基于应变式传感器的电子称设计

1基于应变式传感器的电子称设计一、概述压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。本次课程设计的目的，是使学生掌握传感器的组成和基本原理、基本概念和分析方法、并具备构造、调试和工程设计传感器的能力。了解protel99软件的使用方法，并利用该软件绘制原理图和刻画电路板。了解使用面包板进行电路测试的方法。二、功能需求分析（1）量程0～1Kg，应变式传感器的结构设计；（2）电路设计，包括应变式传感器的桥式电路、电子称显示模块；（3）电子称的各种精度指标进行测试（非线性误差、重复性、滞后、灵敏度、抗侧向能力大小、温变对灵敏度的影响等指标）。三、系统设计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，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。原理流程图如下：全桥测量电路信号放大电路AD信号转换电路数显电路21、测量电路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、扭矩等机械参数本次课程设计采用的是全桥测量电路，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，我们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。全桥电路原理如图：图1全桥电路原理图)RRRRRRRRRRRR(EUg434212可设定R1=R2=R3=R4，此时：RREUg这就是电阻桥式电路的输出，也就是由压力转换而来的电信号,计算验证，全桥电路的灵敏度是单臂电桥的四倍。电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1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3化。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，电表显示的数值也不同。下面是测量电路图：图2全桥测量电路2．放大电路：该电路需要对输出的正负端均加以放大，要求用一个放大电路，即差动放大电路，主要的元件就是差动放大器。在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，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，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。这次课程设计的选用的就是典型的差动放大器。差动放大器的原理图如下：4图3差分放大电路其输出与输入之间满足以下关系：I=GiiRVV21Vo=(R1+RG+R1)I=(1+GRR12)Vi，则IoUU=1+GRR12即差分放大器的放大倍数为1+GRR12倍,显然调节R1与RG的大小比例可以使放大倍数发生变化，结合实际电路，电桥的输出电压为0～10mV之间，而ICL7107的输入信号的要求约为200mV，因此，可设置电桥的放大倍数为20～40倍，现选取放大倍数为30倍，则对应的R1、RG比例应为R1=15RG。在该电路中，用到了两个放大器，因此可选用型号为LM358的芯片，其内部结构图为：5图4LM358内部结构图其原理图如下：图5放大电路63、AD转换：本实验采用的是ICL7107型号的元件，ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含321位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。该元件可以实现将输入的模拟信号转换为数字信号并进行输出的功能，输出信号的电压大小可直接供应七段显示器，他的输入信号为±200mV，输出信号为±199.9，其引脚分布图如下：图6ICL7107引脚分布图说明：1.辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。知道了第一脚之后，按照反时针方向去走，依次是第2至第40引脚。（1脚与40脚遥遥相对）。72.牢记关键点的电压：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。3.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。4.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。5.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。6.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,190mV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。7.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。8.ICL7107也经常使用在±1.999V量程，这时候，芯片27,28,29引脚的8元件数值，更换为0.22uF,470K,0.047uF阻容网络，并且把36脚基准调整到1.000V就可以使用在±1.999V量程了。9.这种数字电压表头，被广泛应用在许多测量场合，它是进行模拟－数字转换的最基本，最简单而又最低价位的一个方法，是作为数字化测量的一种最基本的技能。4、数显输出由于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，其引脚分布图为图7七段显示器引脚分布图四、技术实现1、数字式表头的组装ICL7107与七段显示器组装原理图如下：其中，ICL7107的22个数字输出信号和一个POL负号输出信号对应四个七段显示器的24个引脚，POL对应最高位七段显示器的g段显示二极管即负号，第19引脚对应最高位七段显示器的b、c两段的显示。9图8数字式表头原理图2、线路的总装①电路的原理图见附图1。②电路的布线图见附图2。10五、心得体会在该次课程设计中，我收获颇丰。且不说设计本身，仅仅是对protel99这一软件的掌握我相信在我以后的学习和工作中必将使我受益无穷。虽然这次课程设计仅仅有四天，但这次的课程设计不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。这次课程中我所遇到的问题可以说是问题重重，首先是protel软件的使用，以前从来没有接触到这个软件，仅仅学习该软件就用掉了很多时间，但我觉得这这份付出值得的，在这几天使用这软件的过程中，我感觉这软件是很有用的，作为测控专业的学生，以后肯定少不了要绘制电路图，有了这软件，会给我带来很多方便课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．通过这次电子秤的设计，我在多方面都有所提高。通过这次电子秤设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次冷冲压电子秤设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固了传感器课程所学的内容，掌握了传感器元件的使用方法，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。遗憾的是，本次课程设计并没有能够做出实物，希望以后能有机会将这次课程设计的内容全部完成。参考文献[1]程德福.传感器原理与应用.北京：机械工业出版社，2007.[2]王庆.protel99SE&DXP电路设计教程.北京：电子工业出版社，2006.[3]阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001.[5]邱关源.电路.北京：高等教育出版社，2005.11附录附图1