應變式傳感器電子稱的設計

1、基于應變式傳感器的電子稱設計0808電科2 2班0804021108040211王昊專業(yè)電子科學與技術專業(yè)姓名王昊班級電科 08-208-2 學號 0804021108040211題目基于應變式傳感器的電子稱設計基于應變式傳感器的電子稱設計1 1.概述社會不斷發(fā)展，技術不斷提高，家電設備日新月異，但初高中實驗室的設備卻依然是那樣陳舊，最明顯的當是稱重設備，依然是天平，天平構造和制作簡單，但讀數(shù)容易出現(xiàn)誤差，且容易損壞和老化，調節(jié)平衡時過于麻煩，浪費時間，而數(shù)顯電子稱則很好地避免了這些不足，放上物體即可讀數(shù)，準確而快速，方便實用，易于攜帶，不受場所制約。目前國際化的趨勢是小型化、模塊化、集成化、

2、智能化等，技術性能則趨于速率高、準確度高、穩(wěn)定性高等，可以說靠天平比較兩物體的輕重很方便，但說到快、準則是電子稱更優(yōu)。傳感器技術是現(xiàn)代科技的前沿技術，隨著工業(yè)自動化、信息化的發(fā)展，以往稱重的器械已跟不上時代的潮流，我們應跟上世界的步伐，往小里說，方便，往大了說，解放人類勞動力，稱重行業(yè)也需要一種在稱重過程中準確計量且具有極高的靈敏度、具有較強的環(huán)境適應能力的稱重器械，不受大氣壓力等外界干擾的影響，更易于普遍，加上比以往傳感器更長的壽命，通過試驗和創(chuàng)新后的應變式傳感器電子稱將會夠受歡迎。止匕外，利用應變式傳感器制作的數(shù)顯電子稱，易于制作、簡單實用、成本低廉、體積小巧等多個優(yōu)點，所以在市場上也有很

3、大的上升和推廣空間。本次設計的基于應變式傳感器的數(shù)顯電子稱，主要用于實驗室小件物體的稱重，給老師和學生提供方便，節(jié)省時間，由于是實驗室的設備，不需要每人配一件，只需有3-10臺，夠用即可，因此要滿足小巧可移動性，方便從這一實驗桌到另一實驗桌的搬動。通過分析和討論各個部分的電路原理、控制策略、實現(xiàn)方法等，達到使商用稱重還是實驗室稱重的實用目的。合理應用所學的知識，充分發(fā)揮電阻應變式傳感器的功能，靈活搭配各個元器件，就能組裝出一個電子稱，需要各方面的能力包括理論知識和動手操作等，因此需要在課程設計前做好充分的準備，從選課題到付出實際行動都要認真仔細的思考仔細得做，遇到問題，就分析解決問題，直至連接

4、成功。數(shù)顯電子稱的量程可調，可通過換用應變片和電路的總增益，來調節(jié)量程，達到稱重范圍廣，小件測量精確的效果，當然，今日我發(fā)現(xiàn)也可以用于到校門口購買水果稱重（可能有點異想天開），因為每次到學校門口買水果和地瓜，總是缺斤少兩，很是不痛快，物價可以貴,但不能坑人嘛！可以說，無論是生活還是學習、工作，數(shù)顯電子稱都能夠幫到我們，因此對數(shù)顯電子稱的制作和改良是很有必要的。未來的世界是輕松的世界，想想就是，連稱重都如此簡單了、2 2.設計內容及總體方案要實現(xiàn)對物體質量的測量， 必須有測量電路測出物質的重量信號， 以模擬信號的方式傳送到A/D轉換器。 其次， 由A/D轉換電路把由差動放大器電路把傳感器輸出的微

5、弱信號進行一定倍數(shù)的放大， 然后送A/D轉換電路中。再由A/D轉換電路把接收到的模擬信號轉換成數(shù)字信號，傳送到顯示電路，最后由顯示電路顯示數(shù)據(jù)。具體方案如下：現(xiàn)如今人們都追求高質量的生活，但質量高低，得有個評判的標準，于是，電子稱誕生了。電子秤具有稱重精確度高，簡單實用，攜帶方便成成本低，制作簡單，測量準確，分辨率高，不易損壞和價格便宜等優(yōu)點，是學生在校外地攤購買水果的首選。其電路構成主要有測量電路，差動放大電路，A/D轉換，顯示電路。其中測量電路中最主要的元器件就是電阻應變式傳感器。電阻應變式傳感器是傳感器中應用最多的一種，廣泛應用于電子秤以及各種新型結構的測量裝置。而差動放大電路的作用就是

6、把傳感器輸出的微弱的模擬信號進行一定倍數(shù)的放大（采用雙放大電路，即先后進行連續(xù)兩次放大，然后將信號輸出），以滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求。A/D轉換的作用是把模擬信號轉變成數(shù)字信號，進行模數(shù)轉換，然后把數(shù)字信號輸送到顯示電路中去，最后由顯示電路顯示出測量結果。3 3.單元模塊的具體設計1.1.測量電路:電阻應變式傳感器就是將被測物理量的變化轉換成電阻值的變化，再經(jīng)相應的測量電路而最后顯示或記錄被測量值的變化。在這里，我用電阻應變式傳感器作為測量電路的核心并應根據(jù)測量對象的要求，恰當?shù)剡x擇精度和范圍度(1)(1)電阻應變式傳感器的組成及原理電阻應變式傳感器簡稱電阻應變計。當將電阻應變計用

7、特殊膠劑粘在被測構件的表面上時，則敏感元件將隨構件一起變形，其電阻值也隨之變化，而電阻的變化與構件的變形保持一定的線性關系，進而通過相應的二次儀表系統(tǒng)即可測得構件的變形。通過應變計在構件上的不同粘貼方式及電路的不同聯(lián)接，即可測得重力、變形、扭矩等機械參數(shù)。結構如圖1由圖可見，電阻應變片、彈性體是電阻應變傳感器中不可缺少的部分。圖1 1應變式傳感器結構示意圖(2)(2)電阻應變式傳感器的測量電路由于室溫的不確定性和機械間的不確定因素，應變片可能存在零點漂移，這就需要進行溫度補償，我采用全橋接法，通過調節(jié)兩個橋臂電阻的大小，達到溫度補償?shù)男Ч?。基于前幾周剛做完傳感器實驗，故模仿其中的應變式傳感器?/p>

8、臂電橋所接全臂電橋實驗接線圖如下:圖2 2全橋稱重傳感器電阻應變片的電阻變化范圍為0.0005-0.1歐姆，所以測量電路應當能精確測量出很小的電阻變化，在電阻應變傳感器中做常用的是橋式測量電路。橋式測量電路有四個電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓E,另一個對角線為輸出電壓Uoo其特點是： 當四個橋臂電阻達到相應的關系時，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計來測量，所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。在加上Rp1,就可以調節(jié)零點漂移，達到溫度補償?shù)男Ч?ER5-R1rR3R2R4實驗室溫度大體恒定，調好后一季的時間內可以保持不變。它由箔式電阻應變片電阻Ri、R2、R3、R4組成測量

9、電橋，測量電橋的電源由穩(wěn)壓電源E供給。物體的重量不同，電橋不平衡程度不同，指針式電表指示的數(shù)值也不同。滑動式線性可變電阻器RP1作為物體重量彈性應變的傳感器，組成零調整電路，當載荷為0時，調節(jié)RP1使數(shù)碼顯示屏顯示零。但在調好后，在稱重時不能再改變它，以免產(chǎn)生誤差。4.4.差動放大模塊1 1.差動放大電路物體質量信號產(chǎn)生后，要求用一個放大電路，即差動放大電路。多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數(shù)的放大，為保證放大倍數(shù)足夠，我采用雙放大模式，即前后分別對信號進行放大，才能滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求。我選用LM324四運放，連接組成兩級差動放大

10、電路，初級放大電路如圖3考慮到旋鈕旋轉的角度有限，若采用單級差動放大，在放大倍數(shù)足夠的條件下，調節(jié)旋鈕的精度就會降低，調零的時候難以數(shù)顯為零，給測量帶來不必要的麻煩，同時，為保證經(jīng)放大的信號足夠大，采用又一級放大電路，來提高整個系統(tǒng)的增益，這樣既滿足了放大倍數(shù)的要求，也使得旋鈕角度增加，調零更加容易，也可以是R8足夠大，第一級放大滿足倍數(shù)的要求，第二級只用來滿足調零的需要，即讓一級差動放大調節(jié)在實驗室溫度下，第二級的滑動變阻器可以適當縮小，這樣會使調零更加準確。Vi1推導過程：1=Vii-Vi2+OOA1+R7R8VO=(R8+R7+R8)|ViR7R8Vo二(1+2R8)Vi,R7貝UAvf

11、=1+2R8-R7Vi2oo+A2圖3 3初級放大電路兩級放大的電路如圖4。2 2.所用芯片 LM324LM324LM324是四運放集成電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝,-4-外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入圖4 4兩級放大電路端,“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM3

12、24的引腳排列見圖2。由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。5.A/D5.A/D轉換模塊顯示測量儀表以集成芯片(比如ICL7107芯片)集成顯示為主，或者進行A/D轉換后，簡單地用單片機技術實現(xiàn)數(shù)字顯示，單片機技術只是運用于簡單的顯示作用.由于隨著計算機輔助教學在電工電子等教學設備的應用，迫切要求教學設備的硬件結構符合計算機雙向控制的要求，我也采用ICL7107來構成A/D轉換模塊，引腳功能如圖7回1111田rrirrirrirri周國臼周riri臼riirii國?.言普工S上(一10S15-OL7菖s_p_TQPWE

13、W141312111098141312111098圖5 5運放引腳圖6 6LM324LM324引腳接線回回因國回國回囹回國目闿回國國國內回因回E1.ICL7107.ICL7107 簡介ICL7107是高性能、低功耗的三位半數(shù)模轉換器，包含有七段譯碼器、顯示驅動器、參考源和時鐘系統(tǒng)。根據(jù)各個引腳的功能，加上一些簡單的元器件，連接成A/D數(shù)顯模塊，最右端連接四個七段顯示譯碼管，由下至上編號1234,位數(shù)又低至高，顯示物體實際質量。其中7107集成塊時核心部件，用以實現(xiàn)模數(shù)轉換。ICL7107將通用性、高精度和低成本真正的結合在一起，又低于10國的自動校零功能，零漂小于1卬/度。ICL7107特點：

14、ICL7107是31/2位雙積分型A/D轉換器，屬于CMoS大規(guī)模集成電路，它的最大顯示值為1999,最小分辨率為100uV,轉換精度為0.051個字。能直接驅動共陽極LED數(shù)碼管，不需要另加驅動器件，使整機線路簡化，采用土5V兩組電源供電，并將第21腳的GND接第30腳的IN。3在芯片內部從V+與COM之間有一個穩(wěn)定性很高的2.8V基準電源，通過電阻分壓器可獲得所需的基準電壓VREF。4能通過內部的模擬開關實現(xiàn)自動調零和自動極性顯示功能。5輸入阻抗高，對輸入信號無衰減作用。整機組裝方便，無需外加有源器件，配上電阻、電容和LED共陽極數(shù)碼管，就能構成一只直流數(shù)字電壓表頭。7噪音低，溫漂小，具有

15、良好的可靠性，壽命長。8芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。不設有一專門的小數(shù)點驅動信號。使用時可將LED共陽極數(shù)數(shù)碼管公共陰極接V+表一ICL7107主要參數(shù)：電源電壓ICL7107V+toGND6V溫度范圍0cto70CICL7107V-toGND-9V熱電阻PDIP封裝qJA(C/W)50MQFP寸裝80最高儲存溫度范圍-65Cto150CV+toV-最大結溫150c2.A/D2.A/D 轉換電路原理圖圖9 9A/DA/D轉換電路原理圖3.ICL71073.ICL7107 芯片的正常與否測試(1)關鍵點的電壓：芯片第一腳是供電，正確電壓是DC5V。第36腳是基準電壓，正確數(shù)值是10

16、0mV,第26引腳是負電源引腳，正確電壓數(shù)值是負的，在一3V至一5V都認為正常，但是不能是正電壓，也不能是零電壓。芯片第31引腳是信號輸入引腳，可以輸入由99.9mV的電壓。在一開始，可以把它接地，造成“0信號輸入，以方便測試。(2)注意芯片27,28,29引腳的元件數(shù)值，它們是0.22uF,47K,0.47uF阻容網(wǎng)絡，這三個元件屬于芯片工作的積分網(wǎng)絡，不能使用磁片電容。芯片的33和34腳接的104電容也不能使用磁片電容。(3)注意接地引腳：芯片的電源地是21腳，模擬地是32腳，信號地是30腳，基準地是35腳，通常使用情況下，這4個引腳都接地，在一些有特殊要求的應用中(例如測量電阻或者比例測

17、量)，30腳或35腳就可能不接地而是按照需要接到其他電壓上。-本文不討論特殊要求應用。（4）負電壓產(chǎn)生電路：負電壓電源可以從電路外部直接使用7905等芯片來提供，但是這要求供電需要正負電源， 通常采用簡單方法， 利用一個+5V供電就可以解決問題。 比較常用的方法是利用ICL7660或者NE555等電路來得到，這樣需要增加硬件成本。我們常用一只NPN三極管，兩只電阻，一個電感來進行信號放大，把芯片38腳的振蕩信號用接一個20K-56K的電阻連接到三極管“B極，在三極管C極用接一個電阻（為了保護）和一個電感（提高交流放大倍數(shù)），在正常工作時，三極管的“C極電壓為2.4V2.8V為最好。這樣，在三極

18、管的“C極有放大的交流信號，把這個信號通過2只4u7電容和2支1N4148二極管，構成倍壓整流電路，可以得到負電壓供給ICL7107的26腳使用。這個電壓，最好是在一3.2V至ij-4.2V之間。（5）如果上面的所有連接和電壓數(shù)值都是正常的，也沒有短路”或者開路”故障，那么，電路就應該可以正常工作了。利用一個電位器和指針萬用表的電阻X1檔，我們可以分別調整出50mV,100mV,190mV三種電壓來，把它們依次輸入到ICL7107的第31腳，數(shù)碼管應該對應分別顯示50.0,100.0,190.0的數(shù)值，允許有2-3個字的誤差。如果差別太大，可以微調一下36腳的電壓。（6）比例讀數(shù)：把31腳與3

19、6腳短路，就是把基準電壓作為信號輸入到芯片的信號端，這時候，數(shù)碼管顯示的數(shù)值最好是100.0,通常在99.7100.3之間，越接近100.0越好。這個測試是看看芯片的比例讀數(shù)轉換情況，與基準電壓具體是多少mV無關，也無法在外部進行調整這個讀數(shù)。如果差的太多，就需要更換芯片了。6 6.數(shù)碼顯示模塊1 1 .直插式七段顯示譯碼管簡介常用的直插封裝LED規(guī)格有小3（|）SH610指的是直插式LED帽身的直徑尺寸（單位是mm）。其中最常見的是65型LED產(chǎn)物， 這里就選用這種規(guī)格大小布線。 不過PCB布線圖是按照實驗室實際尺寸來畫的， 也是直插式。譯碼管的七個引腳按序排列，組成的二進制數(shù)再轉化成相應的

20、十進制數(shù)，就通過二極管的位置組合顯示出來，我們可以方便快速的的讀數(shù)。七段譯碼管工作的真值表如下:!1!1山Q QCi二我采用共陰極接法，即輸入七段顯示譯碼管每個引腳的高電平有效，當輸入為碼管中的二極管燈亮，按照上表所示，顯示數(shù)字，具引腳接線如圖9:將物體質量信號產(chǎn)生模塊、差動放大模塊、模數(shù)轉換和顯示模塊連接，組成完整的電路1時，譯原理圖附圖1:7 7.參考資料1.程德福，王君.傳感器原理及應用.北京：機械工業(yè)出版社，20082,邱關源.電路.北京：高等教育出版，20083.童詩白,模擬電子技術基礎,北京：高等教育出版社，20084,閻石,數(shù)字電子技術基礎,北京：高等教育出版社，20095,英聯(lián)科技,YL系列傳感器與測控技術綜合試驗臺實驗指南，20108 8.課程設計心得體會記得老師給我們題目時，我是一籌莫展，腦子里除了知道什么是應變式傳感器外，啥都不知道了，更別說基于什么要求、 設計怎樣的電路并實現(xiàn)預期的功能了， 不過新東西