传感器手提秤课程设计

传感器课程设计报告格式要求电信08-4班姓名姜萍学号08061104061，课程设计的教学目的（1）培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。（2）巩固所学的专业技术知识，培养学生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力，培养初步的独立设计能力；（3）通过课程设计实践，使学生掌握各类传感器的基本原理、主要性能及其结构特点；能合理地选择和使用传感器；掌握常用传感器的工程设计方法和实验研究方法；了解传感器的发展动向。同时使学生初步掌握检测技术的各种检测手段和获取信息的各种分析方法和应用方法。培养学生设计、研制和应用自动检测系统和装置的基本能力。2，课程设计的教学要求加强学生基本功训练，做到理论与实际相结合，继承与创新相结合，充分发挥学生的主观能动性与教师因材施教、严格要求相结合，抓智力因素教育与非智力因素教育相结合，教书育人。（1）要有勤于思考、刻苦钻研的学习精神和严肃认真、一丝不苟、有错必改、精益求精的工作态度。要敢于创新，勇于实践，注意培养创新意识和工程意识。（2）广泛查阅相关资料，独立、认真设计，对有抄袭他人设计图纸（论文）或找他人代画设计图纸、代做论文等行为的弄虚作假者一律按不及格记成绩，并根据学校有关规定予以处理。（3）掌握课程的基本理论和基本知识，概念清楚，设计计算正确，结构设计合理，实验数据可靠，软件程序运行良好，绘图符合标准，说明书（论文）撰写规范，内容叙述准确，字迹工整，条理清晰，画图符合标准。答辩中回答问题正确。（4）针对设计重点进行论述与说明，如为何选择、如何选择、重点参数的计算、如何进一步改进等。特别要突出自己的新认识、新体会、新观点。文中符号、图、表要统一标准。应变片制作的便携式电子手提称1，总体设计方案本课程设计的电子秤以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。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，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而三运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。ADC0809A/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。基本工作原理框图如下：图1-1基本工作原理框图电路方框图如下：图1-2电路方框图2，硬件的设计2.1，传感器的选择2.1.1，电阻应变式传感器的组成以及原理电阻应变式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。由电阻应变式传感器输出信号三运放大电路放大信号显示电路A/D转换电路传感器三运放大器ADC0809A/D转换器80318155LED显示器电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。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片，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。图2-1应变式传感器安装示意图全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uout＝KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。2.1.2，电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器工作原理电阻应变式压力计是电测试压力计中最常用的一种。它是将应变电阻片（金属丝、箔式或半导体应变片）粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变形，这个变形应力使应变片的电阻产生变形，根据所测电阻变化的大小来测量未知压力。应变式压力计是基于电阻应变效应的原理即电阻丝在外力的作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。设有一根电阻死，其电阻率为，长度为l,截面积为S，在未受力时的电阻值为R=Sl-----公式一图2-2金属丝伸长后几何尺寸变化如图二所示，电阻丝在拉力F作用下，长度l增加，截面S减少，电阻率也相应变化，将引起电阻变化△R，其值为RR=ll—SS＋----公式二对于半径r为的电阻丝，截面面积S=2r，则有ss=rr2。令电阻丝的轴向应变为ll，径向应变为rr－)(ll，由材料力学可知，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得RR=（1+2)------公式三通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其表达式为K=)21(RR----公式四从公式四可以明显看出，电阻丝灵敏系数K由两部分组成：受力后由材料的几何尺寸受力引起)21(；由材料电阻率变化引起的1)(_。对于金属丝材料，1)(_项的值比)21(小很多，可以忽略，故21K。大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即为常数。通常金属丝的=1.7～3.6。公式四可写成RR=K-----公式五2.2，传感器选择金属电阻应变片常见的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计采用的是电阻丝应变片。金属电阻应变片分为金属丝式和箔式。为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。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片，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。图2-3传感器安装示意图图三为传感器安装示意图。应变片将被测试件的应变转换成电阻的相对变化RR/，还须进一步转换成电压或电流信号才能用电测仪表进行测量。通过电桥电路实现这种转换。通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。①、对单臂电桥输出电压U01=EKε/4；②不同受力方向的两只应变片介入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EKε/2；③全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始值：R1=R2=R3=R4，其变化值4321RRRR时，其桥路输出电压U03=KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。因此，此设计选择了全桥测量电路。2.3，测量电路介绍常规的电阻应变片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U，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，或则就有电压输出，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。测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。图2-4全桥测量电桥图它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右，测量电桥的电源由稳压电源Uin供给。将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V(2V档测量)或－0.200V。拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RW4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。Rw12.4，三运放大电路本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。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。通过改变放大电路的增益，从而达到转换量程的目的。由于被测物体的重量相差较大，根据不同的侧重范围要求，需对量程进行切换。图2-5三运放大电路结构图2.5，ADC0809A/D转换器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。2.5.1，ADC0809的内部逻辑结构：图2-6ADC0809的内部逻辑结构由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。2.5.2，引脚结构：IN0－IN7：8条模拟量输入通道ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条ST为转换启动信号：当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线：因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时