1、燕山大學課 程 設 計 說 明 書題目： 電子秤的設計 學院（系）： 電氣工程學院 年級專業： 12級 學 號： 學生姓名： 指導教師： 教師職稱： 燕山大學傳感器原理與設計課程設計任務書院（系）：電氣工程學院 基層教學單位：儀器科學與工程系 學 號學生姓名專業（班級）12級設計題目 電子秤的設計設計技術參數 選擇傳感器設計并制作電子秤1）量程01.999Kg2） 彈性元件可選用懸臂梁設計要求1. 理論設計方案及論證2. 傳感器結構設計、理論分析、參數計算3. 完成恒流源、轉換電路、放大電路的設計，利用Protel或EWB等有關工具 軟件繪制電路原理圖，或對電路進行仿真，或進行制作調試。4.

2、提交課程設計說明書工作計劃 周1：收集資料及擬定設計方案周2周4：測量電路設計、放大電路、A/D轉換電路設計周5周6：單片機電路與程序、顯示部分設計周日：撰寫設計說明書，準備答辯。參考資料1. 唐文彥 傳感器（第4版）機械工業出版社 2007年2. 李科杰 新編傳感器技術手冊國防工業出版社 2002年3. 其他：傳感器原理、接口電路、設計手冊類參考書指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。2014年 12月 12日摘要稱重技術是日常生活不可獲缺的技術，隨著科學技術的發展，稱重技術和稱重裝置也獲得了廣泛的發展。基于電阻應變傳感器的電子稱以其制

3、作簡單、成本低、量程大、精度高等優點，得到了廣泛的應用和發展。電阻應變式傳感器是以電阻應變效應為基本原理的電阻式傳感器。它由彈性敏感元件、電阻應變計、補償電阻和外殼組成，可根據具體測量要求設計成多種結構形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產生變形，并使附著其上的電阻應變計一起變形。電阻應變計再將變形轉換為電阻值的變化，從而可以測量力、扭矩、位移等多種物理量。本文介紹了一種基于電阻應變式的稱重傳感器的電子秤的設計，其中包括惠斯通全橋電路的設計和搭建、OP07組成的放大電路的設計、AD7705組成的模數轉換電路以及轉換后數字采集和顯示的實現。詳細敘述了該稱重傳感器的參數設計，并驗證其可行性。關鍵字：

4、傳感器、電阻應變、差動電橋、放大電路、AD轉換 目錄第1章 概論11.1 調研的意義11.1.1 課題背景11.1.2 調研意義11.2 研究現狀11.2.1 國內外電子稱的研究現狀和發展趨勢11.2.2 典型電子稱產品舉例31.3 為電子稱設計進行的準備3第2章 電子稱的具體設計方案52.1 敏感元件的介紹52.1.1 電阻應變片的工作原理52.1.2 彈性元件62.2 匹配電路的設計72.2.1 元器件選擇與功能描述72.2.2 測量電路的設計82.2.3 差動放大電路單元102.2.4 A/D轉換單元112.2.5數據處理與顯示部分12第3章 仿真電路143.1仿真電路的建立143.2仿

5、真電路結果分析16第4章 體會與收獲18參考文獻19 燕山大學課程設計說明書第1章 概論1.1 調研的意義1.1.1 課題背景電子稱重技術是從50年代中期電子技術深入到衡器的輔助測量技術，從60年代初出現了機電結合電子衡器開始，迅速發展成為一門新興技術，它是集傳感器技術、微電子技術、計算機控制及測試技術、機械制造自動化技術為一體的綜合技術，是現代稱重計量和控制系統工程的重要技術基礎。應用電子稱重技術開發的電子稱重系統具有廣闊的領域和較強的滲透性。1.1.2 調研意義在我們生活中經常都需要測量物體的重量，于是就用到稱。隨著計量技術和電子技術的發展，純機械結構的桿秤、臺稱、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰

6、。電子稱量裝置如電子稱、電子天平等以其準確、快速、方便、顯示直觀等諸多優點而受到人們的青睞。電子稱向提高精度和降低成本方向發展的趨勢引起了對低成本、高性能模擬信號處理器件的增加。其中電阻應變式傳感器電子稱在各個領域得到廣泛應用。研究和設計完善電子稱可以使現代化技術應用于生活，使國民生活更加方便、快捷、智能化。1.2 研究現狀1.2.1 國內外電子稱的研究現狀和發展趨勢 國內電子稱量技術基本達到國際上20世紀90年代中期的水平，少數產品的技術已處于國際領先水平。國內的電子稱市場中，1009左右量程的電子稱精度一般為0.019。在研究方法上，電子稱量系統的工作原理一般是將作用在承載器上的質量或力的

7、大小通過壓力傳感器轉換為電信號，并通過處理電路實現該信號。隨著技術的發展，電子秤的制造技術及應用得到了新的發展，電子秤技術從靜態稱重向動態稱重發展：計量方法從模擬測量向數字測量發展；測量他點從單參數向多參數發展。特別對快速稱重和動態稱重的研究與應用。但就總體而言，我國電子秤產品的數量和質量與工業發達國家相比還有差距。但近年來國家投入重點研發資金，讓其發展不斷加快。 在國際上，一些發達國家在電子稱重方面已經達到了較高的水平。特別是在準確性和可靠性方面有了很大的提高。成果舉例如下： （1）美國Revere公司研制出PUS型具有大氣壓力補償功能的拉壓兩用的稱重傳感器，用于高準確度檢驗平臺，準確度可達

8、5000d。 （2）德國HBM公司成功研制出C2A、C16A兩種不同結構的1100t具有耐壓外殼保護的防爆稱重傳感器，其防爆性能符合歐洲EN50014和EN50018d級標準。 （3）美國斯凱梅公司研制出新一代高準確度不銹鋼F6Ox系列55000kg稱重傳感器，準確度6000d。用于濕度大、腐蝕性強的環境中，而且防水。 通過分析今年來電子秤產品的發展情況及國內外市場的需求，電子秤總得發展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術性能趨向是速率高、準備度高、穩定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應用性能趨向于綜合性和組合性。 1.2.2 典型電子

9、稱產品舉例 電子稱產品的種類眾多，下面兩個是平時常用電子稱的典型代表（1） 人體稱重電子稱圖1.2.2-1人體稱重電子稱產品舉例及規格參數介紹（2）商業電子臺秤圖1.2.2-2 商業電子臺秤1.3 為電子稱設計進行的準備 電子稱有諸多種類，其中電阻應變傳感器的電子稱以其制作簡單、成本低、量程大、精度高等優點，得到了廣泛的應用和發展。我們此次就是要設計電阻應變式傳感器的電子稱。 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點，且能在惡劣條件下工作，在力、壓力和重量測試方面有著廣泛的應用，力傳感器具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。電阻應變式傳感器的基本原理是將被

10、測的非電量轉換為電阻的變化，通過測量電阻值的變化達到測量非電量的目的。電阻應變式電子稱是利用彈性體（彈性元件，敏感梁等）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號，從而完成了將外力變換為電信號的過程。電阻應變片、彈性體、檢測電路和數據處理顯示部分是電阻應變式電子稱中不可缺少的部分。第2章 電子稱的具體設計方案2.1 敏感元件的介紹2.1.1 電阻應變片的工作原理 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。他的一個重要參數是靈

11、敏系數K。當他的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產生變形。設其伸長，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少。電阻應變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間成比例的關系。 設一個有效長度為、截面積為A、電阻率為的金屬應變片，原始電阻R為 （2.1.1-1）上述任何一個參數變換均會引起電阻變化,求導數可得 （2.1.1-2）代入得 （2.1.1-3）由于金屬體積不變，可以知道 （2.1.1-4）可以知道 （2.1.1-5）對金屬材料，導電率不變，式（2.1.1-5最終可化簡為： （2.1.1-6）式（2.1.1-6)稱為“應變效應”的表達式。K稱為金屬電阻絲的靈敏度系

12、數，從式（2.1.1-6)中可知，對于金屬電阻應變片，電阻的相對變化只跟金屬電阻絲的靈敏度系數有關，通常有。通常很小，常用表示。在應變測量中，也常將之稱為微應變。對金屬材料而言，當它受力所產生的軸向應變最好不大于10000，否則有可能超過材料的極限強度而導致斷裂。因此，可以通過測量電阻應變片的電阻變化來達到測量應變的目的。2.1.2 彈性元件 本設計以等強度梁為彈性元件。等強度梁的結構如圖2.1.2-1所示，是一種特殊的懸臂梁。其特點是：沿梁的長度方向的截面按一定規律變化，集中力F作用在兩端三角頂點上時，距作用力任何距離截面的應力相等，故在對L上黏貼應變片位置要求不嚴。假設梁的固定端寬度為b0

13、，自由端的寬度為b，梁長為L，梁厚為H。 圖2.1.21 等強度梁的結構示意圖根據懸臂梁的特性，當重力作用在自由端是，最大彎曲應力為 （2.1.2-1）則應變為： （2.1.2-2）式中，W-被測物體重力H-梁的厚度b0-固定端寬度L-梁長E -彈性模量 根據式(2.1.2-1)和彈性強度理論，可寫出強度條件： （2.1.2-3）2.2 匹配電路的設計2.2.1 元器件選擇與功能描述限制量程寬度和分辨率的因素主要有懸臂梁的強度、電阻應變片的的線性范圍、放大電路的放大特性和AD轉換電路的量程。其中任何一個因素變化都會影響電子稱測量效果。只有選擇適當的參數才可以滿足設計的要求。經過計算與分析，選用

14、常用的的金屬應變片組成全橋電路，采用OP07組成的儀用放大器進行微弱信號放大。用AD7705作為模數轉換器采樣輸出電壓，并利用AT89C52單片機進行軟件較零，最后輸出到數目管顯示數據。 下圖是所設計電子稱得工作流程圖。圖2.2.1-1 工作流程圖所設計電子稱具有的量程和1g的分辨率，能夠達到設計要求。2.2.2 測量電路的設計為了消除非線性誤差及溫度誤差對測量結果的影響，設計的電阻應變式采用四臂差動式電橋測量電阻。距固定端較近的表面順著亮的長度方向分別貼上R1,R3，和R2，R4(R2，R3在底部)的電阻應變片，如圖2.2.2-1所示。若R1，R3承受拉力，則R2，R4承受壓力。兩者應變相等

15、，極性相反。圖2.2.2-1 電阻應變片的安裝示意圖因此有： （2.2.2-1）則差動全橋輸出電壓公式為： （2.2.2-2） 因此，電橋輸出電壓U0與成嚴格的線性關系，消除了電橋非線性的影響，也消除了溫度誤差的影響。輸出比單臂電橋增大四倍，靈敏度也提高四倍。由上述所示公式推導出,所以的取值范圍為0到20。仿真中用980的固定電阻和40的滑動變阻器等效替代的應變片。其等效電路如圖所示。圖2.2.2-2 時的測量電橋由式（2.2.2-2)可得 （2.2.2-3） （2.2.2-4）式（2.2.2-4）就是傳感器的輸出電壓與重力W之間的對應函數關系。一旦系統設計完成，等式右邊W前面部分就是一個常數

16、，.。2.2.3 差動放大電路單元 經過計算與分析，當采用正5V電源供電時，1g物體對應的壓力導致的輸出的電壓約為0.05mv,是非常微弱的電壓信號。要想使AD能夠不失真的轉換此信號，需要對該微弱信號進行進一步的處理。本設計選用的放大電路為儀用放大器。 該儀用放大器由三個OP07組成。OP07芯片是一種低噪聲、非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路。由三個運算放大器構成的儀表放大器具有以下特點：輸入緩沖電路增加了輸入阻抗，差分電壓按12*(/)FGRR的增益系數被放大，而共模信號講義單位增益通過輸入緩沖器，即不增加共模增益和誤差；改變滑動變阻器的阻值即可調整差分增益；用實現了輸出級點則比率匹配方

17、式調節共模抑制比CMRR。因為調節電阻的比率比調整電阻的絕對值要容易；另外，由于儀表放大器在結構上的對稱性，輸入放大器的共模誤差將被輸出級的減法器消除。因此，儀表放大器常被用來放大橋接傳感器的差分輸出以及維系電橋接收器輸出信號，并同時抑制較大的共模電壓。本設計結合差動電橋的輸出電壓與AD轉換器件的靈敏度，將電橋的輸出電壓放大35倍。增益，選擇的阻值，放大器電路連接圖如圖2.2.3-1所示，其中圖2.2.3-1 放大倍數為35的儀用放大器 （2.2.3-1）2.2.4 A/D轉換單元要實現的分辨率，至少需要12位的A/D轉換器,這里我們選用16位的AD7705。取參考電壓10V和0V，則AD77

18、05所能分辨的最小電壓為1.53mv。而差動放大電路的輸出電壓靈敏度為，可見設計的AD符合電路的要求。但是在進行Multisim仿真時，由于缺少響應的器件，因此在仿真電路中用16位的通用AD替代。AD7705是完整的16位A/D轉換器，它采用了成本較低但能獲得極高分辨率的。可以獲得16為無誤碼數據輸出。它的增益可以編程，能將不同的擺幅范圍的各類輸入信號放大到接近A/D轉換器的滿標度電壓在進行A/D轉換，這樣有利于提高轉換質量。為了滿足實驗要求，給AD7705提供10V的參考電壓。仿真實驗中用通用AD代替，電路圖如圖2.2.4-1所示。AD轉換器的16個輸出引腳連接AT89C51單片機的P0和P

19、2口。參考電壓選擇10V和0V，EOC懸空。圖2.2.4-1 通用AD與AT89C52的電路連接圖2.2.5數據處理與顯示部分本設計利用AT89C51單片機對數據進行處理。測量電路輸出的微弱信號經OP07組成的儀用放大電路放大和A/D轉換器轉換之后，數字量變化密集，直接顯示無法穩定，且由于彈性元件的彈性缺陷以及干擾信號的干擾，因此需要對數據進行處理之后在顯示。由于放大器的輸出為1.75mv/g,而在上述給定條件下AD7705的靈敏度可達1.53mv，當量程為0-1.999Kg時理論精度高于1g，可達到實驗要求；隨后單片機將采集到的數字量進行相應處理后輸出到數碼管。顯示部分采AT89C51單片機

20、驅動數碼管實現動態掃描顯示，有軟件控制刷新頻率。與單片機的電路連接圖如2.2.5-1所示。圖2.2.5-1 數碼管的電路連接圖 四個共陰極數碼管從左到右分別顯示測試結果千位、百位、十位、個位。它們的公共端依次連接在P1口的0，1，2，3引腳。另外一端連在P3口上。第3章 仿真電路3.1仿真電路的建立 綜合前兩章的介紹，這里給出仿真電路。圖3.1-1 Multisim建立的仿真電路對Multisim自帶HITECH編譯器對MCU進行編程，以達到預期的效果。程序的基本思路如下：將檢測到的P0和P2數值進行整合，得到的數值即為A/D轉換器的輸出值；將A/D的輸出值按照設計的計算方法進行計算；將計算結果千位、百位、十位、個位分別顯示在四位數碼管上。 其具體程序如圖3.1-2所示。圖3.1-2 51單片機的程序3.2仿真電路結果分析 通過計算，1g對應滑動變阻器的。通過調節滑動變阻器來模擬加在電子稱的上的重物。可以得出表3.2-1。表3.2-1 仿真電路測試結果仿真結果/g理論值/g20-10035001994200015-7526251494150010-50175099610005-258754985001-5175981000.5-2.587.5548500.2-135.0618200.1-0.517.5610100.05-0.2629.3