称重传感器(电子称)实物成功

1、 传感器与检测技术课程设计说明书 称重传感器设计 专 业： 班 级：完成时间： 2012年11月 称重传感器设计一、设计方案： 方案一：选用电阻应变片式传感器，它是一种利用金属的应变效应，将各种力或与力相关的非电量转化成电量的结构型传感器。电阻应变式是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，电阻应变片作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器，有温度误差小、灵敏度高、测量精度高、性能稳定等优点，是市面上常见的元件，但有一定的横向效应和要用黏结剂而使灵敏系数下降，且价格也相对较高。 方案二：选用压阻式传感器，它是用半导体应变片制作的传感器，其工作原理是基于半导体材料的压阻效

2、应，其灵敏系数比金属电阻应变片约高50倍，但这种传感器的测量准确度受到非线性和温度的影响，因此要对其进行零点温度补偿和灵敏度温度补偿，其价格也相对较便宜。 通过比较，我们选用应变片式传感器。二、设计原理： 压阻式传感器是将集成在硅片上的4个等值电阻连成平衡电桥，通过直流电源给电桥和放大电路提供电源，是电路处于运行状态，当被测量作用于硅片上时，电阻值发生变化，电桥失去平衡，产生电压输出，由于产生的电压变化很小，所以就要经过放大电路进行电压放大，为以后的转换电路有一定的转换电压。 数据采集电路放大电路显示电路单片机A/D转换 我们取力的变化与电压的输出接近线性的区域作为传感的有效范围，并只能在这个

3、范围内，这个传感器所测的数据才可能误差较小，才具有可行性，因此我们可以通过观察电压的输出来判断所加力的大小，从而达到测量力大小的效果，并具有一定的可靠性。三、电路图设计： 电桥电路： 图1 如图1为电桥电路模拟图，输出端14、17接至放大电路的两个同向输入端。R8、R9、R10、R11分别为半导体应变片的阻值，由于是半导体材料，所以就要进行温度补偿来提高灵敏度，电位器R12是用来调零的，R17是采用负温度系数且阻值较大的热敏电阻，主要起补偿作用，适当选择他们的阻值，可以使电桥失调为零，而且温度变化原则上不会引起零点漂移。在电源回路中串联二极管是用来补偿灵敏度温漂的。温度升高时，灵敏度降低，这时

4、如果提高电源的电压，使电桥的输出适当增大，便可达到补偿的目的；反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的，由于二极管PN结的温度特性为负值，温度每升高1时，正向压降减少1.92.4mV，适当数量的二极管串联在电桥的电源电路中，可达到补偿的目的。 电桥处于平衡时，输出电压为U0=0，若个桥臂均有相应的电阻增加R8、R9、R10、R11，则有： 由于采用等臂电桥，即,则 当时，略去上式中的高阶微分小量，有 (和差特性) 即：四、放大电路的设计： 仪用放大器电路： 图2 仪用放大器电路如图2所示，它是由运放U1、U2按同相输入接法组成第一级差分放大电路

5、，运放U3组成第二级差分放大电路。在第一级电路中，U1、U3同向输入端接电桥输出电压，R1和两个R2组成的反馈网络，引入了负反馈，两运放U1、U2的两输入端形成虚短虚断，因而有输入电阻无穷大，且有（下标为图2中的数字和标号，下同）和 则： 故得：通常R1、R3、R5为给定值，R7为可变电阻，调节R7的值，即可改变电压增益Av ，在这里给R1、R3、R5适当的电阻值，可得适合的增益，此电路的增益为114左右，确保了运放没处在饱和状态。 A/D转化器选取方案方案一：ICL7107A/D转化器ICL7106和ICL7107是高性能，低功耗三位半数字A/D转电路。它包含七段译码器，显示驱动器，参考源和

6、时钟系统。ICl7107可直接驱动数码管，具有低于10µV自动校零功能，零漂小于1µV/°C低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。由于两个输入端最大承受电压为200mV因此要实现最大值为2000mV的显示可以用以下分压形式（本设计所采用的）如图5所示：ICl7107型A/D转换器是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模的CMOS集成电路，它具有功耗低、输入阻抗高、噪声低，能直接驱动共阳极LED显示器，不需另加驱动器件，使转换电路简化等特点。由于所选用的芯片ICl7107已经具有译码功能，故在显示时只需要接上数码显示器即可用于显示。 将放大的电压值输

7、入芯片ICL7107，通过芯片将数值显示在数码管上，其连接电路如图3所示： 图3、 ICL7107与数码管连接电路图数码管显示电路 由于ICL7107的输出电压可直接供给七段显示器的输入，因此可直接将七段显示器接到ICL7107的输出端口上。ICL7107支持3段半的输出，因此需要用到四个七段显示器，其中3个可用到七个二极管显示段，另外1个只需要用到b、c两段，4个七段显示器都不需要用到小数点显示位，即DP显示位。ICL的输出时正电压，因此本次课程设计使用的是共阴极的七段显示器，其引脚分布图为 显示部分由四个一位共阳数码管组成，其管脚、原理图如图3所示： 图3 数码管管脚、原理图由于所选用的芯

8、片ICL7107已经具有译码功能，故在显示时只需要接上数码显示器即可用于显示。方案二：HX711称重传感器专用模拟/数字（A/D）转换器芯片 HX711 是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A 或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A 的可编程增益为1

9、28 或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV 或±40mV 。通道B 则为固定的64 增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D 转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。模拟输入 通道A 模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D 转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128 或64。这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV 或±40mV 。通道B 为固

10、定的64 增益，所对应的满量程差分输入电压为±40mV 。通道B 应用于包括电池在内的系统参数检测。 供电电源 数字电源(DVDD) 应使用与MCU 芯片相同的的数字供电电源。HX711 芯片内的稳压电路可同时向A/D 转换器和外部传感器提供模拟电源。稳压电源的供电电压(VSUP) 可与数字电源(DVDD) 相同。稳压电源的输出电压值（VAVDD）由外部分压电阻R1 、R2 和芯片的输出参考电压VBG 决定（图1），VAVDD=VBG(R1+R2 )/R2。应选择该输出电压比稳压电源的输入电压(VSUP)低至少100mV 。如果不使用芯片内的稳压电路，管脚VSUP 和管脚AVDD 应

11、相连，并接到电压为2.6 5.5V 的低噪声模拟电源。管脚VBG 上不需要外接电容，管脚VFB 应接地，管脚BASE 为无连接。 时钟选择 如果将管脚XI 接地，HX711 将自动选择使用内部时钟振荡器，并自动关闭外部时钟输入和晶振的相关电路。这种情况下，典型输出数据速率为10Hz 或80Hz 。如果需要准确的输出数据速率，可将外部输入时钟通过一个20pF 的隔直电容连接到XI管脚上，或将晶振连接到XI 和XO 管脚上。这种情况下，芯片内的时钟振荡器电路会自动关闭，晶振时钟或外部输入时钟电路被采用。此时，若晶振频率为11.0592MHz, 输出数据速率为准确的10Hz 或80Hz 。输出数据速

12、率与晶振频率以上述关系按比例增加或减少。使用外部输入时钟时，外部时钟信号不一定需要为方波。可将MCU 芯片的晶振输出管脚上的时钟信号通过20pF 的隔直电容连接到XI管脚上，作为外部时钟输入。外部时钟输入信号的幅值可低至150mV 。串口通讯 串口通讯线由管脚PD_SCK 和DOUT 组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。当数据输出管脚DOUT 为高电平时，表明A/D 转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD_SCK 应为低电平。当DOUT 从高电平变低电平后，PD_SCK 应输入25 至27 个不等的时钟脉冲（图二）。其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24 位数据的最高位（MS

13、B），直至第24 个时钟脉冲完成，24 位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。第25至27 个时钟脉冲用来选择下一次A/D 转换的输入通道和增益，参见表1。 表1、输入通道和增益选择 PD_SCK 脉冲数输入通道 增益 25 A 128 26 B 64 27 A 64PD_SCK 的输入时钟脉冲数不应少于25 或多于27，否则会造成串口通讯错误。当A/D 转换器的输入通道或增益改变时，A/D 转换器需要4 个数据输出周期才能稳定。DOUT 在4 个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。 复位和断电 当芯片上电时，芯片内的上电自动复位电路会使芯片自动复位。管脚PD_SCK 输入用来

14、控制HX711 的断电。当PD_SCK 为低电平时，芯片处于正常工作状态。 如果PD_SCK 从低电平变高电平并保持在高电平超过60s，HX711 即进入断电状态如使用片内稳压电源电路，断电时，外部传感器和片内A/D 转换器会被同时断电。当PD_SCK 重新回到低电平时，芯片会自动复位后进入正常工作状态。芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，通道A 和增益128 会被自动选择作为第一次A/D 转换的输入通道和增益。随后的输入通道和增益选择由PD_SCK 的脉冲数决定，参见串口通讯一节。芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，A/D 转换器需要4 个数据输出周期才能稳定。DOUT 在4 个数据

15、输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。综合比较，我们选用HX711称重传感器专用模拟/数字（A/D）转换器芯片。传感转化电路图PCB图 电路的安装与调试：方案一电桥调零时放大电路输出结果 电桥的调零，通过电位器R12即可，观察万用表的读数是否为0或接近0为止。图6为电桥调零是的输出电压，图7为经过仪用放大器第一级放大的输出电压，图8为反向放大器的输出电压。 图5 图6 图7方案二实物测试结果图 图8 图9LM324集成运放的功能及其参数说明： 图10 LM324管脚图 LM324内部包括有四个独立的、高增益、内部频率补偿的运算防盗器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工

16、作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关，它的适用范围包括传感器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 它的特点是：内部频率补偿；直流电压增益高（约100dB）；单位增益频率宽（约1MHz）；电源电压范围宽（单电源3-15V，双电源±1.5V-±16V），低功耗电流，适合于电池供电；低输入偏流；低输入失调电压和失调电流；共模输入电压范围宽。 表2、 LM324极限参数 参 数 符 号 数 值 单 位电源电压 Vcc±18或36 V差动输入电压 V(DIFF) ±32 V输入电压 VI -0.332 V输出对地短路电流Vc

17、c15V(一只运放) 连线工作温度范围 TOPR 070贮存温度范围 TSTG -65150ICL7107A/D转化芯片说明表3、 ICl7107管脚说明端 名功 能V+和V-电源的正极和负极aUgUaTgTaHgH个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接至个位、十位、百位数码管的相应笔画电极abk千位笔画驱动信号，接千位数码管的a、b两个笔画电极PM负极性指示的输出端，接千位数码管的g段。PM为低电位时显示负号INT积分器输出端，接积分电容BUF缓冲放大器的输出端，接积分电阻AZ积分器和比较器的反相输入端，接自动调零电容IN+、IN-模拟量输入端，分别接输入信号的正端与负端COM模拟信号公共端

18、，即模拟地CREF外接基准电容端VREF+、VREF-基准电压的正端和基准电压的负端TEST测试端。该端经500电阻接至逻辑线路的公共地。当作“测试指示”时，把它与V+短接后，LED全部笔画点亮，显示数1888OSC1OSC2时钟振荡器的引出端，外接阻容元件组成多谐振荡器图11 ICL7107管脚图称重程序设计 #include<reg52.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intextern void lcdSet();extern void display(uc

19、har , uchar , uchar *);extern void writeCommand(uchar);extern void writeData(uchar);extern bit lcdBusy();extern void delay(uint);sbit ADDO=P10; sbit ADSK=P11; sbit FMQ=P30; uchar discode7;unsigned int ad_data;float temp_data; static uint k=6986;uchar num=0;bit jg_flag=0;unsigned int ReadCount();void

20、 ad_data_op();void adjust_data();void main() lcdSet(); lcdBusy(); delay(10); display(1,3,"电子秤"); display(2,1,"作者：吴畏"); display(3,1,"将志强，曾马龙"); display(4,1,"鲁梦臣，赵慧龙"); for(num=0;num<30;num+) ad_data_op(); adjust_data(); writeCommand(0x01); while(1) display(1,3,"电子秤"); display(2,6,"Kg"); ad_data_op(); if(temp_data>=2000) display(2,2,"警告：超出压限");FMQ=0;jg_flag=1; else FMQ=1; if(jg_flag=1) jg_flag=0;ad_data=0;writeCommand(0x01); display(2,3,discode); delay(500); unsigned