应变式称重传感器设计.docx

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应变式称重传感器设计

太原理工大学现代科技学院

《传感器原理与应用》课程设计

设计名称应变式称重传感器设计

专业班级测控11-2

学号2011101471

姓名李玉堃

同组人王鑫王海平

设计日期2015年1月

太原理工大学现代科技学院

专业班级

测控11-2

学生姓名

李玉堃

课程名称

传感器原理及应用

设计名称

应变式称重传感器设计

设计周数

1.5周

设计

任务

主要

设计

参数

主要性能指标（量程0-1kg）

设计内容

设计要求

应变式称重传感器的选择；工作原理设计；分类与结构设计；测量电路设计

主要参考

资料

[1]陶宝祺.电阻应变式传感器.:

国防工业出版社,1993

[2]刘迎春、叶湘滨.传感器原理与应用.:

国防科技大学出版社,2006

[3]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.:

国防工业出版社,1999

学生提交

归档文件

按任务书要求进行课程设计，并撰写课程设计说明书。

课程设计任务书

注：

1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：

封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）

2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。

应变式称重传感器设计

摘要

粘贴式电阻应变计广泛应用于当今高精度测力与称重传感器的制造中。

本篇文章为帮助称重传感器设计者计算出称重传感器尺寸大小，从而为获得唯一需要的输出作了充分的准备。

设计者既可以运用有限元分析法经计算机程序（如果可能）来确定称重传感器所需要的尺寸，或运用本文所提供的公式来计算此尺寸。

通过某些假设得出的这些计算公式，另外还有电阻应变计的特性、应力形式、材料特征以及机械加工的偏差都会导致计算结果的一定误差。

在批量制造称重传感器前，应制造几个样机进行组装、测试和标定。

在某些工业中，如航天工业也许只需要一次性的称重传感器，为决定其非线性、重复性和滞后等误差，在使用前对其进行标定是十分重要的。

当计算机被应用于数据处理时，非线性、零点漂移及灵敏度变化，是很容易修正的。

如果称重传感器在使用时要经历强烈的温度变化和外部附加载荷的影响，我们应进行试验并测量出这些影响量所造成的误差。

如果某部分结构（如接头、销子、压杆）用来测量或是被用作称重传感器时，标定和测试就尤为重要了。

称重传感器设计包括许多方面，这里对其制造生产不予讨论，例如，需要对电阻应变计安装技术知识的全面了解，一些电阻应变计制造商提供技术资料的同时，还应提供电阻应变计安装的分类等。

关键词：

传感器，电阻应变式，称重

第一章方案设计3

第二章传感器设计3

2.1传感器的选择3

2.1.1电阻应变式传感器4

2.2设计分析4

2.2.1应变片的测量电路4

2.2.2前级放大器部分6

2.2.3A/D转换模块7

2.2.4控制模块8

2.2.5显示模块8

2.2.6键盘输入8

2.2.7电源模块9

2.2.8本部分总结9

2.3电路原理图10

2.3.1弹性元件的选择10

2.3.2信号转换放大部分11

2.3.3A/D转换部分（ICL7315）12

2.3.4单片机控制部分13

第三章软件设计13

3.1主程序流程图14

第四章课设小结15

参考文献16

第一章方案设计

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。

图1—1电子秤模块设计图

第二章传感器设计

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。

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。

2.1.1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。

通过对传感器分析，最终选择电阻应变片式传感器。

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：

图2—1全桥电路

称重传感器就是应用了应变片及其全桥测量电路。

图2—2数字电子称原理框图

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：

=（2.1）

当满足条件R1R3=R2R4时，即

（2.2）

=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（2.1），则电桥输出为

（2.3）

题目要求称重范围0～1Kg,满量程量误差不大于0.05Kg，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0.5Kg。

我们选择的是电阻应变片压力传感器，量程为1Kg，精度为0.1%，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AD620。

此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。

AD620,接口如下图所示：

图2—3AD620仪表放大结构图

电路的工作原理：

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（2.4）

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）（2.5）

比较两式可得：

VO=-U12=-（Vin+-Vin-）（1+2R/Rg）（2.6）

则放大器的增益Av为

Av=Uo/（Vin+-Vin-）

=-（1+2R/Rg）（2.7）

仅需调整一个电阻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，来改变放大器的增益，放大器的计算公式如下：

G=49.4KΩ/R3+1（2.8）

AD620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）

2.2.3A/D转换模块

双积分型A/D转换器：

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，对输出就不产生影响。

尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。

故而采用双积分型A/D转化器可大大降低对滤波电路的要求。

作为电子秤精度上14位的A/D足以满足要求。

另外双积分型A/D转化器具有：

抗干扰能力强和精确差分输入，低廉的价格等优势。

综合分析其优点和缺点，我们最终选择了精度为10Kg/+-20000=+-0.5g的ICL7135。

2.2.4控制模块

AT89C51单片机特点能与MCS-51兼容，有4K字节可编程闪烁存储器，寿命能够达到1000写/擦循环，数据可以保留时间长达10年，全静态工作：

0Hz-24MHz，三级程序存储器锁定，128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。

所以选用AT89C51单片机。

2.2.5显示模块

显示部分主要可以分为：

LED数码管显示和LCD液晶显示。

LCD具有低功耗，可视面大，画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已经得到广泛的应用。

下面具体介绍LCD显示。

由于本次设计的显示模块需要显示多位数字，如果采用数码管显示的话将会占用多个单片机I/O口,使得电路变得更为复杂。

所以选用1602LCD。

2.2.6键盘输入

键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。

操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。

因此键盘模块设计的好坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。

键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。

键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。

单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。

相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。

矩阵式键盘设计矩阵式键盘又叫行列式键盘。

用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。

例如，用2×2的行列结构可构成4个键的键盘，4×4行列结构可构成16个键的键盘。

图2—3为4×4矩阵键盘，采用矩阵键盘。

图2—44×4矩阵键盘

2.2.7电源模块

系统需要多种电源，单