（通信与信息系统专业论文）基于单片机的数字式电子热量秤设计.pdf

摘要 摘要 本文的主要内容是以单片机为核心研制出新型的数字式电子热量秤( 以 下简称为热量秤) ，在软硬件控制下实现智能化称重，并根据重量直接换算 出常见食物的热量。该设计准确度高，稳定性好，在不增加成本的前提下， 通过单片机技术，开发了电子秤的新功能，为电子秤的发展开辟了新的道路。 电子秤因可实现技术的多种多样，成本降低到已经进入人们的日常生活，成 为每家每户都购买得起的家用电子产品，在功能上还需要进一步改进，满足 更多新的需求。在全民重视健康，生活品质日益提高的今天，电子秤除了能 实现称重，智能化和开发新功能是设计研发的主要趋势。 本文以单片机m c s 5 1 系列的8 0 5 1 集成电路为信息处理核心，提出数 字电子热量秤的硬件设计方案，详细分析各单元的硬件电路，给出了仪器电 路设计与软件流程，及相关电路原理图、流程图，最后介绍了产品的误差来 源与误差分配。 关键词：电子称；数字式：单片机；热量称 i l a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a i nc o n t e n to ft h i sa r t i c l eb a s e do ns i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e ri s d e v e l o p e dan e wd i 西t a le l e c t r o n i ch e a ts c a l e ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt o 舔t h eh e a t s c a l e ) ，i n t h ec o n t r o lh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a n dr e a l i z et h ei n t e l l e c t u a l i z e d w e i g h i n ga c c o r d i n gt ot h ec o n l m o nf o o dd i r e c t l yc o n v e r s i o nw e i g h to fh e a t n e d e s i g no fh i g ha c c u r a c y , g o o ds t a b i l i t y , w i t h o u ta n yi n c r e a s ei nc o s t ，u n d e rt h e p r e m i s eo fs i n g l e c h i pc o m p u t e rt e c h n o l o g y , d e v e l o p e db yt h en e wf u n c t i o n ， e l e c t r o n i cm i c r o e l e c t r o n i cd e v e l o p m e n to p e n san e wr o a d b e c a u s et h et e c h n o l o g y c a nr e a l i z ee l e c t r o n i cv a r i e t y , l o w e rc o s tt oh a v ee n t e r e dp e o p l e sd a i l yl i f e 弱e v e r y f a m i l yc a n + a f f o r dp u r c h a s eo fh o u s e h o l de l e c t r o n i c s ，o nt h ef u n c t i o na l s on e e d s f u r t h e ri m p r o v e m e n tt om e e tn e wd e m a n d sm o r e i nt h en a t i o n a le m p h a s i so nh e a l t h a n dl i f e q u a l i t y , b u tc a l lr e a l i z ee l e c t r o n i cw e i g h i n g ，i n t e l l i g e n ta n dd e v e l o pn e w f u n c t i o ni st h em a i nt r e n do fd e s i g na n dd e v e l o p m e n t b a s e do ns c mm c s 5 1s e r i e s8 0 5 1 i n t e g r a t e dc i r c u i t 笛i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gc o r e ，d i g i t a le l e c t r o n i ch a r d w a r ed e s i g ns c h e m eo fh e a ts c a l e ，ad e t a i l e d a n a l y s i so ft h eu n i t ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ef l o wi n s t r u m e n tc i r c u i td e s i g n , a n dr e l a t e dc i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a m ，f l o wc h a r t s ，f i n a l l yi n t r o d u c e st h es o u r c e so f e r r o ra n de r r o rb u d g e t k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cs c a l e s ；d i g i t a l ：s i n g l e c h i p ：h e a ts c a l e i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得壶昌太堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：谲嘎 签字日期： 如1 1 7 年7 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 事写) ：寺己殴 导师签名( 手写) ：尹搏 学位论文作者签名( 手写) ：碗良导师签名( 手写) ：歹兵书 签字日期：k c l 年1 1 月1 日 签字日期： b 呵年f 朔 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 物料计量是工业生产和贸易流通中的重要环节。称重装置或衡器是不可缺 少的计量工具。随着工农业生产的发展和商品流通的扩大，衡器的需求也日益 增多，之前所沿用的机械杠杆秤已不能适应生产自动化和管理现代化的要求。 自六十年代以来，由于传感器技术和电子技术的迅速发展，电子称重技术日趋 成熟，并逐步取代机械秤。尤其是七十年代初期，微处理机的出现使电子称重 技术得到了进一步的发展。快速、准确、操作方便、消除人为误差、功能多样 化等方面已成为现代称重技术的主要特点。称重装置不仅是提供重量数据的单 体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业 生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低 能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面 的作用。称重装置的应用已遍及到国民经济各个领域，取得了显著的经济效益。 同时对称重仪表的要求也越来越高，要求仪表具有更高抗干扰能力、更高的精 度【1 , 2 1 。 5 0 年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。6 0 年代初期出现机 电结合式电子衡器以来，经过多年地不断改进与完善，我国电子衡器从最初的 机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和 检测试验手段基本达到国际9 0 年代中期的水平，电子衡器制造技术及应用也因 此得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展，计量方法从模拟 测量向数字测量发展，测量特点从单一参数测量向多参数测量发展，特别是对 快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量 和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、 工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、 可靠性和稳定性较差等【”】。 1 1 1 行业特点 ( 1 ) 衡器产品应用范围广：衡器是指计量物体质量( 或重量) 的器具和装 备，是应用范围最广泛，品种数量最多的计量装备。据统计，世界上有6 0 以 上的产品都要经过称重计量。衡器广泛应用于工业、农业、商业、外贸、交通、 第1 章引言 医疗保健国防建设和科学研究等各种领域。在中国，衡器被列为国家重点管理 的法制计量器具。 ( 2 ) 衡器企业分布范围广：进入二十世纪八十年代后期，除轻工系统的原 有2 0 0 来个衡器工厂外，另有机械、电子、航空? 航天、化工、冶金、煤炭、 交通、铁路、计量、农业、饲料、物资等十多个部门和一些地方的乡镇企业约 4 0 0 多个行业，纷纷跨入衡器制造行业。企业隶属关系复杂，所跨部门之广， 为其它行业所罕见。直到现在，衡器行业中条条、块块的影响力仍然很大，行 业管理有相当地难度。 ( 3 ) 衡器技术更新速度较快：虽然衡器行业是个古老行业，但现代衡器则 是融合计算机、微电子、信息处理和自动控制等多项机电技术的知识密集型产 品。今天的衡器，除计量的功能外，还具有监测、运算、控制、管理等多项功 能，成为控制产品质量、降低物品消耗、提高劳动效率、保护正当商贸等环节 中不可缺少的计量与控制设备。 1 1 2 行业现状 衡器行业基本由小型企业组成，职工总数约4 5 万人，共有固定资产原值 约2 1 亿元，固定资产净值约1 1 亿元。行业中，国有及国有控股企业约占企业 总数的5 ，集体企业约占2 5 ，独资、合资企业约占7 ，股份制企业约6 。 其余多为私营企业，其规模一般很小，产值总计还不足行业的1 5 。 根据中国衡器协会1 9 9 9 年行业统计，全国生产衡器总量5 0 0 万台( 不含杆 秤和袖珍手提秤) ，总产值和年销售总额均在2 0 亿元左右，年出口额约9 7 0 0 万 美元。全行业实现利税总额1 4 亿多元，年利润总额约4 0 0 0 万元；其中，净盈 利总额1 亿元，亏损总额8 0 0 0 多万元，企业亏损面达4 7 4 ，衡器企业经营状 况“极化 趋向日益加剧。 “九五”以来，我国称重传感器和显示控制器的技术与生产有较大进步， 国产电子衡器产量及质量也不断提高，中国衡器正在告别机械衡器占主导地位 的时代。我国标准中划分的十大类衡器( 台秤、案秤、地上衡、地中衡、吊秤、 料斗秤、皮带秤、检验秤、轨道衡和特种秤) ，在国内都实现了产品电子化。比 较成熟的静态衡器计量范围可以从1 g 到8 0 0 t 。非自动衡器已达到国际九十年 代初期技术水平，如电子计价秤、电子地上衡、电子台秤、电子皮带秤、电子 第1 章引言 吊秤和电子轨道衡等产品。目前，已有4 个企业制造的电子计价秤，通过了国 际计量组织的o i m l 认证，性能与质量达到了当前国际水平。 “九五”期间，外资企业相继带来了一批国外先进水平的衡器产品和技术， 如应变计、传感器、仪表生产技术和自动重量检验秤、定量包装秤、标签计价 秤、电脑组合秤、耐压式计量给煤机等等，对于我国衡器工业既是一种补充， 也是一个促进。 有着古老历史的中国衡器行业，正紧密结合现代先进科学技术，成为一个 新兴高技术装备行业。 我国衡器发展与国际水平之间仍存在差距，主要表现为以下几点： ( 1 ) 基础理论研究方面的差距。国外在高准确度、高稳定度、动态称重和 称重智能化等方面均有领先的理论研究。与此形成鲜明对照的是国内称重理论 研究上人、财两弱，甚至到了难以为继的地步，形成我国落后于国际称重理论 研究的巨大差距。 ( 2 ) 产品技术方面的差距。衡器技术是集合了现代计量技术、通讯技术、 网络技术、工业控制、计算机技术的综合应用技术。我国在采用先进技术和先 进成果的速度与程度明显落后于国际水平，高档次衡器产品技术水平要落后 1 0 - 1 5 年。目前我国低档静态称重产品的生产能力过剩，而定量包装秤、配料 秤、自动重量检验秤等自动衡器和高档商业秤，仍处于起步阶段。 ( 3 ) 制造工艺及技术装备方面的差距。发达国家十分重视工艺技术的开发， 关键工艺必有关键设备，技术装备实用且先进。先进衡器产品的开发、制造、 调试、补偿、修正都是在程序下自动进行。相比来看，国内只有几个规模最大 的外资企业和新兴企业，才拥有先进开发手段和现代制造、检测装备，但这些 企业的数量不超过全行业总数的3 。 3 第1 章引言 1 2 国内电子秤的发展 现代社会的发展对当前的称重技术提出了更高的要求。目前，台式电子秤 在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：体积大、成本高、需 要工频交流电源供电、携带不便、应用场所受到制约等。现有的便携秤为杆秤 或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的是国家已经明 令淘汰的丰卜秤。多年来，人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的便 携式电子秤投放市场。称重技术地完善使之被广泛应用于电子、纺织、印染、 布艺、塑胶、五金、服装、印刷、玩具、化工、制药、食品、机械、金属、矿 山、科研、学校等各个行业领域。 通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器 总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、 准确度高、可靠性高、稳定性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制 信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性【5 1 。 ( 1 ) 小型化 体积小、高度低、重量轻，e p 4 , 、薄、轻。近几年新研制的电子平台秤结 构充分体现了小、薄、轻的发展方向。对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤， 可采用将薄型或超薄型的圆形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底面与称重传 感器外径相同的盲孔内，形成低外形的秤体结构，称重传感器的数量和位置由 秤的额定载荷和力学要求计算决定。钢板或铝板就是秤体的台面，称重传感器 既是传感元件，又是承力支点，极大地减化了秤体结构，减少了活动连接环节， 不但降低了成本，而且提高了稳定性和可靠性。对中等或较大容量的电子平台 秤、电子地上衡，已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢，并联排 队列焊接成一个整体的竹排式结构的秤体，4 个称重传感器分别安装在最外边 两根薄壁型钢两端的切口内，安装在称重传感器承力点上的固定支承就是秤体 的承力支点，既减化了承力传力机构，又节省了秤体高度，这是一种很有发展 前途的秤体结构。对于大型电子平台秤，可利用有限单元法进行等强度和刚度 计算，采用抗弯刚度大的型材和轻型波纹夹心钢板等。 ( 2 ) 模块化 4 第1 章引言 对于大型或超大型的承载器结构，如大型静动态电子汽车衡等，已开始采 用几种长度的标准结构的模块，经过分体组合，而产生新的品种和规格。以( 5 、 6 、7 ) m 长的同宽度3 种标准模块为例，由单块、二块、三块到四块分体组合， 可以组合成长度为( 5 2 8 ) i l l 的2 2 种规格的分体式秤体结构。当然在实际应 用中，根据各行业用户的需要，选择其中1 0 余种常用的标准规格即可。这种模 块化的分体式秤体结构，不仅提高了产品的通用性、互换性和可靠性，而且也 大大地提高了生产效率和产品质量。同时还降低了成本，增强了企业的市场竞 争能力。 ( 3 ) 集成化 对于某些品种和结构的电子衡器，例如小型电子平台秤、专用秤、便携式 静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等，都可以实现秤体与称重传感器，钢 轨与称重传感器，轨道衡秤体与铁路线路一体化。如秤体与称重传感器一体化 的便携式静动态电子轮轴秤，多用硬铝合金厚板制成。其结构原理是经过固熔 热处理强化的铝合金板，或通过在4 个角上钻孔和铣槽分别形成4 个悬臂梁型 称重传感器；或在铝合金板的底面铣出多个对称的盲孔和盲槽形成整体剪切梁 型称重传感器。这就使得秤体与称重传感器合二为一，即铝合金板既是秤体台 面又是一个大板式称重传感器。以后者结构的l o t 便携式动态电子轮轴秤为例， 其尺寸为7 2 0 m m x 5 5 0 m m x 3 2 m m ，重量约为2 3 k g 。 ( 4 ) 智能化 电子衡器的称重显示控制器与电子计算机组合，利用电子计算机的智能来 增加称重显示控制器的功能。使电子衡器在原有功能的基础上，增加推理、判 断、自诊断、自适应、自组织等功能，这就是当今市场上采用微机化称重显示 控制器的电子衡器与采用智能化称重显示控制器的电子衡器的根本区别。 ( 5 ) 综合性 电子称重技术的发展规律就是不断的加强基础研究并扩大应用，扩展新技 术领域，向相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自动控制、 信息处理等问题。例如在流量计量专业，如果按照传统的理论和方法建造一套 标准大流量测量系统，价格相当昂贵。如果采用称重法即质量流量法，只要将 重量和时间测量准确，大流量的测量问题就迎刃而解了。对某些商用电子计价 秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要 求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进 第1 章引言 库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机 联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。 ( 6 ) 组合性 在工业称重计量过程或工艺流程中，不少称重计量系统还要求具有可组合 性，即测量范围等可以任意设定；硬件能够依据一定的工作条件和环境作某些 调整，硬件功能向软件方向发展；软件能按一定的程序进行修改和扩展；输入 输出数据与指令可以使用不同的语言和条形码，并能与外部的控制和数据处理 设备进行通信【5 1 。 6 第2 章系统硬件设计 2 1 设计的基本思路 第2 章系统硬件设计 当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗 友生变化同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。该信号经 放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到m c u 运 算控制。m c u 根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种 结果，如图2 l 所示。 2 2 称重传感器 刚2 1 电于秤的系统框图 ! 鬻 曾二 圉2 2 屯阻式压力传搏器 图2 3 电容式压力传感器 电阻应变式称重传感器原理 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，敏感粱) 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 第2 章系统硬件设计 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。 1 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，它的一个重要参数是灵敏度系数k 。 设有一个金属电阻丝，其长度为三，横截面是半径为r 的圆形，其面积记 作s ，其电阻率记作p ，这种材料的泊松系数是弘。当这根电阻丝未受外力作用 时，它的电阻值为： 肛p 告( q ) ( 2 1 ) 当他的两端受f 力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长缸， 其横截面积贝i j 缩小，即它的截面圆半径减少a 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p 。 对式( 2 1 ) 求全微分，即求出电阻丝伸长后，它的电阻值改变了多少，我 们有： i r 一卸喜圳詈一血譬 用式( 2 1 ) 去除式( 2 2 ) 得到 欲h p 址蟠 一。一+ 一一一 (23r p ls )厶。， 另外，我们知道导线的横截面积s = ，则a s = 2 1 t r * a r ，所以 6 s 厂 了。2 _( 2 4 ) sr ， 从材料力学我们知道 一a r 。4 z _ a l - z ( 2 5 )一一 一 l z ) l 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( 2 4 ) 、( 2 5 ) 代入( 2 3 ) ，有 8 第2 章系统硬件设计 其中k = 1 + 2 竺。坐+ 型2 “丝 一十一十一 r p ， ， 2 ( 1 + 2 弘运m - - ，_ b 7 a p = k e ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式( 2 6 ) 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 7 - - - , 3 6 之间；其次k 值是一个无因次量，即它没有量纲。 在材料力学中么上尼称作为应变，记作s ，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( 2 6 ) 常写作： a r r = k e ( 2 8 ) 2 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 转变为电信号的转换任务。 以托利多公司的s b 系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应 力分布。 设有一带有盲孔的长方体悬臂梁。 盲孔底部中，t b 是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。 主应力方向一为拉伸，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部分将 受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部分将受压缩，阻值减少。下面列出盲孔 底部中心点的应变表达式，此处不再推导。 t 型2 e 塑b 宰塑b ( h 糟h b h ( 2 9 ) 。一3 ) + 7o 9 第2 章系统硬件设计 其中：面上的剪力； b 一弹性模量： 妒一泊松系数； b 、b 、h 、h 一为梁的几何尺寸。 需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部 情况，而应变片实际感 受的是平均 状态。 3 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 相互抵消，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。 4 电阻应变计r e s i s t a n c es t r a i ng a g e 的组成与结构 能将工程构件上的应变，即尺寸变化转换成为电阻变化的变换器( 又称电 阻应变片) ，简称为应变计。一般由敏感栅、引线、粘结剂、基底和盖层组成。 将电阻应变计安装在构件表面，构件在受载荷后表面产生的微小变形( 伸长或 缩短) ，会使应变计的敏感栅随之变形，应变计的电阻就发生变化，其变化率 和安装应变计处构件的应变成比例。测出此电阻的变化，即可按公式算出构 件表面的应变，以及相应的应力。 将电阻应变计安装在构件表面，在应变计轴线方向的单向应力作用下，敏 感栅的电阻变化率和引起此电阻变化的构件表面在应变计轴线方向的应交之 比，称为电阻应变计的灵敏系数k ，即 。 k 一1 + 2 a( 2 1 0 ) 它表示电阻应变计输出信号与输入信号在数量上的关系，是电阻应变计的主要 工作特性之一。 敏感栅的栅长一般为0 2 - 1 0 0 毫米，电阻为6 0 - 1 0 0 0 欧( 最常用的为1 2 0 欧和3 5 0 欧) ，测量范围为几微应变至数万微应变( e ，1 微应变= 1 0 击毫米 毫米) 。 按敏感栅的材料，电阻应变计分为金属电阻应变计和半导体应变计两类。 1 0 第2 章系统硬件设计 5 金属电阻应变计的分类 金属电阻应变计的种类、所使用的材料和安装方法分述如下： 1 1 丝式应变计 这种应变计的敏感栅最常用的有丝绕式和短接线式两种。 丝绕式的敏感栅是用直径00 1 5 00 5 毫米的金属丝连续绕制而成，端 部呈半圆形。如果安装应变计的构件表面存在两个方向的应变，此圆弧端除了 感受纵向应变外，还能感受横向应变，后者称为横向效应。若对测量精度的要 求较高，应考虑横向效应的影响并进行修正。 短接线式的敏感栅采用较粗的横丝，将平行排列的一组直径为0 0 1 5 0 0 5 毫米的金属纵丝交错连接而成，端部是平直的。它的横向效应很小，但耐 疲劳性能不如丝绕式的， 2 ) 箔式应变计 箔式应变计如图2 4 所示。这种应变计的敏感栅用厚度0 0 0 2 0 0 0 5 毫米 的金属箔刻蚀成形。用此法易于制成各种形状的应变计。箔栅有如下优点： 横向部分可以做成比较宽的栅条，使横向效应较小； 箔栅报薄能较好地反映构件表面的变形，园而测量精度较高； 便于大量生产： 能制成栅长很短的应变计。因此，箔式应变计得旷泛应用。 誉陇蒸 图2 4 箔式应变计 3 1 临时基底应变计 还有一种临时基底型的金属电阻应变计。制造时将用紫铜等材料制成的敏 感栅粘在作为临时基底的框架上，使用时用粘结剂将敏感栅固定在构件上，然 后将临时基底去掉。这种应变计多用于测量高温条件下的应变。 应用材料和安装方法：制造敏感栅的常用材料有铜镍舍金( 康铜) 、镍铬 系台金、铁铬铝台盒、镍铬铁台盒、铂和铂台金等。前三种最常用。这些合会 的灵敏度系数为2 6 。 第2 章系统硬件设计 所用的牯结剂分为有机粘结剂和无机粘结剂两类。在般情况下，前者用 在温度低于4 0 0 ( 2 时，后者则用于高温条件下。有机粘结剂包括硝化纤维、氰 基丙烯酸酯、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺等。除前两种之外， 使用时般都要加温加压使其固化。常用的无机粘结剂有磷酸盐和喷涂用的金 属氧化物。前者在使用时须加温固化。用作基底的材料有纸、胶膜、玻璃纤维 布、金属薄片( 或金属网) 等。 把应变计粘贴在构件表面上有不同的安装方法：用纸、胶膜、玻璃纤维布 作基底的应变计，用粘结荆粘贴；用金属薄片或金属网作基底的应变计，用点 焊或滚焊固定在金属构件上；对于临时基底型应变计，用粘结剂或用氧炔焰或 等离子焰将金属氧化物熔化并喷涂的方法，将敏感栅固定于金属基底或构件表 面上。 只用一个敏感栅的应变计，适用于测量单向应变。测量平面应力场的应变 时，可采用应变花。 6 半导体应变计 将半导体应变计安装在被测构件上在构件承 受载荷而产生应变时，其电阻率将发生变化。半导 体应变计就是以这种压阻效应作为理论基础的，其 敏感栅由锗或硅等半导体材料制成。这种应变计可 分为体型和扩散型两种。前者的敏感栅由单晶硅或 锗等半导体经切片和腐蚀等方法制成，后者的敏感栅 则是将杂质扩散在半导体材料中制成的。半导体应变 计的优点是灵敏系数太，机械滞后和蠕变小，频率响 图25 半导体应变计 应高；缺点是电阻温度系数大，灵敏系数随温度而显著变化，应变和电阻之间 的线性关系范围小。正确选择半导体材料和改进生产工艺，这些缺点可望得到 克服。半导体应变计多用于测量小的应变( 1 0 1 微应变到数百微应变) ，己广泛用 于应变测量和制造各种类型的传感器( 见电阻应变计式传盛器) 。 半导体应变计中用薄膜作敏感栅的称为薄膜应变计。它是将金属、合金或 半导体材料，用真空镀膜、沉积或溅射方法，在绝缘基底上制成一定形状的薄 膜其厚度从几十纳米至几万纳米不等。此外，还有灵敏系数很大的p n 结半 导体应变计和压电场效应应变计【6 4 q 。 第2 章系统硬件设计 2 2 称重传感器 2 2 1 称重传感器 设计袖珍电子秤硬件电路的主要任务是称重的测力传感器的选择。能实现 测力的传感器种类很多，要实现称重及数显，关键是要把力( 重力) 信号转换 成电信号来测量，其方法主要分为2 类：一类是直接法，即利用压磁式传感器、 压电式传感器、压阻式传感器直接将力信号转换成电信号；另一类是间接法， 即以弹性元件作为敏感器，将拉、压力转变为应交、位移或频率，再用应变传 感器、位移传感器或频率传感器把应变、位移或频率转变为电量。综合比较各 种传感器的情况，在此选用间接法的应变式力传感器。 将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。 桥式测量电路能够满足这一要求。在称重传感器中，尺1 、r 2 、r 3 、风四个电阻 应变片组成的桥式测量电路如图2 6 所示。如为温度补偿电阻，职为激励电压， 碥为输出电压。 若不考虑r m ，在应变片电阻变化之前，电桥输出电压为 rr 一 尺l r 3 一r 2 r 4 rr 。 ( 尺l + 尺2 ) ( 尺3 + r 4 ) 由于桥臂起始电阻全等，即尺1 = 尺2 = 次3 = 蛾= r ，所以玩= 0 。当应变片电阻 r 1 、r 2 、尺3 、r 4 分别变为灭1 + 监1 、r 2 + a r 2 、r 3 + a r 3 、r 4 + a r 4 时，电桥的输出 电压u o 变为 u o = 等鬈筹崩筹黼 娩 ( 置+ 监l + r 2 + 丝2 ) ( b + 欲3 + r 4 + 欲4 ) 幽2 6 桥式测量电路 第2 章系统硬件设计 经推导、整理并忽略高次项可得玩= 1 4 m ( 触凇一欲2 偬+ 欲3 儇一触4 胆) ， 也就是说，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。如果4 个 桥臂应变片的灵敏系数k 相同，且t d v r = k e 。则上式又可写成 砜= i 4 u 西( e l - - e 2 - f e 3 - - e 4 ) 上式表明，电桥的输出电压和4 个桥臂的应变片所感受的应变量的代数和 成正比。这就是利用桥式电路测量应变量的工作原理。在应变式称重传感器中， 4 个应变片分别贴在弹性梁的4 个敏感部位。在力的作用下，r 。和飓被拉伸， 阻值增大，a r l 和欲3 为正值，足2 和风被压缩，阻值减小，触2 和从4 为负值。 若应变片阻值变化的绝对值相同，即r l = r 3 = + r 或e i - - * 3 - - j f - e ，r 2 = r 4 = 一尺或s 2 = 翻= 一8 ，因此【1 0 l 1 碥= u ，k p l 一2 + 3 一4 ) 一u 缸 2 2 2 误差分析与补偿 对于一个高精度的应变传感器来说，仅仅靠4 个应变片组成桥式测量电路 还是远远不够的，由于弹性梁材料金相组织的不均匀性及热处理工艺、应变片 性能及粘贴工艺、温度变化等因素的影响，传感器势必产生一定的误差。为了 减少传感器随温度变化产生的误差，提高其精度和稳定性，需要在桥路二端和 桥臂中串联入一些补偿元件。 1 初始不平衡值的补偿 理论上电桥各桥臂应变片电阻值相等，但实际上它们仍有一定程度上的离 散，且在经过贴片等处理后，应变片的阻值还可能会变化。因而电桥在初始状 态下一般是不平衡的，在尚未加载时，桥路输出端就有电压输出，此即为不平 衡值。为此，应采取一定的补偿，使传感器在空载时，输出电压减小或等于零。 要补偿初始不平衡值，可采用串连电阻法，即当在正值方向超过允许值时， 在尺，或尺3 臂串接电阻r ；在负值方向超过允许值时，在r 2 或皿臂串联接电阻 r ，r 一般采用锰铜丝电阻，温度系数y g ( - 5 1 0 ) x 1 0 石o c 。 2 零载输出温度补偿 传感器在不受载时的初始不平衡输出，经过初始不平衡补偿，可以调至允 差以内。但由于温度变化还会造成传感器零点输出的漂移，简称零点漂移，引 起零点漂移的原因主要是各应变片电阻的温度系数不一致，应变片、应变胶和 1 4 第2 章系统硬件设计 弹性元件的线膨胀系数不匹配，各应一种袖珍型电子秤的设计的引出线长度不 一等等。为了提高袖珍电子秤的精度和温度稳定性，进行温度补偿是必需的。 零载输出的温度补偿方法是在桥路某桥臂中串入一个对温度敏感的电阻， 根据漂移大小和极性将零载温补电阻风串在温度系数小的桥臂中。温补电阻 r 。的大小可由下式决定 置14 r ( v o r ：一圪t 1 ) 1 0 0 0 o 一口g ) o ：一) 以 ( 2 1 2 ) 式中：f l ，分础感器使用温度范围的下、上限； v o a ，l 一度为f l ，t 2 时传感器零载输出值； a d _ o 漂温补电阻的电阻温度系数； a r 电阻应变片的电阻温度系数。 温度补偿电阻足一般用电阻温度系数大的纯铜或纯镍丝制成。经补偿后， 传感器在几十内，零点漂移误差可以减少到满量程0 0 3 1 0 。 3 输出灵敏度温度补偿 由于弹性元件的弹性模量e 随温度而变化及应变片灵敏系数k 的影响，传 感器输出灵敏度也随温度而变化，其规律是随温度升高其值变大。为了补偿这 种误差，一般采用电阻温度系数大和电阻率高的材料做成补偿电阻接在电桥输 出端。当温度升高时，r m 阻值变大，它的压降也加大，使实际供桥电压下降， 致使传感器输出减小，从而抵消由温度升高引起的误差，达到补偿的目的。 2 3 前级放大器 ( 1 ) 方案一：i n a l 2 6 构成的放大器及滤波电路 弧l r i 图2 7i n a l 2 6 构成的放大器及滤波电路 第2 章系统硬件设计 通过调节的阻值来改变放大倍数。微弱信号v 。和v n 被分别放大后从 i n a l 2 6 的第6 脚输出。a d 转换器i c l 7 1 3 5 的输入电压变化范围是一2 v + 2 v ，传感器的输出电压信号在0 2 0 m v 左右，因此放大器的放大倍数在2 0 0 3 0 0 左右，可将r 。接成l k o 的滑动变阻器。由于1 c l 7 1 3 5 对高频干扰不敏感， 所以滤波电路主要针对工频及其低次谐波引入的干扰。园为压力信号变化十分 缓慢所以滤波电路可以把频率做得很低。 压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。 ( 2 ) 方案二：高精度低漂移运算放大器构成差动放大器 差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放( 如o p 0 7 ) 做成一个差动放大器。 1 釉 幽2 8 差动放大器 电阻r 1 、r 2 电容c 1 c 2 、c 3 、( 2 4 用于滤除前缴的噪声，c 1 、c 2 为普通 小电容，可以滤除高频干扰，c 3 、c 4 为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。 优点：输入级加入射髓放大器，增大了输入阻抗，中问级为差动放大电路， 滑动变阻器r 6 可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满 足满量程要求。输出级为反向放太器，所以输出电阻不是很丈，比较符合应用 要求。 缺点：此电路要求r 3 、r 4 相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实 际测量，每一级运放都会引入较大噪声。对精度影响较大。 2 4 a d 转换器 第2 章系统硬件设计 一、模数转换器简介 模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号的器件。由 于在系统中，传感器所输出的信号一般是模拟量如电压，电流等，但单片机所 能处理的是数字信号，所以需要将系统中的模拟信号转换为数字信号。这就需 要选用一种a d 转换器，将外围设备的模拟量转换为数字量，输送到单片机中 以供单片机进行处理。 二、逐次逼近式a d 转换器的工作原理 逐次逼近式a d 转换器是由一个比较器、d a 转换器、寄存器及控制电路 组成。通过进行比较得到转换数字量，逐次逼近型a d 转换器是用一个寄存器 从高位到低位一次开始逐位试探比较。转换过程如下：开始寄存器各位清0 ， 转换时，现将最高位置1 ，送d a 转换器转换，转换结果与输入的模拟量进行 比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则1 保留，如果转换的模拟量比 输入的模拟量大，则1 不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位， 最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的数字量。一个n 位的逐次比较型 a d 转换器只需要比较n 次，转换时间只取决于位数和时钟周期。逐次逼近型 a d 转换器转换速度比较快，因此在实际中广泛应用。根据本系统工作的要求 及特点，选用按逐次逼近式工作的a d 0 8 0 9 转换器来实现本系统的模数转换过 程。 ( 1 ) 方案一：8 位a i ) 转换器a d c 0 8 0 9 a d c 0 8 0 9 是采样频率为8 位的、以逐次逼近原理进行模一数转换的器件。 其内部有一个8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 个单断模拟输入信号中的一个进行a d 转换。 a d c 0 8 0 9 管脚描述 1 主要特性 1 ) 8 路8 位a d 转换器，即分辨率8 位。 2 ) 具有转换起停控制端。 3 ) 转换时间为1 0 0 比s 4 ) 单个+ 5 v 电源供电 5 ) 模拟输入电压范围o + 5 v ，不需零点和满刻度校准 6 ) 工作温度范围为4 0 + 8 5 摄氏度 7 ) 低功耗，约1 5 m w 1 7 第2 章系统硬件设计 2 内部结构 a d c 0 8 0 9 是c m o s 单片型逐次逼近式a d 转换器，内部结构如图2 9 所 示，它由8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型d a 转换 器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，a d c 0 8 0 9 可处理8 路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可 单独工作，输入输出与1 1 乙兼容。 ， 埘tr躺 图2 9 a d c 0 8 0 9 的内部逻辑结构 3 外部特性( 引脚功能) a d c 0 8 0 9 芯片有2 8 条引脚，采用双列直插式封装，如图2 1 0 所示。下面 说明各引脚功能。 玳o 肿：8 路模拟量输入端。 d 1 d 8 ：8 位数字量输出端。 a d d a 、a d d b 、a d d c ：3 位地址输入线，用于选通8 路模拟输入中的一 路。 a l e ：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 s t a r t ：a d 转换启动信号，输入，高电平有效。 第2 章系统硬件设计 蚕黔涮萋：妻 ：1 ；笛：茹 5 型墓a d b 鎏 ：，j ： 1 2 。蹈jj i 一 一t 引参： m 。 ：臻麓 图2 1 0 a d c 0 8 0 9 的引脚结构 e o c ：a n ) 转换结束信号，输出，当a d 转换结束时，此端输出一个高电 平( 转换期间一直为低电平) o e ：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当a d 转换结束时，此端输 入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 c l k ：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于6 4 0 k h z 。 r e f ( + ) 、r e f ( - - ) ：基准电压。 电源 地。 ，单一+ 5 v 。 l 上 u 1 u 2 二 侉 2葛帕 涨l用砌 啪c l k ， 阳1 0 1 葛l 32 r 啊1 窖f l 盯 6s n r t 帕2 岫2 珂 土 互一i 也 上r 口 阳融 3 5 s1 lh3ct c 即邮 葛 6 王-埘 阳5 帆0 5 3 t t3 i n so l r r l 2 1d t 阳脯畴 习8 惦o u l 2 勾0 6 g卫 95馏d 5 e 盯，叮 叶 舯 o l r i 3 眩o 俺 2 叩 r o g l l , i c , j ( 曝2 5 0 u t t 侣d ，2 l 畸 2 2 们 2 0 d ao u t 5 8 雹 眩矾1 口 2 3 d 2 2k 辨l d o o u l 5 1 sd 2 吟酬 眩肌1 1 2 t0 3 t 笠 a d d co u t t i 0 1 盯叩 a l ep 2 t i m 2 石 d 圯o u w 矾 茄d 5 住 ep2黛13 - f l e f 挖脚u 霄d 6 惦 g 奢们 v r 日0 o e 左 脚 幅 a 鼬 2 _ 1 n 叼埘l x d 幻 3 p 1 1 t x d l p 1 21 1 3 翻n t 口 2 s ，3 玎洲t 1 口 b d c 6 ，lf 3 姗 1 弧r t t p5玎s 盯l 幅 6 8 p5 - 3 删r 1 7 厂一 图2 1 1 a d c 0 8 0 9 与8 9 c 5 1 接口电路 1 9 第2 章系统硬件设计 a d c 0 8 0 9 的工作过程是：首先输入3 位地址，并使a l e - 1 ，将地址存入地 址锁存器中。此地址经译码选通8 路模拟输入之一到比较器。s t a r t 上升沿将 逐次逼近寄存器复位。信号下降沿启动a d 转换，之后e o c 输出信号变低， 指示转换正在进行。直到a d 转换完成，e o c 变为高电平，指示a d 转换结 束，结果数据己存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当o e 输入高电平时， 输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 地址输入和控制线：4 条 a l e 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当6 衄线为高电平时，地址 锁存与译码