搜索
1西华大学课程设计说明书1前言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。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。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。2西华大学课程设计说明书2整体方案设计2.1方案设计本设计整体思路：当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号。然后通过系列转换，输出显示结果方案一：利用单片机，实现称重、显示、报警等功能。图2.1方案一框图方案二：直接使用放大系统经A/D转换器显示。图2.2方案二框图传感器放大电路A/D转换器单片机显示键盘报警传感器放大系统A/D显示切换量程3西华大学课程设计说明书2.2方案比较方案一中利用电阻应变片式传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，滤波，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机，单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。方案二中较为简单，但实现功能较差，不容易达到设计精度要求。2.3方案选择综上所述,本课题的主要设计思路是：利用电阻应变片式传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，滤波，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机，单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便,集重量称量功能与价格计算功能于一体,能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求，因此选用方案一作为本设计的设计方案。4西华大学课程设计说明书3系统方案设计3.1传感器的选择在本设计中，传感器是个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显得十分重要。不仅要注意其量程和参数，还要考虑与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比等等。3.1.1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。3.1.2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5西华大学课程设计说明书点就选用几只传感器。（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。称重传感器按综合性能分为A、B、C、D四个准确度等级，分别对应于衡器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个准确度等级。综合考虑,本设计采用电阻应变式传感器,其最大量程为5Kg.称重传感器由组合式S型悬梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置。由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，所以该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点，广泛用于各种结构的动、静态测量。该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成。电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，把电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上，以适当方式组成的将力转换成电信号的传感器。电阻应变效应，即金属丝在受到应力作用时，其电阻随着所发生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化。电阻应变效应的理论公式如下:R=ρL/S（式3.1.1）式中：ρ为电阻率，L为金属丝的长度，S金属丝的截面积由上式可知，金属丝在承受应力而发生机械变形的过程中，ρ、L、S三者都要发生变化，从而必然会引起金属丝电阻值的变化。当受外力伸张时，长度增加，截面积减小，电阻值增加；当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。因此，只要能测出电阻值的变化，便可知金属丝的应变情况。这种转换关系为：△R/R=Kε（式3.1.2）式中:△R/R为金属丝电阻值的变化量，K为金属材料的应变灵敏系数,它主要由试验方法确定,且在弹性极限内基本为常数值，ε为金属材料的轴向应变值,即ε=△L/L,因此又称ε为长度应变值,对金属丝而言。在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测机械零件的表面。当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时，粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形，引起应变片电阻发生相应的变化。电阻应变片式传感器主要有两部分组成：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；另一个是电阻应变片，它作为传感器元件将弹性体应变同步的转换成电阻值的变化。电阻应变片是电阻应变式传感器的核心元件，其6西华大学课程设计说明书工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—0.001，所以，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，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，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V。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化。图3.1电阻应变式传感器图3.2电阻式应变称重传感器结构图7西华大学课程设计说明书RV11kRV31kRV51kRV61kRV71kR3100R4100图3.3桥式测量电路如图3.3R3、R5、R6、R7为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，R3,R4为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。若不考虑R3,R4，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为：V=[R1/(R1+R2)-R4/(R3+R4)]e（式3.1.3）由于桥臂的起始电阻全等，即R3=R5=R6=R7=R,所以V=0。当应变片的电阻变成R+△R3、R+△R5、R+△R6、R+△R7时，电桥的输出电压为:V=[(R+R3)/(R+△R3+R+△R6)-(R+△R5)/(R+△R5+R+△R7)]e（式3.1.4）也就是说，电桥的输出电压与每个桥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，且△R/R=Kε，则上式又可写为：V=eK/4（ε3–ε5+ε6–ε7）（式3.1.5）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。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，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R3、R6被拉伸，阻值增大，△R3、△R6正值，R5、R7被压缩，阻值减小，△R5、△R7为负值。再加之应变片阻值变化的绝对值相同。因此，V=（Ek/4）*4ε=eKε。若考虑R3，则电桥的输出电压为：8西华大学课程设计说明书V=[（R+△R）/2R-(R-△R)/2R][R/(R+2R3)]e=[R/（R+2R3）]（△R/R）e=[R/(R+2R3)](△R/R)e=[R/(R+2R3)]Kεe令Su=V/e，则Su=[R/(R+2R3)]Kε（式3.1.6）Su称为传感器系数或传感器输出灵敏度。电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：A.电阻丝温度系数引起的。B.电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿电阻，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。3.2放大电路的选择经由传感器转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行信号转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。这一环节目前主要依靠放大器来完成。放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求：1、输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。2、抗共模电压干扰能力强。3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。3.3A/D转换电路的选择在实际的测量和控制系统中检测到的常是时间、数值都连续变化的物理量，这种连续变化的物理量称之为模拟量，与此对应的电信号是模拟电信号。模拟量9西华大学课程设计说明书要输入到单片机中进行处理，首先要经过模拟量到数字量的转换，单片机才能接收、处理。实现模/数转换的部件称A/D转换器。随着大规模集成电路技术的飞速发展和电子计算机技术在工程领域的广泛应用，为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换电路不断产生。目前世界上有多种类型的ADC，有传统的积分型、并行、逐次逼近型ADC，压频变换型ADC，也有近年来发展起来的△－Σ型和流水线型。多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体要求。3.3.1ADC集成电路几种类型（1）并行比较A/D转换器：如ADC0808、ADC0