4s，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

23、 LED 的背電極 BP。LED 須采用交流驅(qū)動方式，當(dāng)筆段電極 ag 與背電極 BP 呈等電位時不顯示，當(dāng)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(qū)動該筆段顯示。驅(qū)動電路采用異或門。其特點是當(dāng)兩個輸入端的狀態(tài)相異時（一個為高電平，另一個為低電平），輸出為高電平；反之輸出低電平。7段 LED 驅(qū)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，只要在異或門輸入端加控制信號（即譯

24、碼器輸出的高、低電平），用以改變驅(qū)動器輸出方波的相位，就能顯示所需數(shù)字。ICL7106 與數(shù)碼顯示器被設(shè)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號。便攜式電子手提秤的量程為 2kg5kg，稱重傳感器在 5kg 時的輸出約為 200mV。5、系統(tǒng)需要的元器件清單表 1 元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注1模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL710612壓力傳感器13數(shù)碼管4共陽極49V 疊層電池15集成運放NE55526陶瓷電容1000pF17陶瓷電容100pF18電容19電容110電容111電容112電阻22K213電阻30K314電阻1K415電阻10K316電阻100K317電阻1000K1六、總結(jié)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(zhuǎn)換器的想選擇。在電子技術(shù)的課程設(shè)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(jié)合自己所學(xué)，認(rèn)真解決每一個功能模塊中遇