基于应变片的电子秤实验系统设计

本文介绍了基于应变片的数字显示电子秤实验系统的设计和生产。该系统由传感器检测电路，检测信号放大电路，检测信号转换电路和显示电路组成。结合传感器相关的教学内容进行设计，重点是系统的模块化以及输入和输出的相对独立性。本文重点介绍了应变计传感器的生产过程和关键点，以及应变计传感器的电路调试步骤和要点。为了在面向电子信息工程技术学生的“传感器技术与测量与控制”课程中与应变计传感器的基于项目的教学合作，该基于数字显示电子秤的原型系统由基于应变计的称重传感器组成，设计。该系统按照传感器和检测系统的划分方法分为传感器，传感器信号调理，信号采集，信号数据处理和显示，以帮助学生加深对传感器和处理系统的理解。该电路由传感器检测电路，检测信号放大电路，a％测量信号转换电路和显示电路组成，如图1所示。其中，①电阻应变传感器由4个应变仪组成，构成了与之连接的电桥电路。形成一个称重传感器，完成压力到电压信号的转换；②差分放大电路由一个相对成熟的测量放大器组成，该运算放大器由运算放大器组成（也称为仪表放大器）。③A / D转换电路很简单由8位并行A / D转换芯片完成，方便调试和掌握芯片的应用；④单片机实现系统控制；⑤键盘由4x4矩阵键盘实现，帮助学习者掌握键盘的原理和实现扫描，⑥LCD通过LCD12864模块实现显示。 1.称重传感器的制造称重传感器的核心元件是电阻应变传感器，它是一种结构传感器，利用电阻应变的作用将各种机械量转换为电信号。以导线的抗应变性为例，当导线受到外力作用时，其长度和横截面积将发生变化，可用以下公式表示：其中：金属导体的P电阻（Q * cm2 / m），S导体的截面积（cm2），L导体的长度（m）。为了检测由应变引起的电阻变化并将电阻变化转换为电压变化以方便信号采集，应变仪通常形成图2所示的桥结构，并且根据行业惯例对彩色引线进行划分。 。对于图1中的电子秤的结构示意图，如图3所示，必须通过铁芯的弹性悬臂和应变仪电路完成力的测量，即重量的测量。在这里，应变仪的安装是关键。称重传感器的生产包括以下几个环节：1）弹性悬臂的设计与制造。为了增强固定重量并增加其应变，悬臂设计为哑铃形，中间有一个孔，如图3所示。2）选择电阻应变仪。测量并选择应变仪的电阻值和精度，然后选择适当尺寸的应变仪。此处选择电阻为350Q的BF350应变仪。 3）处理悬臂试样的表面。去除油渍，铁锈等，并在45°交叉纹理处抛光并清洁？ 4）找到应变测量点。应变片的位置和方向对应变测量有很大的影响，必须准确地粘贴在试件的应变测量点上，并确保方向与应变方向一致。 5）粘贴应变片。区分应变计的正反两面，胶和糊剂，注意对齐，如图4所示。粘贴时，用手滚动以排出气泡并检查气泡是否合适和饱满。粘贴后，检查是否有短路或断路。 6）连接引线^ _应变计引线很细，可以根据需要连接到端子。引线焊接应快速，以免损坏应变仪。注意检查导线与悬臂测试件是否绝缘，并且没有断路。导线的最终引线用不同的颜色表示，如图2和5中所示。 7）防护和防潮处理^用硅或环氧树脂在试件的表面上进行适当的扩大，以覆盖应变片及其引线。 2.信号检测和调节从桥式电路可以看出，称重传感器的输出是两个浮地的电压信号，适用于使用运算放大器进行放大和调节。在此选择由LM741组成的测量放大器电路。 LM741具有较宽的电压范围，可以在±5？范围内选择。 ±18V，并具有高输入共模和差模电压。它包含频率补偿，过载和短路保护电路，可通过外部电位计将其归零。该电路具有交流，直流共模抑制，失真大等优点，便于信号调零和平衡的处理和调整。测量放大器电路如图6所示。3.信号转换检测信号经过放大和调节后，由A / D转换器转换为数字信号，并发送到由STC89S52组成的计算处理单元进行采集，处理。和显示。为了便于教学过程中的调试和解释，使用了一个相对简单的并行输出A / D转换器ADC0804完成信号转换。 ADC0804是一个8位，单通道，低成本A / D转换器。主要特点是：模数转换时间约为100us，方便的TTL或CMOS标准接口，可以满足差分电压输入，具有参考电压输入，并包含当时钟发生器和单电源工作时（0V_5V），输入信号电压范围为0V_5V，不需要调零。图7显示了使用ADC0804和Zhuo Tablet进行信号模数转换的电路。在使用过程中，可通过调节连接到Vref / 2的电位计来调整称重传感器的零点以及放大和精整电路。由于电子秤的信号变化是单向的，因此，在没有负载的情况下，放大器和分类电路的输出应调整为-2.5V。 ADC0804的Vref / 2设置为0V。称重过程中输出电压上升，A / D转换的动态范围为28 =256。4.计算处理和显示计算处理的组件由单片机STC89S52实现，该单片机负责电子控制。规模功能，包括采集A / D转换输出数据，扫描键盘输入，输出显示数据，设置单价和计算金额。此外，基于系统硬件校准，该部分还可以用于执行系统的非线性拟合，误差补偿和归零功能。在电路设计中，微控制器和周围组件的连接和端口分配如图8所示。其中，键盘使用定制的4x4矩阵薄膜键盘模块，并使用CM12864-12 LCD模块和相应的接口。被设计。 5.使用KeilUVisionV4编写和调试软件系统软件。软件流程图如图9所示。系统软件状态分为几种状态：正常显示，称重显示，单价设置，校准和通过键盘事件处理的转换。 6.结论以上数字显示电子秤系统设计已完成基本的称重和显示功能。在实际应用中，需要考虑几个工程和技术问题。 6.1温度对应变测量的影响无论是试样还是应变传感器，当温度变化时，都会发生线性膨胀，从而引起性能变化。为了实现高精度的称重测量，必须补偿温度误差。 c的方法补偿是应变片的自补偿方法，即选择特定的敏感栅材料，使电阻温度系数，灵敏度系数和线性膨胀系数在温度变化时将温度改变为0，从而达到目的。温度补偿。在非全臂测量电桥的情况下，也可以使用线路补偿方法。 6.2导线过长时进行导线电阻补偿在非全桥检测电路的情况下，如果称重传感器导线过长，则需要补偿由长导线电阻引起的误差，通常使用进行三线或四线连接的方法。 6.3测量误差的校正和补偿应变计构成一个称重传感器。在原理，材料，制造工艺和温度的影响下，会有一定的非线性特性，这将在测量结果和校正此误差方面产生一定的误差，因此补偿对于高精度称重系统至关重要。一种方法是标称系统，然后使用系统的可编程部分进行拟合校正和补偿。