1、传感器与测试技术课程设计荷重传感器及电子秤课程设计分校（站、点）： 年级、专业： 机械制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 2012、6 一， 设计简述随着现代化生产的发展，电子秤在许多商业活动中已成为不可缺少的计量工具。电子秤作为一个典型的自动检测系统，也可归纳为由三大环节所组成。如图 1所示一次仪表通常指的是传感器，它是由敏感元件，电路，机构等组成，是利用某些特殊材料对某些物理量具有一定的敏感，然后转换成电量（电压，电流） 。 通常来自一次仪表的电信号比较弱小，不足以驱动显示器。为此采用二次仪表对信号进行放大；来自一次仪表的电信号往往还夹带外部的干扰信号，必须把它去
2、除，一般二次仪表还包括滤波电路用以消除干扰。传感器的转换关系往往并不服从线性关系，所以有时还需要进行适当的线性补偿处理。故称二次仪表为测量与显示部件。二次仪表的输出信号可能是模拟量，也可能是数字量。三次仪表是采用了计算机技术，所以要求二次仪表的输出信号必须是数字信号。三次仪表将进一步对信号进行处理并形成控制量输出。作为规模较小的仪表系统，三次仪表主要是以中央处理器为核心的数字电路，组成智能化仪表。使整个测量系统的性能与功能大大提高。图 2所示的以单片机为核心部件组成三次仪表，它大大丰富了电子秤功能。各种各样形式的电子秤的仪表结构都是大同小异的，都必须利用荷重传感器来采集重量信号并变换成相应大小
3、的电信号。电子秤的二次仪表把来自荷重传感器的微弱电压信号进行放大，滤波。这不仅为了提高灵敏度，更重要的是与下一环节的电路进行正确匹配。目前大多数电子秤是数字显示方式，所以模拟信号还必须作模数转换。有了 A/D转换器的数码信号，就可以进行自动标度变换、自动超载报警、自动数字显示。还可以增加人机对话键盘、与外部设备的数据交换与通信、输出模拟或数字控制信号等功能。由此大大提高了性能。二， 设计过程1、荷重传感器电子称传感器的选用荷重传感器的形式有电阻式、电容式、压磁式等多种形式。电阻式传感器又分为金属丝（箔）式、半导体式，它们各有优缺点及使用范围。大多数电子秤的使用场合是极为普通的室内外的大气层环境
4、，所谓的温度条件是-10C55C 。选用金属箔式应变片传感器作为电子秤的荷重传感器是最广泛的应用。因为金属箔式应变片在这个温度范围内具有精度高、稳定性好、线性、转换电路简单，成本较低等优点。相对半导体应变片尽管也能适用并且也有不少优点，如灵敏度高，体积小，响应速度快等。但是对温度的敏感，以前一直是它的缺陷，虽然目前已经通过激光修补工艺解决了温度补偿问题，可是生产成本高成为广泛使用的阻碍。电容式荷重传感器也是一种可选对象，但是需要稳定的交流电源作为工作电源，技术要求高，电路复杂，适用于安装空间小，响应速度快的场合。压磁式荷重传感器特别适用于环境温度较高的场合，但是精度不高，仅适用于大吨位秤重。选
5、用荷重传感器的基本要求是：灵敏度高，函数关系呈线性，重复性好，长期稳定。应变片传感器在“传感器与测试技术”课程的学习中已经了解了应变效应。利用应变效应可以组成荷重传感器的论述并不多。如图 3所示，为三种常见的应变片荷重传感器。图 3 金属应变片荷重传感器图（a）为圆柱式荷重传感器，弹性元件为合金钢材料。图（b）为梁式荷重传感器，弹性元件为弹簧钢材料。图（c）为 S型剪切式荷重传感器弹性元件为铝合金材料。三种结构形式的荷重传感器均为压缩式受力，根据测重范围的需要，采用不同的弹性模量的材料。通常荷重传感器的测量范围与分辨率是互相制约的，测量范围越大，则分辨率越差。反之，测量范围越小，则分辨率越好。
6、测量桥路一个成品的金属箔式应变片传感器，通常在受应变的弹性元件表面按对称位置粘贴四个同质应变片，以便构成全臂电桥。如图 4所示，管式弹性体的贴片位置和测量电桥。全臂电桥的灵敏度最高，线性好，温度补偿性能也比较好。测量电桥的输出： （2-1）0ERy应变与荷重力的关系： （2-2）rhFl2其中，F 为荷重力，l 为管状体受力长度，r 为管状体半径，h 为管壁厚度，E 为杨氏模量，这是与弹性体材质有关。为了与不同称重范围相匹配，约定不同称重范围的最大应变量m 保持一致。同一规格的荷重传感器当然选用相同的弹性体材质，只是通过管状弹性体管壁厚度 h来匹配不同称重范围。另外，如（2-1）式，欲提高输出
7、信号，可以提高工作电压 E0。值得注意地是，过度提高工作电压 E0，会导致应变片电阻通过的电流过大而自身发热引起温度带来的误差。一般标称的应变片电阻为 120，约定的工作电压 E0为 6V或 12V。测量电桥的最大输出电压为 6mV或 12mV。根据不同的使用场合，电子秤的秤台上可以布置一个荷重传感器，也可以布置几个荷重传感器。低重位的小型电子秤一般只要布置一个荷重传感器（如商店 15Kg电子秤） ，而大吨位平台式电子秤考虑到受力强度和平衡的关系，通常需要由 4个荷重传感器来托起称重平台（如汽车地磅秤） 。参见图 5所示。图 5 荷重传感器的布置2、荷重传感器电子称调理电路的设计调理电路包括信
8、号放大、信号滤波、温度补偿、线性化处理、标度变换、A/D 和 D/A变换等。调理电路指的是完成来自传感器的信号幅值、标度、线性化、电量性质等的调整来满足系统各环节的要求。除了信号幅值和电量性质变换之外，其他均由三次仪表中的单片机来完成。电子秤系统所需的调理电路主要是放大器、滤波器和 A/D转换器。(一）放大器由于各种传感器的转换电信号比较微弱,需要将信号滤波,放大到 A/D转换器可以接受的范围.目前模拟放大器均采用运算放大器。不同的使用场合,运算放大器选用的要求也不同。主要可以分成：通用型,高精度型,高输入阻抗，高速型等。运算放大器的技术指标：开环增益，差模输入输出阻抗，输入失调电压和电流的温
9、度系数，共模抑制比，上升率，带宽。习惯选择：1若信号内阻较大时，应采用高输入阻抗的放大器，否则将会产生信号传递损失。大多数场合都要求高输入阻抗的放大器。2若信号电压很小时，就必须考虑低噪声，低温漂，高精度的放大器。1、通用放大器：A741 作为要求一般的场合，使用该运算放大器可以胜任。它具有失调量小，温漂小，功耗低，输入阻抗高共模抑制比 CMRR高等优点。电路引脚参见图 6。图 6 A741 通用运算放大器LMX24（X=1，2，3）单片四运放集成电路。特点：可以单电源双电源兼用（单电源：3V30V，双电源1.5V15V）,不需要外接补偿电路,且功耗低,四运放性能较一致等优点。根据使用体会,应
10、用方便,价格低,但精度不够理想。比较合适做比较器,电平转换器。电路引脚参见图 7。图 7 单片四运放 LMX3242.高精度集成运放:作为传感器信号的放大,尤其信号低到几十微伏的信号 A741,LMX24 肯定不能使用。则要求选用超低失调,超低漂移,超低噪声的运算放大器。OP07接线图与 A741 大致一样。主要技术指标:输入失调电压 85mV;失调电流 0.8nA,失调电压漂移=Vo：Dn-1=1 保留此位，再送 Dn-2=1进行 D/A比较；【2】 Vx0,则积分输出: )12(11 101xVRCTTxdtAT积分周期：T=T1+T2 ，如果 RC很小,VB 足够大 。T2 很小,可以不
11、计。转换频率： )132()(121VRCxVxTfA理解： 【1】VA=V1-V2，在 T1时间内积分电压的累计是上下限电压的差。【2】因反向积分输入电压 VBVx，RC 很小，T2 非常小。图 15 V-F变换型 A/D转换器工作波形(2)定电荷复原型 V/F转换器 基本结构:积分器,比较器,复位电路。其中复位电路包括:定时器,模拟电子开关,恒流源。开始时,S 断开,积分器仅对输入 Vx积分。积分输出 Vo1=Ek时,比较器负跳变,启动定时器产生脉宽为 Tk的负脉冲。这个负脉冲使电子开关闭合。此时,恒定电流也参与积分运算。 在脉宽为 Tk的负脉冲期间,由于恒电流为负且幅值大于被测电流,故迫
12、使积分输出作反向运算。 Tk 后电子开关断开,积分运算又进入第二周期。图 16 定电荷复原型 V-F变换型 A/D转换器框图(3)双积分 V-T型 A/D转换器顾名思义，这种 A/D转换器的一次转换周期需要进行两次积分运算。第一次积分：称定时积分。在约定的时间内对输入电压 Vx进行反向积分；Vx 越大，则积分输出幅值也大。图 17 两次积分运算第二次积分：称定量积分。对约定的基准电压 VB进行反向积分，这是继第一次对 Vx积分后作反向积分，则原积分输出幅值越大，则本次积分时间也长。第一次积分完成了对输入电压的幅值与极性的判断。第二次积分完成了输入电压转换为时间间隔：VT。工作原理 第一次积分运
13、算:积分器对输入电压进行积分:令输入电压的平均值:代入上式:在规定的时间内 t=T1,积分输出正比于输入电压的平均值。第二次积分运算:积分器对基准电压进行积分:若积分过零:由此,第二次积分所需的时间:显然,第二次积分所需的时间 T2与输入平均电压呈正比。如果转换器的时间长短是由计数器稳频计数来确定的,那么有:1001 )142(TXdtVRC)5(.10TXXt)162(101 RCTVX)172(1002 tBXdVTV202.)(t )182(0112 10BX BXtBVTRCtVTdRC)192(.,.12122 BXBXVNorVfNfTT【1】转换过程:预备阶段:在外部发出一个启动
14、信号，转换器通过控制逻辑电路完成如下工作：计数器复位;积分电容电荷释放;接通 K1输入通道。【2】采样阶段:t=t1，开始对输入电压进行定时积分，打开计数器闸门开始计数。积分时间 T1由计数器计满溢出为限。【3】比较阶段:断开 K1接通 K2或 K3的基准电压输入通道，要求积分运算朝反方向变化。【4】结束阶段:比较积分同时计数,直到积分输出为零,计数器所计的数 N2代表 T2的大小。工作波形：图 18 双积分 A/D转换器工作波形以型号为 MC14433的 3位半双积分 A/D转换器为例：设采样时间 T1内的计数脉冲数为 2000，基准电压选 2000mV。且有：上式表明计数脉冲 N2可以直接
15、表示以 mV为单位的模拟输入电压。双积分 A/D转换器的特点：【1】抗干扰能力强：通常工频干扰是环境最大的干扰源，并且会通过输入迭加到真信号作积分运算。令:工频交流干扰电压窜入输入端:其中:第一项为真实信号,第二项为伪信号,即干扰信号。通过采样定时积分:)()(2012 mVVNXXBXXV)20(.)(1)(00 TXdtVRCtV其中:第一项为真实信号的采样积分,第二项为伪信号的积分,要求通过积分运算消除掉。要满足条件:（n=1,2,3,4）推导结果说明:采样时间 T1若取工频的整倍数时可以完全消除干扰影响。【2】转换稳定性好：参见定量积分运算关系: B BtBVTxRCtVTxdRC12
16、 10 0上式表明:经过两次运算,结果于积分常数 RC似乎无关。那么只要在短时间内积分电阻与积分电容保持稳定,对模数转换的精度不会带来影响。同样对时钟的稳定性要求也不高。3、荷重传感器电子称控制系统的选择在上世纪九十年代之前,单片机技术尚未普及。电子秤仪表仅发展到数字显示，而自动故障诊断、自动调零、数字滤波、键盘操作、数字通讯等功能是无法实现的。自从 INTEL公司推广 MCS51系列的单片机技术，在国内掀起了一场仪表的革命。由于单片机的系统硬件大大浓缩，体积特别小，所以特别适用于仪表电路的构成，增强了仪表的功能和提高了仪表的性能。不同规格的电子秤,因用途不同,对单片机执行的任务有一定的区别。
17、小型商业电子秤的使用环境比较好,电源较稳定,电磁干扰小。但是秤量小,为了便于移动,要求电消耗少。通常采用液晶、LED、荧光管作数字显示器件。其中液晶显示耗电少, LED、荧光管作数字显示的亮度高, 耗电也明显高多了。液晶显示显示的控制比较复杂,普通电路难以实现,所以需要单片机来控制。电子秤需要把货物的重量和相应金额形式显示给买方。除了需要运算外，还要求能通过键盘输入当前商品的单价。没有单片机要实现这些功能是十分困难的。大吨位电子秤除了具备小型电子秤的全部功能，还要考虑环境影响。如行车型门式电子秤中的电动机频繁启动与制动引起供电电源的波动、电磁场强度大、风力大、震动强烈。稳压与抗干扰与滤波要求特
18、别高，有时还要求随时测量风力、温度变化等。另外还有防止超载的保护功能的设置等。总而言之，有了单片机就可以通过程序设计解决了传统电路无法10100 )(TXTXdtVRCttV )21()1(cossin10100 TRCtttmm)(,.2111 nfnfT很好解决的问题。目前在检测显示仪表中运用最多的是 MCS51系列的单片机型号为 89C51、89C52，均为40引脚。近几年来 20引脚的 89C2051单片机颇受研发人员欢迎。因为对某些功能较简单，数据容量较少的仪表，使用 89C2051单片机使整体尺寸更小。1、89C51 单片机的基本特性89C51单片机为 40引脚的大规模集成电路，如
19、图所示。它具有 3个 8位 I/O口，其中P0口为动态性 I/O口，通常用于以字节为单位的外部数据传输或作为低 8位地址线。因为P0口为动态性 I/O口，作为寻址线功能时必须由地址锁存线 ALE与其配合使用。P2 口通常作为高 8位地址线，与 P0口组成 16位地址线，与外部设备如程序存储器、数据存储器和外部接口进行数据交换。P1 口为静态双向 I/O口，可以进行位寻址，使用起来更灵活。图 19 89C51与 89C2051的引脚图除了上述的数据口和地址线，89C51 还具备高效率的控制端。如 RXD，TXD 为串行口，可以发送或接收脉冲序列，进行串行传递数据或通讯。INT0，INT1 为为外
20、部中断，低电平有效，当外部申请中断时，单片机便立刻响应所约定的中断服务的内容。T0，T1 为双功能端口，关闭时作为内部程序中的定时器，开放时作为接收外部事件的计数器。WR 为数据输出控制信号，RD 为数据输出控制信号，低电平有效。这 8根控制线也可以组成 P3口，其功能与 P1口相同。89C51单片机的内部资源有限，程序存储器的容量为 4K字节，数据存储器的容量为128个字节。如果存储不能满足仪表的需求，可以通过 P0口、P2 口进行扩展，由 ALE和PSEN控制线配合，利用外部存储器可以扩展使用范围大大增加。最大可以获得 64K字节程序存储器和 64K字节数据存储器。若需要扩展时，EA 应处
21、于低电平，长过 I/O口；若不需要扩展时，EA 应处于高电平。89C2051单片机的基本构成如图所示，89C2051 单片机与 89C51的指令系统完全兼容。89C2051 单片机后于 89C51问世，是一种改进型单片机。其特点是芯片减小到原来的四分之一，特别适合袖珍仪表结构。它不能扩展外部存储器，所以取消了 P0口、P2 口。内部的数据存储器保持不变，程序存储器的容量为 2K字节。显然，特别适合低成本、单功能的检测与控制仪表，例如温度表、压力表、小型电子秤、定时器等。检测量、控制量、数字显示等涉及到数据传输时，采用并行传输方式的话，可以利用 P1口；采用串行传输方式的话，可以利用RXD，TX
22、D 端口。由于引脚少,常常采用串行传输方式来传送数据。而 P1口通常可以灵活应用与两种传输方式。并且，89C2051 单片机的 P1口驱动能力（低电平时）比 89C51大得多，可以直接驱动 LED数码管。89C2051 只有 P1，P3 口作为 I/O口，允许对外传输数据或输入输出控制信号。如图 9所示，P1.5P1.7 负责输出显示数据; P1.2P1.4 负责键盘输入;P3.2,P3.3 负责校正参数存储. 整个系统由于功能比较简单，采用低功能单片机的性价比高。图 9 小型电子秤的键盘与显示器接口根据设计的电子称耗电少，秤量小，电源较稳定，使用环境比较好和 89C2051更加适用于对 LE
23、D数码管的驱动的特点，我们选用内含驱动逻辑电路的 LED数码管组合显示器。如图 8是显示器外部引脚图，可以知道它是一串行信号传输显示数据，有 3个引脚，分别定义为：CLOCK：时钟节拍， 它确定了传输显示数据的波特率；DATA： 数据线，传输显示数据脉冲序列；ON/OFF：控制信号，根据时序要求，控制刷新（ON） ，保持（OFF） ，它防止显示器在线数据因受干扰丢失。在显示器上刷新显示数据时，控制信号“ON/OFF”处于“OFF”状态，锁存器关闭，不允许改变数据，而输入的数据按“CLOCK”时钟节拍逐位由“DATA”线送移位寄存器。由于每次仅刷新一位数码管的数字，故这种显示方式仍为动态扫描形式
24、。单片机采用定时中断服务程序，进行定时刷新。图 8 电子秤的显示电路三， 电子秤流程及程序图 10 电子秤工作流程每个系统程序都具有一个“初始化”程序段，所谓“初始化”就是定义某些特殊寄存器的功能，如定时器 T0/T1的含义，中断字的设置，内部 RAM的清理和预设等，这些工作是依据系统要求而设定的。如MAIN: CLR A MOV P1,A； P1 口清零。 MOV TMOD #51H； T0 为定时器，且自动赋初始值。MOV TH0,#0F8H； 设置定时器初始值。 MOV TL0,#0CHMOV R6,#80h； 将内部 RAM清零，范围#20H#7FH。MOV R0,#20hCLR AM
25、MM: MOV R0,AINC R0DJNZ R6,MMMMOV SP,#40H； 堆栈入口地址为#40。 SETB EA 打开中断 SETB TR0; 启动定时器计数。CLR 20H； 控制标志号预置。键盘管理程序，单片机的键盘设计可以有两种方式来实现。一种是中断法，即在系统运行时任何时刻按下其中任一个按键都会向单片机提出中断申请。单片机立刻响应，停止当前工作转入中断服务程序。完成人机对话后再继续原来的工作。由于中断方式响应及时、优先权高，修改或补充任务不会破坏整个程序结构。但是有时会带来不利的因素，如电子秤处在信号采集时一旦中断，信号采集数据遭到破坏，读数发生明显错误。另外为了随时接收中断
26、，外部中断始终开放着，容易受到电磁干扰的影响，导致误操作。另一种是查询方式，即在规定时刻才主动询问外部是否有按键按下，如果发现有按键信号，接下来根据按键入口位置来决定进行何种管理工作。这种方式受到时间段限制，灵活性不够并且程序编制比较困难。但是它能保证数据采集的完整性，也能防止电磁干扰的影响。本系统采用的是查询方式键盘管理。图 9所示，电子秤仪表设有三个键位，分别执行零点校正，斜率校正和任务确定。当开机后发现出现空载条件下读数不为零，就按零点校正键会自动复零。在秤台上放入一个标准砝码，观察仪表读数是否符合砝码重量，如果存在误差，就按斜率校正键会自动调整斜率 K值来满足测量范围。任务确定键是切换
27、仪表状态，是处在校正还是秤重。中断服务程序主要是完成定时对显示器各数码位进行刷新，实现动态显示。同时提供了基准时间，给出 V/F转换器标准的采样闸门时间（100 毫秒） 。如下是一段可以支持上述功能的中断服务程序的典型程序。#30H#33HAM 为显示缓冲区，#3FH 为显示缓冲区指针，P1.7为串行数据线,P1.6 为时钟线,#6CH 为闸门时间计数器。P1.0P1.3 为数码管选通线。TOB: PUSH PSWPUSH ACCSETB PSW.3SETB PSW.4CLR P1.6ANL P1,#0F0HMOV A,3FHMOV R0,AMOV A,R0MOV R7,#08HADD A,#
28、1EHMOVC A,A+PCSSS: CLR CCLR P1.6NOPRLC AJC SST1NOPCLR P1.7AJMP SST2SST1: SETB P1.7SST2： SETB P1.6CLR P1.6DJNZ R7,SSSAJMP BBBNOPDB 3FH,06H,5DH,4FH,66H,6BH; “0,1,2,3,4,5“; 七段码表格。DB 7BH,0EH,7FH,6FH,7EH,7CH; “6,7,8,9,A,P,“DB 39H,76H,79H,78H,0BFH,86H; “C,H,E,F,0.1.“BBB: MOV A,3FHCJNE A,#30H,RR1SETB P1.0A
29、JMP RR5RR1: CJNE A,#31H,RR2SETB P1.1AJMP RR5RR2: CJNE A,#32H,RR3SETB P1.2AJMP RR5RR3: CJNE A,#33H,RR4SETB P1.3RR4: MOV A,#2FHRR5: INC AMOV 3FH,AMOV A,6CHINC AMOV 6CH,APOP ACCPOP PSWRETI四， 电子秤原理图R10.11.12 2.2KR651KON/OFFCLOCKDATE34125687+5V7681415161918175 73 12 6P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P3.4P3.2P3.31
30、234C30.01C40.1R1100KC20.01C10.01R268KR32KR48.2KR5100KC50.1JM96ANLMC660AIMC8220F+6V+6VRSTX2X11453VCCWPSCLSDANCNCNCGNDAT89C2051-24PIIC4LM331NIC224LC02BIC3R76.8KC70.01R814KC61FC910FR98.2KC1030PC1130PJZ6M图 11 电子秤原理图1. 红色引线2. 绿色引线3. 黑色引线4. 白色引线五、小结短短一学期的毕业设计就这样结束了，整个设计过程当中，经历很多的挫折和失败，但为了最终获得成功。一直在不懈努力，到最
31、后收获真的很大，在深刻地认识到自己在学习上的薄弱环节的同时，通过查阅资料和在老师和同学的帮助下以及理论分析与实践的反复进行和论证后许多问题都基本能迎刃而解，最终基本达到了设计目的。实践巩固了理论知识的学习，提高了实际应用所学知识的能力，还积累了许多宝贵的经验。特别是老师严谨冶普的态度给我启发不小。在这次的设计实践过程中，我认识到不管做什么事，尤其是科学实践，都需要大胆假设，小心求证。任何一个方案都要经过详细周全的论证后才能着手去做，否则即使很快做出来，但经不起推敲和考验。对于那些要求能够扩展功能的课题更是如此。本次设计我熟悉了芯片的功能及工作特性，掌握其接口扩展方法。通过对数据采集的分析了解了各种传感器、放大器及 A/D转换器，对信号的转换、传输有了更深的认识。以及对键盘和显示器进行选型比较，得出各种型号的优劣比。六、参考文献：谭定忠 等编 传感器与测试技术 中央电大出版社
