葛東旭 杜政道

【摘要】本文介紹了一款基于應(yīng)變片的數(shù)字顯示電子秤實驗系統(tǒng)的設(shè)計和制作，系統(tǒng)由傳感器檢測電路、檢測信號放大電路、檢測信號轉(zhuǎn)換電路和顯示電路組成。該設(shè)計是為了配合傳感器相關(guān)教學(xué)來進(jìn)行的，注重系統(tǒng)的模塊化和輸入輸出的相對獨立性。文中重點介紹了應(yīng)變片傳感器的制作過程和要點，以及針對應(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;稱重傳感器;信號整理;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)專業(yè)學(xué)生的《傳感器技術(shù)與測控》課程關(guān)于應(yīng)變片傳感器的項目式教學(xué)，設(shè)計了這個利用基于應(yīng)變計的稱重傳感器構(gòu)成的數(shù)字顯示電子秤原型系統(tǒng)。

系統(tǒng)按照傳感與檢測系統(tǒng)的劃分方法，分為傳感器、傳感信號調(diào)理、信號采集、信號數(shù)據(jù)處理及顯示幾個部分，幫助學(xué)生加深對傳感器和處理系統(tǒng)的領(lǐng)會和理解。

電路由傳感器檢測電路、檢測信號放大電路、檢測信號轉(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)變計組成的構(gòu)成稱重傳感器，完成將壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號;②差動放大電路由較為成熟的由運算放大器構(gòu)成的測量放大器（也稱為儀表放大器）實現(xiàn);③A/D轉(zhuǎn)換電路簡單地由一個8位并行A/D轉(zhuǎn)換芯片來完成，便于調(diào)試和掌握該芯片的應(yīng)用;④單片機(jī)實現(xiàn)系統(tǒng)的控制;⑤鍵盤由4x4矩陣鍵盤實現(xiàn)，利于學(xué)習(xí)者掌握鍵盤掃描的原理和實現(xiàn);⑥LCD顯示由LCD12864模塊實現(xiàn)。

1.稱重傳感器的制作

稱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，其長度和截面積都會發(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)體的長度（m）。

為了檢測應(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采集，應(yīng)變計通常構(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

對于圖3中的電子秤結(jié)構(gòu)示意圖，需要通過其核心的彈性懸臂結(jié)合應(yīng)變計電路完成受力-即重量-的測量。這里，應(yīng)變計的裝貼是一個關(guān)鍵點。

圖3 電子秤結(jié)構(gòu)示意圖

稱重傳感器的制作包括一下幾個環(huán)節(jié)：1）設(shè)計和制作彈性懸臂。為了加強固定承重塊和增加其的應(yīng)變性，懸臂被設(shè)計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。對應(yīng)變片的電阻值和精度進(jìn)行測量選擇，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)變測點。應(yīng)變片粘貼的位置及方向均對應(yīng)變測量有非常大的影響，必須準(zhǔn)確地粘貼在試件的應(yīng)變測點上，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所示的定位對準(zhǔn)。粘貼時用手進(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)，必要時可配接接線柱。引線焊接時要快捷，免傷及應(yīng)變片。注意檢查引線是否與懸臂試件絕緣，且無斷路。導(dǎo)線的最終引出用不同的顏色來表示，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)氧樹脂對試件表面進(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)變測點的定位及應(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.信號檢測與調(diào)理

從電橋電路可以看出，稱重傳感器輸出的是兩路浮地的電壓信號，適合使用運算放大器進(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)含頻率補償和過載、短路保護(hù)電路，可通過外接電位器進(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，且便于信號的調(diào)零、平衡等處理和調(diào)整。測量放大器電路如圖6所示。

圖6 測量放大器電路圖

3.信號轉(zhuǎn)換

檢測信號經(jīng)放大調(diào)理后，由A/D變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送至由STC89S52構(gòu)成的計算處理部件進(jìn)行采集、處理和顯示。為了便于在教學(xué)過程中進(jìn)行調(diào)試和講解，選用了較為簡捷的并行輸出A/D變換器ADC0804來完成信號的轉(zhuǎn)換。ADC0804是一個8位、單通道、低價A/D轉(zhuǎn)換器，主要特點是：模數(shù)轉(zhuǎn)換時間大約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)含時鐘發(fā)生器、單電源工作時（0V_5V）輸入信號電壓范圍是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

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

4.計算處理及顯示

計算處理的部件由單片機(jī)STC89S52來實現(xiàn)，承擔(dān)著采集A/D變換輸出數(shù)據(jù)、掃描鍵盤輸入、輸出顯示數(shù)據(jù)、完成設(shè)定單價及計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，也可通過這一部分來進(jìn)行系統(tǒng)的非線性擬合、誤差補償以及清零等功能。

電路設(shè)計上，單片機(jī)與周圍部件的連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，鍵盤采用了定制的4x4矩陣薄膜鍵盤模塊，采用了CM12864-12液晶模塊，設(shè)計了相應(yīng)的接口。

5.軟件

系統(tǒng)軟件使用Keil μVision V4編寫和調(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、稱重顯示、設(shè)定單價、標(biāo)校幾個狀態(tài)，通過對鍵盤事件的處理進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

6.結(jié)語

上述數(shù)字顯示電子秤系統(tǒng)設(shè)計完成了基本的稱重和顯示功能。在實際的應(yīng)用中，還需要考慮幾個工程和工藝的問題。

6.1 溫度對應(yīng)變測量的影響

不論是試件還是應(yīng)變片傳感器，在溫度發(fā)生變化的時候，會發(fā)生線膨脹，都會產(chǎn)生性能的變化。要實現(xiàn)高精度稱重測量，必須對其溫度誤差進(jìn)行補償。

補償?shù)姆椒ㄓ袘?yīng)變片自補償?shù)姆椒?，就是選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，能夠使電阻的變化率為0，達(dá)到溫度補償?shù)哪康摹Ｔ诜侨蹨y量電橋的情況下，也可以采用線路補償法。

6.2 引線過長時進(jìn)行導(dǎo)線電阻補償

非全橋檢測電路的情況下，如果稱重傳感器導(dǎo)線過長，則需要對長導(dǎo)線電阻引起的誤差進(jìn)行補償，通常用三線制或四線制的連接方法來完成。

6.3 測量誤差的校正和補償

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

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作者簡介：葛東旭（1965—），男，碩士，高級工程師，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)專業(yè)、通信專業(yè)的專業(yè)和信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)課程教學(xué)和科研工作;指導(dǎo)學(xué)生參加全國和江蘇省電子類技能競賽，多次獲獎，研究方向：電子工程。