应变式称重传感器设计

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

专业班级 测控11-2 学生 玉堃 课程名称 传感器原理及应用 姓 名 玉堃 同 组 人 王鑫 王海平

设计日期 2015年1月

理工大学现代科技学院

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 [1] 陶宝祺.电阻应变式传感器.:国防工业,1993 主要参考 资 料 [2]迎春、叶湘滨.传感器原理与应用.:国防科技大学,2006 [3]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.:国防工业,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（大图纸不必装订）

2.可根据实际容需要续表，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

目录

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 2.2.3 A/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 2.3.3 A/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，Ein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。

当忽略电源的阻时，由分压原理有：

uouBDuABuAD

E(R1R4)R1R2R3R4R1R3R2R4E•(R R= 2 )( R 3  R 4 ) （2.1） 1

当满足条件R1R3=R2R4时，即

R1R2R4R3 （2.2）

uo=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

kE （2.3）

题目要求称重围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。

(RR)2Euo(RR)(RR)(RR)(RR)R•ER(RR)2

AD620,接口如下图所示：

图2—3 AD620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的任意增益，工作电源围为+-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）

2.2.3 A/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—4 4×4 矩阵键盘

2.2.7 电源模块

系统需要多种电源，单片机需要±5V,A/D转换需要±5V，+1V，传感器需要+10V以上的线性电压。

此次设计的稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图

图2—5 电源模块的主要组成部分

电源模块我们采用：采用7805,7905，7812和7912组成稳压电路 7805，7905固定式三端稳压器可输出±5V,固定式三端可调稳压器7812和7812组装电路可对称输出±12v。

此设计方案由：由三端可调式稳压器和三端固定式稳压器共同组成, 电路可直接得到+5v和±12的输出电压。 2.2.8 本部分总结

根据以上设计方案，硬件部分采用51系列单片机AT89C51为控制核心部件，实现电子秤的基本控制功能。系统的硬件部分不仅包括以单片机AT89C51为核心的最小系统部分，而且还包括数据采集、人机接口界面、系统电源部分。

数据采集部分由压力传感器、信号放大处理和A/D转换部分组成。在具体选择传感器时，考虑到在称量物品时必要的精度、准确性要求。需要共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度好，而且外部接口简单的专用仪表放大器AD620。选择具有很强抗干扰能力A/D转换器ICL7135，精度高，输入阻抗高，人机交互部分的键盘在系统中，在这次设计中我们采用了4×4键盘控制。显示用的LCD我们根据要求选用了字符点阵式液晶显示器LCD1602。

2.3电路原理图

4×4 矩阵键盘 称重传感器 滤波电路 数据采集模块 放大器AD620 A/D转换器ICL7135 单片机AT89C2051 单片机控制模块 16×2个字符型的LCD 1602字符型LCD

人机交换界面 图2—6硬件结构框图 2.3.1弹性元件的选择

电阻应变式称重测力传感器按照弹性元件的受力状态可分为拉压式 柱式、筒式和环式 、弯曲式梁式和剪切式三类。为了改善悬臂梁特性，在提高动特性的同时也增加灵敏度 ,将梁做成各种形状，以改变其应力分布并增强刚度，双孔梁就是其中有代表性的一种。

双孔梁的结构如图所示,在板状梁上有两个孔 ,在梁的端部有集中力作用时 ,孔承受弯曲变形。将应变片粘贴在孔的壁 ,应变片处于相反的应力区,根据应力分布图可以看出 ,受力点位置变化时 ,一孔的弯矩增加，另一孔的弯矩减小，可在桥路自动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置的要求也有所降低。

图2—7双孔梁结构图

在称重和测力领域 ,经常采用拉压式和弯曲式应变传感器 ,该电路在精度和稳定性上已达到一定的水平 ,而双孔梁称重测力传感器有零弯矩区 ,高度小 ,对加载方式和受力点移动不敏感 ,且抗偏心、抗侧向力 ,所以选用的称重传感器部采用双孔梁作为弹性元件。 2.3.2 信号转换放大部分

AD620是一种低耗高精度仪表放大器

图2—8信号滤波放大电路

上图中电容C5、C6用来滤除采样信号中的高频噪声，选用0.1uF的普通独石电容。电容C7、C8用来消除采样信号中的低频噪声电阻，选22uF的普通独石电容。电阻R3、R4选用较小的阻值，采样信号电压值只有毫伏级。

微弱信号Vi1和Vi2被分别放大后从AD620的第6脚输出。通过改变R15的阻值可使V0与RET之间的压差变化，从而实现调零、去皮的功能。

2.3.3 A/D转换部分（ICL7315）

ICL7315是一种双积分式4位半单片A/D转换器，其工作原理是将输入电

压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（俯冲频率），再通过定时器（计数器）获得数字信号。其部结构分为模拟部分和数字部分。 参数 电源电压Vcc 参数值 +-5V +-2V 40KHZ–1MHZ 表2—1 ICL7135的电参数 Vin 时钟频率 基准电容Cr 1uF 校零电容Caz 1uF

图2—9 信号数模转换电路图

1、 时钟频率Fck的选择 Fck=N*Ff/K

式中，Ff为干扰信号的频率，最大的干扰信号一般为供电电源的干扰，其频率为50Hz。对于ICL7135，取N=10000，并取K=1，则Fck=500KHz. 2、 积分电阻Rint Rint=Vxm/2uA

式中，Vxm为满量程电压，取2V，则Rint=100K。 3、 积分电容 Cint

Cint>=N*20Ua/Fck·Vm

对于ICL7135，N=10000，取Vm=4V,Fck=500KHz,所以Cint=0.1Uf 2.3.4 单片机控制部分

图2—10 AT89C51 最小系统电路图

第三章 软件设计

电子称软件设计均采用模块化设计，整个程序包括主程序、定时中断程序、INTO中断程序按键程序、数据处理子程序(双字节乘法、二一十进制转换程序及逆转换程序)、LCD十六位液晶静态显示子程序等模块。所有程序均采用C汇编语言编写。电子计价秤的软件设计思路说明如下：主程序的作用为程序初始化，

计算单价木单重(单价和单重分别在定时中断程序和INT0外部中断程序中获得)，并时时显示十进制的单重，单价，总价。设定T0为计数工作方式，T1为

开始初始化LCD自动校准开中断INT0和INT1读AD转换数据计算金额和总价显示清单Y清单=0？N显示商品单价、重量等信息定时工作方式。其中R0为标志位寄存器当为OOH时为正常显示方式。当为01H时为累计显示方式，在T1定时中断程序中。一秒钟采样物料重量(已转成脉冲频率)，并赋值重量计算RAM区和显示RAM区。在INTO外部中断程序中，采样单价并赋值单价计算。

3.1主程序流程图

图3—1 主程序流程图

图3—2 ICL7135中断程序流程图

第四章 课设小结

本次电子秤的设计

1.使我们初步理解了分析问题的方法，步骤。采用面向对象的思想，分层次、分模块构建设计的总体框架

2.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。 3.熟悉了软件设计的模块化的思路 存在的问题:

1、电子电路的设计中对各种影响因素的考虑不够完全，比如在对过电压情况的处理中未作防措施。

2、系统设计不够优化，有待改善。比如系统的超量程信号直接由单片机送入报警电路，没有设计保护电路再入单片机处理后送入报警电路。

3、没有扩展更多电路，如日历时钟电路、通讯接口电路等。日历时钟电路可以显示购货日期，通讯接口电路可以与上位机（PC机）进行通讯，从而将大量的商品数据存于上位机，然后通过串口或并口通讯与电子称相连，达到远距离控制的目的。

4、对各种实用芯片价格了解不够，选择上任有欠缺，如所选的称重传感器价格较贵。

参考文献

[1]基于单片机的多功能电子秤设计（PDF格式轻工学院 来源： [2] 51单片机的电子秤课程设计论文（WORD格式）来源： [3] icl7135中文资料 来源： [4] 陶宝祺.电阻应变式传感器.:国防工业,1993

[5]迎春、叶湘滨.传感器原理与应用.:国防科技大学,2006 [6]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.:国防工业,1999