应变式传感器电子称设计.doc

基于应变式传感器的电子称设计 08电科2班 08040211王昊 - 11 -专业 电子科学与技术专业 姓名 王昊 班级 电科08-2 学号 08040211题目 基于应变式传感器的电子称设计基于应变式传感器的电子称设计1.概述社会不断发展，技术不断提高，家电设备日新月异，但初高中实验室的设备却依然是那样陈旧，最明显的当是称重设备，依然是天平，天平构造和制作简单，但读数容易出现误差，且容易损坏和老化，调节平衡时过于麻烦，浪费时间，而数显电子称则很好地避免了这些不足，放上物体即可读数，准确而快速， 方便实用，易于携带，不受场所制约。目前国际化的趋势是小型化、模块化、集成化、智能化等，技术性能则趋于速率高、准确度高、稳定性高等，可以说靠天平比较两物体的轻重很方便，但说到快、准则是电子称更优。传感器技术是现代科技的前沿技术，随着工业自动化、信息化的发展，以往称重的器械已跟不上时代的潮流，我们应跟上世界的步伐，往小里说，方便，往大了说，解放人类劳动力，称重行业也需要一种在称重过程中准确计量且具有极高的灵敏度、具有较强的环境适应能力的称重器械，不受大气压力等外界干扰的影响，更易于普遍，加上比以往传感器更长的寿命，通过试验和创新后的应变式传感器电子称将会够受欢迎。此外，利用应变式传感器制作的数显电子称，易于制作、简单实用、成本低廉、体积小巧等多个优点，所以在市场上也有很大的上升和推广空间。本次设计的基于应变式传感器的数显电子称，主要用于实验室小件物体的称重，给老师和学生提供方便，节省时间，由于是实验室的设备，不需要每人配一件，只需有3-10台，够用即可，因此要满足小巧可移动性，方便从这一实验桌到另一实验桌的搬动。通过分析和讨论各个部分的电路原理、控制策略、实现方法等，达到使商用称重还是实验室称重的实用目的。合理应用所学的知识，充分发挥电阻应变式传感器的功能，灵活搭配各个元器件，就能组装出一个电子称，需要各方面的能力包括理论知识和动手操作等，因此需要在课程设计前做好充分的准备，从选课题到付出实际行动都要认真仔细的思考仔细得做，遇到问题，就分析解决问题，直至连接成功。数显电子称的量程可调，可通过换用应变片和电路的总增益，来调节量程，达到称重范围广，小件测量精确的效果，当然，今日我发现也可以用于到校门口购买水果称重（可能有点异想天开），因为每次到学校门口买水果和地瓜，总是缺斤少两，很是不痛快，物价可以贵，但不能坑人嘛！可以说，无论是生活还是学习、工作，数显电子称都能够帮到我们，因此对数显电子称的制作和改良是很有必要的。未来的世界是轻松的世界，想想就是，连称重都如此简单了、。2.设计内容及总体方案要实现对物体质量的测量，必须有测量电路测出物质的重量信号，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。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。具体方案如下：电桥测量：电阻应变式传感器输出信号差动放大电路和二级放大电路放大信号显示电路（LED）A/D转换电路（双积分）现如今人们都追求高质量的生活，但质量高低，得有个评判的标准，于是，电子称诞生了。电子秤具有称重精确度高，简单实用，携带方便成成本低，制作简单，测量准确，分辨率高，不易损坏和价格便宜等优点,是学生在校外地摊购买水果的首选。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（采用双放大电路，即先后进行连续两次放大，然后将信号输出），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。3.单元模块的具体设计1测量电路：电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化 , 再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。在这里，我用电阻应变式传感器作为测量电路的核心。并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度。（1）电阻应变式传感器的组成及原理电阻应变式传感器简称电阻应变计。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得重力、变形、扭矩等机械参数 。结构如图1应变片 引出线 固定垫圈 固定螺丝 限程螺丝 模块 弹性体 托盘 加热丝 应变片 图1 应变式传感器结构示意图 由图可见，电阻应变片、弹性体是电阻应变传感器中不可缺少的部分。（2）电阻应变式传感器的测量电路由于室温的不确定性和机械间的不确定因素，应变片可能存在零点漂移，这就需要进行温度补偿，我采用全桥接法，通过调节两个桥臂电阻的大小，达到温度补偿的效果。基于前几周刚做完传感器实验，故模仿其中的应变式传感器单臂电桥所接全臂电桥实验接线图如下：R1R2R3R4R5R6RP1E图 2 全桥称重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做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。 在加上Rp1，就可以调节零点漂移，达到温度补偿的效果，实验室温度大体恒定，调好后一季的时间内可以保持不变。它由箔式电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，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，组成零调整电路，当载荷为0时，调节RP1使数码显示屏显示零。但在调好后，在称重时不能再改变它，以免产生误差。4差动放大模块1.差动放大电路物体质量信号产生后，要求用一个放大电路，即差动放大电路。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，为保证放大倍数足够，我采用双放大模式，即前后分别对信号进行放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求。我选用LM324四运放，连接组成两级差动放大电路，初级放大电路如图3A1A2R8R8R7VoViVi1Vi2I推导过程：I=Vo=(R8+R7+R8)I=(1+)Vi，图 3 初级放大电路则Avf=1+考虑到旋钮旋转的角度有限，若采用单级差动放大，在放大倍数足够的条件下，调节旋钮的精度就会降低，调零的时候难以数显为零，给测量带来不必要的麻烦，同时，为保证经放大的信号足够大，采用又一级放大电路，来提高整个系统的增益，这样既满足了放大倍数的要求，也使得旋钮角度增加，调零更加容易，也可以是R8足够大，第一级放大满足倍数的要求，第二级只用来满足调零的需要，即让一级差动放大调节在实验室温度下，第二级的滑动变阻器可以适当缩小，这样会使调零更加准确。两级放大的电路如图 4。2.所用芯片LM324LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有图 4 两级放大电路5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2。 图 5 运放引脚 图 6 LM324引脚接线 由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。5.A/D转换模块图 7 ICL7107引脚接线显示测量仪表以集成芯片(比如ICL7107芯片)集成显示为主,或者进行A/D转换后,简单地用单片机技术实现数字显示,单片机技术只是运用于简单的显示作用.由于随着计算机辅助教学在电工电子等教学设备的应用,迫切要求教学设备的硬件结构符合计算机双向控制的要求，我也采用ICL7107来构成A/D转换模块，引脚功能如图7 1.ICL7107简介ICL7107是高性能、低功耗的三位半数模转换器，包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。根据各个引脚的功能，加上一些简单的元器件，连接成A/D数显模块，最右端连接四个七段显示译码管，由下至上编号1234，位数又低至高，显示物体实际质量。其中7107集成块时核心部件，用以实现模数转换。ICL7107将通用性、高精度和低成本真正的结合在一起，又低于10的自动校零功能，零漂小于1/度。ICL7107特点： ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMoS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1 个字。 能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN 。 在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF 。 能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。 输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。 整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。 噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。 芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。 不设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数数码管公共阴极接V+。表一 ICL7107主要参数： 电源电压ICL7107 V+ to GND6V温度范围0 to 70ICL7107 V- to GND-9V热电阻PDIP封装qJA(/W)50 MQFP封装80 最高储存温度范围-65 to 150 V+ to V-最大结温150 2.A/D转换电路原理图图 9 A/D转换电路原理图3.ICL7107芯片的正常与否测试（1）关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在 3V 至 5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。（2）注意芯片 27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。（3）注意接地引脚：芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30 脚或 35 脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。 本文不讨论特殊要求应用。（4）负电压产生电路：负电压电源可以从电路外部直接使用 7905 等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个 +5V 供电就可以解决问题。比较常用的方法是利用 ICL7660 或者 NE555 等电路来得到，这样需要增加硬件成本。我们常用一只 NPN 三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片 38 脚的振荡信号串接一个 20K 56K 的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为 2.4V 2.8V 为最好。这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过 2 只 4u7 电容和 2 支 1N4148 二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给 ICL7107的 26 脚使用。这个电压，最好是在 3.2V 到 4.2V 之间。（5）如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有“短路”或者“开路”故障，那么，电路就应该可以正常工作了。利用一个电位器和指针万用表的电阻 X1 档，我们可以分别调整出 50mV,100mV,190 mV 三种电压来，把它们依次输入到 ICL7107的第 31 脚，数码管应该对应分别显示 50.0,100.0,190.0 的数值，允许有 2 3 个字的误差。如果差别太大，可以微调一下 36 脚的电压。（6）比例读数：把 31 脚与 36 脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是 100.0 ，通常在 99.7 100.3 之间，越接近 100.0 越好。这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少 mV 无关，也无法在外部进行调整这个读数。如果差的太多，就需要更换芯片了。6.数码显示模块1.直插式七段显示译码管简介常用的直插封装LED规格有3、5、8、10，指的是直插式LED帽身的直径尺寸（单位是mm）。其中最常见的是5型LED产物，这里就选用这种规格大小布线。不过PCB布线图是按照实验室实际尺寸来画的，也是直插式。译码管的七个引脚按序排列，组成的二进制数再转化成相应的十进制数，就通过二极管的位置组合显示出来，我们可以方便快速的的读数。七段译码管工作的真值表如下： 表 二我采用共阴极接法，即输入七段显示译码管每个引脚的高电平有效，当输入为1时，译码管中的二极管灯亮，按照上表所示，显示数字，其引脚接线如图9：图 10 二极管引脚接线将物体质量信号产生模块、差动放大模块、模数转换和显示模块连接，组成完整的电路原理图附图1：7.参考资料1. 程德福，王君.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，20082. 邱关源.电路.北京：高等教育出版，20083. 童诗白.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，20084. 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2009