论文范文基于单片机的智能电子秤的设计

I常 州 大 学成 人 高 等 教 育毕 业 设 计 （ 论 文 ）（ 2015 届）题 目 基于单片机的智能电子秤的设计 姓 名 姚留锁 专 业 机电一休化 指导教师 储开斌 二一五 年 三 月II基于单片机的智能电子秤的设计摘 要：本设计设计并制作了一个可以设定单价，能自动根据重量显示价格，具有自动回零功能的智能电子秤。系统是以 AT89S52 单片机为主控芯片，外围附以称重电路、放大电路、A/D 电路、LED 显示电路、键盘电路构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。系统采用的电阻应变式称重传感器，它具有精 度 高 、测 量 范 围 广 、 寿 命 长 、 结 构 简 单 、 频 响 特 性 好 、 能 在 恶 劣 条 件 下 工 作 、 易 于 实 现小 型 化 、 整 体 化 和 品 种 多 样 化 等 优 点 。 它 测 得 的 模 拟 信 号 经 放 大 电 路 的 放 大 后 送 入A/D 转 换 器 转 换 成 单 片 机 可 以 识 别 的 数 字 信 号 ， 放 大 电 路 采 用 三 运 放 组 成 的 仪 用放 大 器 ， 具 有 差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点，数字信号经过单片机的处理和键盘的控制后由 LED 显示电路显示出来。本设计完成的电子秤很大程度上满足了各种应用需求。关键词： AT89S52；称重传感器；A/D 转换器；LED 显示器III目 次摘 要 .I目 次 .III1 引言.11.1 课题的开发背景.11.2 课题设计的意义.12 系统分析与总体设计.22.1 系统分析.22.1.1 主要技术性能指标.22.1.2 系统功能分析.22.2 总体设计.32.2.1 系统方案论证.32.2.2 电路总体结构设计.53 开发平台介绍.53.1 硬件电路开发工具.53.2 软件开发平台.63.3 程序测试工具.64 硬件设计.74.1 直流电源的设计.74.1.1 直流电源的组成.74.1.2 直流电源各模块的设计.74.1.3 直流电源的电路.94.2 信号采样与放大电路的设计.104.2.1 压力传感器的选择.104.2.2 放大电路的设计.154.3 控制器电路.174.3.1 单片机的选择.174.3.2 晶振与复位电路.194.3.3 A/D 转换电路 .204.4 显示电路.224.5 键盘电路.265 软件设计.275.1 系统主流程图.275.2 其他.286 调试过程.297 展望.298 结束语.30IV参 考 文 献.31致 谢.32常州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页 共 32 页1 引言 1.1 课题的开发背景电子计价秤是与人们日常生活密切相关的电子衡器，通常是指称量范围在 330kg内带有计价功能的商用案秤，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心和集贸市场等批发及零售场所。目前我国电子计价秤产品的整体水平不容乐观，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。抽查中反映出的主要问题有：温度试验项目不符合标准规定、湿热试验项目达不到标准要求、抗电脉冲串试验和抗静电放电试验项目不合格。50 年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60 年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过 40 多年的不断改进与完善，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 90 年代中期的水平。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。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；测量特点已从单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、稳定性和可靠性较差等。物品称量是市场交易中很基本的活动，是商业领域最基本的衡具。传统的量具是杆称或盘称，20 世纪 70 年代开始出现了电子称。早期的电子称多通过模拟电路实现，随着电子技术的不断发展。数字芯片的价格逐渐下降，模拟控制已逐步被数字控制所替代，电子称的设计模式也大都以微处理器为核心，使精度和可靠性都有了明显得提高。因为小型商用电子称对适时性要求不高，运算也不太复杂，所以用 8 位微处理器足可满足要求。电子称重系统必须将多只传感器的输出进行和算，才能得到完整准确的称重结果。从 20 世纪 70 年代的模拟串联和算到 80 年代的模拟并联和算，和算技术的发展大幅度降低了电子秤的成本，提高了可靠性和稳定性。但是，模拟并联和算也存在不足：如对传感器的一致性要求较高、无法对单个传感器进行检测、电子秤四角偏差调试复杂等。目前，解决上述问题的最好方法是采用数字和算或数模混合和算。由于信号放大器成本的不断下降以及 AD 转换器性能的大幅度提高，数字和算无论在技术上还是在经济上都进入了实用阶段。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。目前大多数电子秤是以 1:3,000 或 1:10,000 的分辨率输出最终的称重值的，这样的系统一般使用 12 bit 至 14 bit 的模数转换器就很容易满足要求。然而，高精密检测的电子秤如果要达到这种分辨率，那么 ADC 的精度需要接近于 20 bit。1.2 课题设计的意义 电子衡器一般是指装有电子装置的衡器。因其种类繁多，且涉及到贸易结算和保护广大消费者的利益，所以为世界各国政府普遍关注和重视，并被确定为国家强制管常州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页 共 32 页理的法制计量器具。电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段，对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。电子衡器具有反应速度快，测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传、便于计算机控制等特点。被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口、建筑、机械制造和国防等各个领域。称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。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领域，取得了显著的经济效益。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展。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。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、稳定性高、可靠性高；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。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。本设计就是要来制作一个速度快、稳定性高、可靠性好的电子计价秤。2 系统分析与总体设计2.1 系统分析2.1.1 主要技术性能指标1、电子秤可以设定单价，自动根据重量显示价格。具有自动回零功能。2、测试精度不低于 1%。3、测试范围不低于 200 克30 公斤。4、数码显示。2.1.2 系统功能分析该系统要实现的功能就是把重物放在压力传感器上然后由数码管显示质量和价格。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常州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页 共 32 页经 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。在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，还需要在传感器与 A/D 芯片之间加上信号调整电路。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。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。2.2 总体设计2.2.1 系统方案论证（1）方案一本方案使用电容式称重传感器，组成测压电路后，采集随被测压力变化的电容器容量的变化，经放大电路放大输出，进行 A/D 转换后，用 NEC 单片机进行数据的处理，最后根据键盘命令以及程序将结果通过 LCD 显示电路显示出来。电容称重传感器放大电路 A D 转换器N E C 单片机键盘电路P C 机接口电路L C D 显示图 1 方案一系统结构框图本方案结构框图如图 1，主要由电容称重传感器、放大电路、A/D 转换电路、单片机，键盘电路以及 LCD 显示电路。其中主控制器采用 NEC 的 8 位单片机，PC 接口与PC 机连接，由 PC 机负责设置采集开始时间、采集间隔时间等参数等进行数据处理。电容式称重传感器，是把被称物体重量转换为电容器容量变化的一种传感器，当把重物放在传感器上时，电容传感器由于受到压力，其中的电容值发生改变，传感器把电容的变化转换成电压或电流的变化，然后放大电路把这个模拟信号放大到一定大小后，由 AD 数模转换器识别然后把放大的模拟信号转换成数字信号，这里采用的模数转换器是 ADC0809, ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。常州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页 共 32 页数字信号通过 NEC 单片机的处理后再由 LCD 液晶显示。PC 机可通过上位机实现对该电子称系统的自动控制。（2）方案二本方案使用电阻应变式称重传感器，将称重传感器组成测压电路后，再采集随被测压力变化的电压或电流，后经放大器放大输出，进行 A/D 转换后，用单片机进行数据的处理，最后通过键盘控制通过 LED 显示电路显示。电桥式称重传感器放大电路A D 转换器5 1 单片机L E D 显示电路键盘电路图 2 方案二 系统结构框图本方案结构框图如图 2，主要由电阻应变式称重传感器，放大电路，单片机，模数转换器，LED 显示电路，键盘电路以及电源、时钟及复位电路组成。电阻应变式称重传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。把重物放上传感器后，传感器把电阻的变化转换成电压或电流的变化，该模拟信号经过放大电路的放大后再通过数模转换器转换成单片机可以识别的数字信号。单片机处理该数据后由 LED 显示出来。该数模转换器使用的是ADC0809。ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。在主控制器方面，本方案采用单片机 AT89S52，它具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，其他接口可以用于扩展，用于其他系统，很适合小型化产品的设计的使用，供电方式简单。此外在显示电路方面，单片机系统常用的显示器件有 LCD(液晶显示模块)和 LED(数码显示模块)两种。由于 LCD 显示功耗低但成本高，LED 要比 LCD 经济的多，而且本课题 LED 完全满足要求，所以选用LED 来显示。通过上述分析，方案一，采用电容式称重传感器，由于它存在输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和称重精度的影响、传感器联接电路比较复杂等原因，直接影响到它的可靠性，所以限制了它的应用。我们这里不作采用。而且需要结合 PC机进行工作，整体电路结构复杂，不易操作且设计成本较高；而方案二，采用电阻应变式称重传感器，灵敏度高，性价比高，整体电路结构设计简单，小型化，无需额外辅助设备，易于实现，性价比高并能够达到课题设计要求。综上分析，本课题选择方案二进行设计。常州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页 共 32 页2.2.2 电路总体结构设计单片机 显示电路键盘电路A D 转换器放大电路称重传感器晶振电路复位电路图 3 总体设计框图图 3 是单片机智能电子称的电路总体设计框图。主要由 AT89S52 单片机为核心组成的控制器，电阻应变式称重传感器，放大电路， ，模数转换器， LED 显示电路，以及电源、时钟及复位电路组成。电阻应变式称重传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。把重物放上传感器后，传感器把电阻的变化转换成电压或电流的变化，该模拟信号经过放大电路的放大后再通过数模转换器转换成单片机可以识别的数字信号。单片机处理该数据后由 LED 显示出来。该数模转换器使用的是 ADC0809。ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。在主控制器方面，本方案采用单片机 AT89S52，它具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，其他接口可以用于扩展，用于其他系统，很适合小型化产品的设计的使用，供电方式简单。此外在显示电路方面，单片机系统常用的显示器件有 LCD(液晶显示模块)和 LED(数码显示模块)两种。由于LCD 显示功耗低但成本高，LED 要比 LCD 经济的多，而且本课题 LED 完全满足要求，所以选用 LED 来显示。3 开发平台介绍3.1 硬件电路开发工具Protel99SE 是应用于 Windows9X/2000/NT 操作系统下的 EDA 设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及 3D 模拟功能，是一个 32 位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计 32 个信号层，16 个电源-地层和 16 个机加工层。该设计硬常州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页 共 32 页件电路图运用 PROTEL99SE 软件，其设计界面如图 4。图 4 硬件电路开发环境3.2 软件开发平台89 系列单片机可采用汇编语言编程或 C 语言编程。汇编语言是一种最接近计算机核心的编码语言。不同于任何高级语言，汇编语言几乎可以完全和机器语言一一对应。它可以最大限度地发挥计算机硬件的性能。用汇编语言编写的程序的速度通常要比高级语言和 C/C+快几倍，几十倍，甚至成百上千倍。但其可移植性差。本设计采用汇编方式编程。3.3 程序测试工具本设计是以 KELL 测试软件作为软件的测试工具的。源程序在软件 KELL 窗口内编译运行。软件界面如图 5 所示。常州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页 共 32 页图 5 程序测试界面环境4 硬件设计4.1 直流电源的设计4.1.1 直流电源的组成本设计的直流电源需要由 220V 的交流电转换而来，所以需要把 220V 交流电变压到合适的大小。该直流电源主要由以下四大模块组成：电源变压器模块、整流电路、滤波电路和稳压电路。直流稳压电源框图如图 6 所示。电源变压器整流电路 稳压电路滤波电路图 6 直流稳压电源框图4.1.2 直流电源各模块的设计（1）电源变压器它的任务就是把电源电压 220V 交流电变压到合适的大小。如果 u2（变压器次级电压）的值太大，会造成集成三端稳压器的功耗太大，温度升高，容易把管子烧坏，且浪费电能。反之，如果 u2 的值小到一定的程度，三端稳压器就不能正常工作，失去稳压作用。因此 u2 的值应大小合适，这个值应该使三端稳压器在交流电网电压最低和输出电流最大时能正常工作。而且在正常稳压的前提下，它的压降应尽可能小，以减少功耗。查阅集成三端稳压器的资料可知，对输出电压在 5v12v 之间的稳压器，其输入端的电压一般要比输出端电压高 5v。而输出电压在 15v24v 的稳压器，其两端电压差达常州大学本科生毕业设计（论文）第 8 页 共 32 页到 7v9v 左右。在此，如果输出端的电压为 5V，那么可以求得 u2 为 10v。（2）整流电路它的任务是将正弦波电压转换成直流电压。这里一般采用桥式整流电路来实现，即可用四个二极管来组成，也可用整流桥来完成，只要参数选择合理。这里为了简化电路，选择整流桥作为整流电路。1）反向耐压 根据桥式整流电路的性能可知，每个整流二级管在交流电网最高时承受的最大反向峰值电压为： VURM 6.150%.12max2 为了安全，整流管的反向耐压应比上述值高 50%以上，因此选择整流管时，其耐压应按下式考虑： VRM235016.2）正向电流 桥式整流电路中，每个整流二极管的正向电流平均值是输出电流的一半，其最大值为： AIoDAV5.02maxax由于整流管在接通电源瞬间流（即充电电流）通过，因此，整流管的参数 （正向电流平均值）应比上述值大（0.5有相当大的冲击电 2）倍。若按 比上述值大 1.8倍考虑，则： AIDAVF 15.0818.1max不过市场上有各种规格的整流桥堆出售，它有两个交流输入端和两个直流输出端。由于它体积小，使用方便，已成为常用整流元件。根据上面的计算，在本电源的整流电路中可选用 1A/25V 的整流桥堆。（3）滤波电路它的任务是将整流后的波形通过 RC 滤波以后转换成更平坦的直流电压，减小脉动，提高输出直流电压的质量。这时整流管中通过的电流的最大瞬时值的要比平均值大得多，特别在接通电源瞬间有相当大的冲击电流（即充电电流）通过整流管，这一点在设计中我特别的重视。从电容滤波出发，C1 的容量应足够大，但 C1 的容量也不能太大，否则整流元件的瞬时电流太大，而且容量越大，电容器的体积越大，价格越贵，根据 RLC（35） T/2，取 C1=3300uF。（4）稳压电路要求输出恒定的直流电压，且要达到提出的要求。在本电路中采用的稳压元件是集成三端稳压器。根据上述的计算来看，这里可以选择输出电压为 5V 和 12V 的稳压元件来实现。电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出 78 系列和负电压输出的 79系列。顾名思义，三端 IC 是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有 9013 样子的 TO-92 封装。常州大学本科生毕业设计（论文）第 9 页 共 32 页用 78/79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来即可靠 又方便 ，而且价格便宜。该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如 7806表示输出电压为正 6V，7909 表示输出电压为负 9V。有时在数字 78 或 79 后面还有一个 M 或 L，如 78M12 或 79L24，用来区别输出电流和封装形式等，其中 78L 调系列的最大输出电流为 100mA，78M 系列最大输出电流为 1A，78 系列最大输出电流为1.5A。它的封装也有多种。塑料封装的稳压电路具有安装容易、价格低廉等优点，因此用得比较多。79 系列除了输出电压为负。引出脚排列不同以外，命名方法、外形等均与 78 系列的相同。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用，可以用来改装分立元件的稳压电源，也经常用作电子设备的工作电源。器件管脚图和电路图如图 7 所示。图 7 三端稳压器（78、79 系列）管脚序号判断技巧三端集成稳压电路的输入、输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为 2V，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在 4-5V，即经变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些 。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用） 。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出 1.5A 以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为 N 个 1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。在 78 * 、79 * 系列三端稳压器中最常应用的是 TO-220 和 TO-92 两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如图 7 所示。图中的引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。这样标注便于记忆。引脚 为最高电位，脚为最低电位， 脚居中。从图中可以看出，不论正压还是负压， 脚均为输出端。对于 78*正压系列，输入是最高电位，自然是脚，地端为最低电位，即 脚，如附图所示。对与 79*负压系列，输入为最低电位，自然是脚，而地端为最高电位，即 脚，如附图所示。此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第脚相连。这样在 78*系列中，散热片和地相连接，而在 79*系列中，散热片却和输入端相连接。常州大学本科生毕业设计（论文）第 10 页 共 32 页4.1.3 直流电源的电路本设计需要12V、+5V 的电源。应该选择 7805 和 7812 及 7912 来实现此电路。+5V 和 +12V 的电源输出电路图如图 8 所示。-12V 的电源输出电路结构和其一样，如图 9 所示。T1 和 T2 为同一变压器，输出为两个绕组。图 8 +5V 和+12V 直流电源输出电路图 9 -12V 直流电源输出电路4.2 信号采样与放大电路的设计压力传感器采集的模拟信号只有几十个毫伏，而 A/D 转换器所能处理的电压是05V，所以必须在 A/D 转换器和信号采样电路之间加入一个放大电路以实现电压的放大，放大倍数为 100200 倍，使输出电压为 05V 。4.2.1 压力传感器的选择压力传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误差的50%70% 。若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。（1）常用压力传感器压力传感器的种类很多，根据工作原理来分常用的有以下几种： 电阻应变式、电容式、压磁式、压电式、谐振式等。电阻应变式称重传感器：是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力（重量）转换成电信号的转换元件。常州大学本科生毕业设计（论文）第 11 页 共 32 页电容式称重传感器：是把被称物体重量转换为电容器容量变化的一种传感器，它是以各种不同类型的电容量作为转换元件，实际是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器由于它存在输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和称重精度的影响、传感器联接电路比较复杂等原因，直接影响到它的可靠性，所以限制了它的应用。近些年来由于集成电路特别是微处理技术的发展，可将电子线路紧靠传感器的极板以减小电缆分布电容的影响，并可利用微处理技术对电容式传感器的温度特性和非线性进行偿，所以电容式传感器在电子称重技术中的应用又得到了重视，在国内已出现了可与电阻应变式传感器电子秤准确度相比的电容式台秤和电容式吊秤等产品。压磁式称重传感器：也称磁弹性传感器，它是一种力电转换的无源传感器。它的工作原理是利用压磁效应，将被称重量的变化变换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号。压磁传感器具有输出信号大、抗干扰性能好、过载能力强、不均匀载荷对测量准确度的影响小、能在恶劣的环境中工作、结构简单便于加工等优点。缺点是准确度低、反应速度慢。它常用于冶金、矿山、运输等工业部门的承受大吨位，并要求牢固可靠、安全报警等测力或称重场合。谐振式称重传感器：也称频率式传感器，它是利用机械振子的固有频率或石英晶体的谐振特性，随着被称物体重量的变化而产生频率变化现象而形成的一种传感器。谐振式传感器可分为振弦式、振梁式、振膜式、振筒式、振管式和晶体谐振式等多种类型。在称重技术中主要采用的是振弦式称重传感器和振梁式称重传感器类的一种复合音叉振子传感器。（2）电阻应变式称重传感器电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力（重量）转换成电信号的传感器。电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变量一般为10 - 6 10 - 2 ，随之而产生的电阻变化率也大约在10 - 6 10 - 2 数量级之间。这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路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。在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。电阻应变式称重传感器工作原理框图如图10所示。敏感元件 应变片 测量电桥输出电阻变化 R应变 载荷 P图 10 电阻应变式称重传感器工作原理框图当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变常州大学本科生毕业设计（论文）第 12 页 共 32 页形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P 时应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。如图 11 所示。图 11 桥式测量电路R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压， V为输出电压。若不考虑Rm，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为： eVRR4321由于桥臂的起始电阻全等，即R1 = R2 = R3 = R4 = R，所以V=0 。当应变片的电阻R1、 R2、 R3、R4变成 R+R1、R+ R2、R+R3、R+R4时，电桥的输出电压变为：eVRRR4321 通过化简，上式则变为： RRe43214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。如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同，则上式又可写成： 43214eKV式中K为应变片灵敏系数，为应变量。上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。常州大学本科生毕业设计（论文）第 13 页 共 32 页在电阻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，传感器受力作用发生变形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，R1 、R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，R2、 R4为负值。再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即R1 = R3 = + R或1 = 3 = +R2 = R4 = - R或2= 4 = -若考虑Rm, 则电桥的输出电压变为： eKeRmRmR 22令 Su=V/e，则Su称为传感器系数或传感器输出灵敏度。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，需要在桥路两端和桥臂中串入一些补偿元件。如：初始不平衡值的补偿、零载输出温度补偿、输出灵敏度温度补偿等。（3）称重传感器的主要性能指标：1）传感器的输出灵敏度传感器在额定载荷作用下，供桥电压为1V时的输出电压，单位为（ mV/V）。在任一载荷下，传感器的输出电压 =所加载荷 供桥电压 输出灵敏度/额定载荷。2）非线性传感器承受载荷与其相应输出电压之间并非成完全的线性关系，由 此而造成的误差称为传感器的非线性误差。3）不重复性在同一环境条件下，对传感器反复施加某载荷时，其每次输出的电压值不尽相同，这种现象称为传感器的不重复性。4）零点不平衡输出在传感器不受任何载荷条件下，传感器输入端以额定的供桥电压时的输出电压，称为零点不平衡输出。（4）数字式称重传感器目前，我国大量使用和生产的多是传统的模拟式传感器，模拟信号的输出较小，以eVRmRR222SU常州大学本科生毕业设计（论文）第 14 页 共 32 页生产量最大的、采用电阻应变原理和称重传感器为例，一般最大输出为3040mV，其信号易受射频干扰，电缆传输距离也短，通常在10m 以内。在数字化技术广泛应用的今天，为解决其远距离传输和与数字技术、与计算机方便结合的问题，数字式称重传感器将得到了很大的发展。目前，同样是电阻应变式的数字化传感器，其输出信号可达4V，是模拟式传感器的100倍。强信号电缆传输距离可在 150m ，附加电源后则可超过600m。下面对数字式传感器的原理、优缺点等几个方面作些介绍。1）工作原理：数字式传感器将传感器电桥电路输出的模拟电压信号放大、滤波、经A/D转换后送入微处理芯片，利用芯片中存入的软件对传感器进行常规的补偿和调整，同时还进行一些非线性、滞后和蠕变等补偿，最后，通过RS-485通讯方式传送给仪表或计算机。2）数字式应变传感器的优缺特点采用数字化技术，模拟传感器采用的模拟方式调整传感器输出灵敏度、传感器零点输出、传感器阻抗等，现在都由CPU处理完成，数字化处理的准确度非常高，方便快捷。在传统传感器生产过程中，首先对传感器输出灵敏度温度特性和零点温度特性进行补偿。随后对传感器的输出灵敏度、零点输出及阻抗进行调整，这样会破坏原已补偿好的传感器温度特性。而采用数字化技术后，传感器的输出灵敏度及零点输出都由CPU数据处理完成，不会对原有的温度补偿性能有任何改变，且数字传感器阻抗是没有要求的，经数字化处理后的传感器的一致性是非常好的，精度可达万分之一。由于数字传感器的输出是数字信号，所以抗干扰能力强，传输距离远，没有模拟传感器的连接误差，更没有线路阻抗的温度变化造成的计量误差。（5）称重传感器的选择传感器种类繁多，分类方式也千差万别，它们都有各自的特点，但在设计电子秤时，选择一种合适的传感器非常重要，传感器的性能在很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。称重传感器的选择主要从以下几个方面考虑。1）要考虑传感器所处的实际工作环境情况传感器所处的工作环境情况对如何选用传感器是至关重要的，它关系到传感器能否正常的工作，关系到传感器的安全和使用寿命，乃至关系到整个电子秤的可靠性和安全性。2）对传感器数量和量程的选择传感器数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。一般来说，秤体有几个支撑点就选用几只传感器，但是对于一些特殊的秤体，如电子吊秤，就只能采用一个传感器，一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。传感器量程的选择是依据秤的最大秤量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定传感器的量程。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感的载荷，其称量的准确度就越高，但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称常州大学本科生毕业设计（论文）第 15 页 共 32 页物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷的存在，因此在选用传感器量程的时候，要考虑诸如多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。3）传感器准确度等级的选择传感器的准确度等级概括了传感器的非线性、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。称重传感器已按准确度等级划分，且已考虑了0.7倍误差因子，非自动衡器称重传感器的准确度等级要选择与电子秤相对应的准确度等级。称重传感器按综分为A、B、C 、D 四个准确度等级，分别对应于衡器、四个准确度等级。综上所述，电 阻 应 变 式 传 感 器 的 优 点 是 精 度 高 ， 测 量 范 围 广 ,寿 命 长 ,结 构 简 单 ，频 响 特 性 好 ， 能 在 恶