传感器课程设计---称重传感器应用电路设计.doc

东北石油大学 课 程 设 计 2012 年 6 月 25 课 程 传感器课程设计 题 目 称重传感器应用电路设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 测控 2009-1 学生姓名 黄俊 学生学号 090601240128 指导教师 殷海双 路敬祎 任务书 课程课程 传感器课程设计传感器课程设计 题目题目 称重传感器应用电路设计称重传感器应用电路设计 专业 测控技术与仪器 姓名 黄俊 学号 090601240128 主要内容：主要内容： 使用称重传感器，设计一台电子称电路，可称重 5 千克，精度 10 克。 设计开始先查阅相关资料，如元器件资料、方案选择等，可以使用单片机方案， 也可以使用模拟电路方案，设计显示电路时显示*.*千克，并有相应的手动校正电 路。 基本要求：基本要求： 1设计以测量显示部分电路为主； 2要绘制原理框图； 3绘制原理电路； 4要有必要的计算及元件选择说明； 5提供元件清单； 6如果采用单片机，必需绘制软件流程图 主要参考资料：主要参考资料： 1 黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用m.电子科技大学出版社,2004 2 王琦.电阻应变式称重传感器的设计j.木材加工机械.2005(3) 3 缪少勇.浅谈称重传感器工作原理及故障排除j.科学之友.2010(14) 4 施昌彦.称重传感器计量规程j.试验技术与试验机.1987(4) 5 张国维.测控电路m.机械工业出版社,2007 完成期限 2012.6.252012.6.29 指导教师 专业负责人 2012 年 6 月 25 日 传感器课程设计 摘 要 在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的 进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技 术的发展传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量 装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人 们的青睐。电阻应变式传感器具有测量范围广、精度高、误差小和线性度好等优 点，且能在恶劣环境下工作，在力、压力和重量测试中有非常广泛的应用，力传 感器具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。所以电阻应变 式力传感器制作的数显电子秤具有准确度高易于制作，简单实用、成本低廉、体 积小巧、携带方便等特点。 关键词：称重传感器、电阻应变计、精度、显示 传感器课程设计 目 录 一一、设计要求设计要求.1 二、方案设计二、方案设计.1 1、方案说明.1 2、方案论证.2 三、传感器工作原理三、传感器工作原理.2 四、电路的工作原理四、电路的工作原理.4 五、单元电路设计、参数计算和器件选择五、单元电路设计、参数计算和器件选择.6 1、测量电路.6 2、差动放大电路.7 3、a/d 转换8 4、显示电路设计.9 5、系统需要的元器件清单.10 六、六、总结总结.11 传感器课程设计 1 称重传感器应用电路设计 一 、设计要求 使用称重传感器，设计一台电子称电路，可称重 5 千克，精度 10 克。 设计开始先查阅相关资料，如元器件资料、方案选择等，可以使用单片机方 案，也可以使用模拟电路方案，设计显示电路时显示*.*千克，并有相应的手动 校正电路。 二、方案设计 1、方案说明 在设计系统时，针对各个电路模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下两 种： 方案一 模拟电路方案 首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号。其次， 由差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送 a/d 转 换电路中。然后再由 a/d 转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到 显示电路。最后由显示电路显示数据，系统设计总体方案框图如图 1 所示。 电阻应变式 传感器 差动放大 电路 显示电路 （led） a/d 转换 电路 图 1 模拟电路总体系统框图 方案二 单片机方案 按照本设计功能的要求，系统由 5 个部分组成：控制器部分、信号采集部 分、报警部分、数据显示部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图 2 所示。 传感器课程设计 2 图 2 单片机总体系统框图 信号采集部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计 为电压信号） ，而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路， ）处理后，送 a/d 转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自 a/d 转换器输出的数 字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储 到存储单元中。控制器还可以通过对扩展 i/o 的控制，对键盘进行扫描，而后通 过键盘散转程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。 电路电源部分主要是为电路提供稳定方便的电源，将工频电压直接转换成所需的 5 伏电压。报警部分只要是在超重时对使用者发出警告声。 2、方案论证 鉴于本电子秤的设计并不太复杂，通过方案比较，由于方案一采用器件较少， 成本较低，电路实现简单，且方案一完全能实现所需功能，所以在具体设计时， 采用了第一种设计方案。 首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，该重 量信号通过差动输入和调理放大电路后，以模拟信号的方式传送到 a/d 转换器。 其次，由 a/d 转换电路把模拟信号转换成数字信号送给数码管，最后由显示电路 显示数据。 三、传感器工作原理 传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传 感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确使用传感器至关重要， 它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠 性和安全性。因此传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关 压力传感器 中央处理单元 模/数转换 led 显示 电源电路 信号放大调理电路 超重报警 传感器课程设计 3 键环节。 称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯 电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由式（1）给出： （1） 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁） 在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同 产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相 0 应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力 变换为电信号的过程。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可 缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。 （一）电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成 为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数 k。我们来介绍一下它的意义。设 有一个金属电阻丝，其长度为 l，横截面是半径为 r 的圆形，其面积记作 s，其 电阻率记作 ，这种材料的泊松系数是 。当这根电阻丝未受外力作用时，它的 电阻值为 r： r = l/s（） （2） 当他的两端受 f 力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长 l， 其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少 r。此外，还可用实验证明，此金属 电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作 。 对式（2）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们 有： r = l/s + l/s sl/s2 （3） 用式（2）去除式（3）得到 r/r = / + l/l s/s （4） 另外，我们知道导线的横截面积 s = r2，则 s = 2r*r，所以 e r r r r r r r r rr rr uo)( )( 2 4 4 3 3 2 2 1 1 42 4 传感器课程设计 4 s/s = 2r/r （5） 从材料力学我们知道 r/r = -l/l （6） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。 是表示材料横向效应泊松系 数。把式（5）式（6）代入式（4） ，有 r/r = / + l/l + 2l/l =（1 + 2（/）/（l/l） ）*l/l = k *l/l （7） 其中 k = 1 + 2 +（/）/（l/l） （8） 式(7)说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长 度相对变化）之间的关系。 需要说明的是：灵敏度系数 k 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定 的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的 k 值一般在 1.73.6 之间；其次 k 值是一个无因次量，即它没有量纲。 在材料力学中 l/l 称作为应变，记作 ，用它来表示弹性往往显得太大，很 不方便。常常把它的百万分之一作为单位，记作 。这样，式（7）常写作： r/r = k （9） (二) 弹性体 弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传 感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个 高品质的应变场（区） ，使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号 的转换任务。 （三）检测电路 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电 桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较 方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广 泛的应用。因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响 容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。 传感器课程设计 5 四、电路的工作原理 电子秤完整电路图如下图 3 所示，其电路构成主要有测量电路，差动放大电 路，a/d 转换，显示电路。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感 器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种 新型结构的测量装置。而差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信 号进行一定倍数的放大，以满足 a/d 转换器对输入信号电平的要求。a/d 转换的 作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示 电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。 传感器课程设计 6 图 3 电子秤完整电路图 传感器课程设计 7 当电桥平衡时，r1=r2=r3=r4=r，此时电桥的输出 v0=0，当四桥臂的应变 片受力变化后，输出变为：v0=ke 从传感器测量电路出来的模拟信号很微弱，必须通过放大器电路对其 进行一定倍数的放大，才能满足 a/d 转换器对输入信号电平的要求。我们选择两 个运放组成的差动输入模块，该电路具有共模抑制比高和调节方便的特点，从差 动放大电路输出地信号送调理滤波电路进一步放大和调理，可以将微弱的压力信 号放大到满足 a/d 转换的要求。 采用 5kg 量程的传感器，在空载时，可设定调理放大电路输出模拟量为 0v，若压力为 5kg，输出模拟量为 200mv，则平均每 1g 对应 1lsb 变化量，对 应电压变化值为 0.4mv。 五、单元电路设计、参数计算和器件选择 1、测量电路 电阻应变片可直接粘贴在被测量的受力构件上，测量应力、应变。然而要测 量其他被测量（如力、压力、加速度等），就要先将这些被测量转换成应变，然 后再用应变片进行测量，比直接测量多了一个转换过程，完成这种转换的原件弹 性敏感原件。由弹性敏感元件和应变片，以及一些附件（补偿元件，壳体等）便 组成各种电阻应变式传感器。 电阻应变片的电阻变化范围为 0.00050.1 欧姆。所以测量电路应当能精确 测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中常用的是桥式测量电路。 桥式测 量电路有四个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压 e，另一个对角线为输出电 压 uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，否则就 有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变 化。 测量电桥如图 4。 图 4 传感器的测量电路 传感器课程设计 8 它由箔式电阻应变片电阻 r1、r2、r3、r4组成测量电桥，r1、r2、r3、r4 为特性相同的应变片,且有 r1=r2=r3=r4=r，测量电桥的电源由稳压电源 e 供给。 物体的重量不同，电桥不平衡程度不同，指针式电表指示的数值也不同。滑动式 线性可变电阻器 rp1作为物体重量弹性应变的传感器，组成调零电路，当载荷为 0 时，调节 rp1使数码显示屏显示零。其输出电压为： u = (r /r-r /r-r /r+r /r) 1 4 e 1243 （10） r =r =r，r =r =-r 1324 （11） 则有 u = *4*r/r=ek 1 4 e （12） 2、差动放大电路 图 5 差动放大电路 差动放大电路是由比较器 a1、a2 组成的，其工作原理：在许多需要用 a/d 转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱， 必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足 a/d 转换器对输入 信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。仪表仪器放 大器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器 lm358，广泛应 传感器课程设计 9 用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。本设计中差动放 大电路结构图如图 5 推导过程： i = (v -v)/r 1 i2i7 （13） v = (r81+r7+r82)i 0 = (1+)i 7 8 2 r r （14） 则有 a=1+=13 vf 7 8 2 r r （15） 3、a/d 转换 a/d 转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。 在选择 a/d 转换时，先要确定 a/d 转换的位数，该设计运用的是双积分式 a/d 转换器 icl7106，a/d 转换误的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范 围和精度有关，系统精度涉及的环节很多，包括传感器的变换精度，信号预处理 电路精度 a/d 转换器以及输出电路等。 3.1 icl7106 双积分型的 ad 转换器的特点 a.直接输出 7 段译码信号 b.7106 直接驱动 led c.位十进制 a/d 转换器 d.双积分型电路 传感器课程设计 10 3.2 双积分 a/d 转换器结构与原理 icl7106 的性能特点：7v15v 单电源供电，可选 9v 叠层电池，有助 于实现仪表的小型化。低功耗（约 16mw），一节 9v 叠层电池能连续工作 200 小时或间断使用半年左右。 输入阻抗高（1010）。内设时钟电路、2.8v 基准电压源、异或门输出电 路，能直接驱动 3位 led 显示器。 属于双积分式 a/d 转换器，a/d 转换准确度达0.05，转换速率通常选 2 次秒5 次秒。具有自动调零、自动判定极性等功能。通过对芯片的功能检 查，可迅速判定其质量好坏。 外围电路简单，仅需配 5 只电阻、5 只电容和 led 显示器，即可构成一块 dvm。其抗干扰能力强，可靠性高。 icl7106 的工作原理： icl7106 内部包括模拟电路和数字电路两大部分，二 者是互相联系的。一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关 接通或断开，保证 a/d 转换正常进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号 又控制着数字电路的工作状态和显示结果。 模拟电路：模拟电路由双积分式 a/d 转换器构成。主要包括 2.8v 基准电压 源（e0）、缓冲器（a1）、积分器（a2）、比较器（a3）和模拟开关等组成。 缓冲器 a4 专门用来提高 com 端带负载的能力，可谓设计数字多用表的电阻挡、 二极管挡和 hfe 挡提供便利条件。这种转换器具有转换准确度高、抗串模干扰能 力强、电路简单、成本低等优点，适合做低速模数转换。每个转换周期分三个 阶段进行：自动调零（az）、正向积分（int）、反向积分（de），并按照 azintdeaz的顺序进行循环。令计数脉冲的周期为 tcp，每个测量周 期共需 4000tcp。其中，正向积分时间固定不变，t11000tcp。仪表显示值 n=* cp t t1 ref in u u （16） 将 t11000tcp，uref100.0mv 代入上式得 传感器课程设计 11 n10uin 或 uin0.1n （17）只要把小数点定在十位上，即可直读结果。满量程时 n2000，此时 um2uref200mv，仪表显示超量程符号“1”。 4、显示电路设计 欲测量 2v 以上的直流电压，必须利用精密电阻分压器对 uin 进行衰减。积 分电阻应采用金属膜电阻，积分电容宜选绝缘性好、介质吸收小的聚苯乙烯电容 或聚丙烯电容。 数字电路：数字电路主要包括 8 个单元：时钟振荡器；分频器；计数 器；锁存器；译码器；异或门相位驱动器；控制逻辑；led 显示器。 时钟振荡器由 icl7106 内部反相器 f1、f2 以及外部阻容元件 r、c 组成。若取 r120k，c100pf，则 f040khz。f0 经过 4 分频后得到计数频率 fcp10khz，即 tcp0.1ms。此时测量周期 t16000t04000tcp0.4s，测 量速率为 2.5 次秒。f0 还经过 800 分频，得到 50hz 方波电压，接 led 的背电 极 bp。led 须采用交流驱动方式，当笔段电极 ag 与背电极 bp 呈等电位时不 显示，当二者存在一定的相位差时，液晶才显示。因此，可将两个频率与幅度相 同而相位相反的方波电压，分别加至某个笔段引出端与 bp 端之间，利用二者电 位差来驱动该笔段显示。驱动电路采用异或门。其特点是当两个输入端的状态相 异时（一个为高电平，另一个为低电平），输出为高电平；反之输出低电平。7 段 led 驱动电路如图所示。图中，加在 a、b、c 笔段上的方波电压与 bp 端方波 电压的相位相反，存在电位差，使这三段显示。而 d、e、f、g 段消隐，故可显示 数字“7”。显见，只要在异或门输入端加控制信号（即译码器输出的高、低电平）， 用以改变驱动器输出方波的相位，就能显示所需数字。 icl7106 与数码显示器被设计成一个量程为 200mv 的电压表。把差动放大器 输出的电压信号转换成数字信号。便携式电子手提秤的量程为 2kg5kg，称重传 感器在 5kg 时的输出约为 200mv。 5、系统需要的元器件清单 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 1模数转换器icl71061 2压力传感器1 传感器课程设计 12 3数码管4共阳极 49v 叠层电池1 5集成运放ne5552 6陶瓷电容1000pf1 7陶瓷电容100pf1 8电容0.1f1 9电容0.47f1 10电容0.01f1 11电容0.22f1 12 电阻 22k2 13 电阻 30k3 14 电阻 1k4 15 电阻 10k3 16 电阻 100k3 17 电阻 1000k1 六、总结 目前，电子秤正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。icl7106 采用 较小的封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少，满足了电子秤小型化的需 求；其内置各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过 spi 接口方便地控 制和读取这些寄存器，满足了电子秤智能化的需求。因此 icl7106 是电子秤 中模数转换器的想选择。 在电子技术的课程设计中，我花了大量的时间和精力进行资料查阅和 方案论证，结合自己所学，认真解决每一个功能模块中遇到的问题有时， 为了解决一个具体问题，竟到了绞尽脑汁的地