基于應變片的電子秤實驗系統設計

葛東旭 杜政道

【摘要】本文介紹了一款基于應變片的數字顯示電子秤實驗系統的設計和制作，系統由傳感器檢測電路、檢測信號放大電路、檢測信號轉換電路和顯示電路組成。該設計是為了配合傳感器相關教學來進行的，注重系統的模塊化和輸入輸出的相對獨立性。文中重點介紹了應變片傳感器的制作過程和要點，以及針對應變片傳感器的電路調試的步驟和要領。

【關鍵詞】應變片;稱重傳感器;信號整理;A/D轉換

Abstract：A strain-gauge-based electronic scale experimental system is introduced which is composed of sensor detecting circuit，signal amplifying and conditioning， signal converting and MCU with a LCD displaying modules.The aim of this design is to practice the project-oriented teaching section of strain-gauge sensor.The system is set into several modules with I/Os to enhance the practicing and understanding. The steps and key points to work out a weighting sensor with strain-gauges and load cell are emphasized.

Keywords：Strain Gauge;Weighting Sensor;Signal Conditioning;A/D Converting

為了配合面向電子信息工程技術專業學生的《傳感器技術與測控》課程關于應變片傳感器的項目式教學，設計了這個利用基于應變計的稱重傳感器構成的數字顯示電子秤原型系統。

系統按照傳感與檢測系統的劃分方法，分為傳感器、傳感信號調理、信號采集、信號數據處理及顯示幾個部分，幫助學生加深對傳感器和處理系統的領會和理解。

電路由傳感器檢測電路、檢測信號放大電路、檢測信號轉換電路和顯示電路組成，如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

其中，①電阻應變式傳感器由4只構成電橋電路的應變計組成的構成稱重傳感器，完成將壓力轉換為電壓信號;②差動放大電路由較為成熟的由運算放大器構成的測量放大器（也稱為儀表放大器）實現;③A/D轉換電路簡單地由一個8位并行A/D轉換芯片來完成，便于調試和掌握該芯片的應用;④單片機實現系統的控制;⑤鍵盤由4x4矩陣鍵盤實現，利于學習者掌握鍵盤掃描的原理和實現;⑥LCD顯示由LCD12864模塊實現。

1.稱重傳感器的制作

稱重傳感器的核心元件是電阻應變式傳感器，它是一種利用電阻應變效應，將各種力學量轉換為電信號的結構型傳感器。以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，可用下式表示：

（1）

式中：—金屬導體的電阻率（Ω·cm2/m），S—導體的截面積（cm2），L—導體的長度（m）。

為了檢測應變引起的電阻的變化，并將電阻變化轉換為電壓的變化以利于信號采集，應變計通常構成如圖2所示的電橋結構，并按照行業常規進行分顏色引線。

圖2 電阻式應變傳感器構成電橋電路

對于圖3中的電子秤結構示意圖，需要通過其核心的彈性懸臂結合應變計電路完成受力-即重量-的測量。這里，應變計的裝貼是一個關鍵點。

圖3 電子秤結構示意圖

稱重傳感器的制作包括一下幾個環節：1）設計和制作彈性懸臂。為了加強固定承重塊和增加其的應變性，懸臂被設計成中間帶孔洞的啞鈴形，如圖3中所示。2）選擇電阻應變片。對應變片的電阻值和精度進行測量選擇，并選用合適尺寸的應變片。這里選用的是阻值為350Ω的BF350型應變片。3）處理懸臂試件表面。去除油污銹跡等，并進行45°交叉紋打磨，并清潔。4）定位應變測點。應變片粘貼的位置及方向均對應變測量有非常大的影響，必須準確地粘貼在試件的應變測點上，并保證方向與應變方向一致。5）粘貼應變片。分清應變片的正反，上膠粘貼，注意如圖4所示的定位對準。粘貼時用手進行滾壓趕出氣泡并檢查是否貼合飽滿。貼好后檢查是否有短路、斷路等現象。6）連接引線。應變片引線較細，必要時可配接接線柱。引線焊接時要快捷，免傷及應變片。注意檢查引線是否與懸臂試件絕緣，且無斷路。導線的最終引出用不同的顏色來表示，如圖2和圖5所示。7）進行保護和防潮處理。用硅膠或環氧樹脂對試件表面進行貼敷，面積可適當擴大，覆蓋應變片及其引線。

圖4 應變測點的定位及應變片的粘貼

圖5 懸臂應變片粘貼及引線顏色示意圖

2.信號檢測與調理

從電橋電路可以看出，稱重傳感器輸出的是兩路浮地的電壓信號，適合使用運算放大器進行放大和調理。這里選用的是LM741構成的測量放大器電路。LM741電壓適應范圍較寬，可在±5～±18V范圍內選用，且具有很高的輸入共模、差模電壓。內含頻率補償和過載、短路保護電路，可通過外接電位器進行調零。這樣電路具有交、直流共模抑制大失真小等優點，且便于信號的調零、平衡等處理和調整。測量放大器電路如圖6所示。

圖6 測量放大器電路圖

3.信號轉換

檢測信號經放大調理后，由A/D變換器轉換為數字信號，送至由STC89S52構成的計算處理部件進行采集、處理和顯示。為了便于在教學過程中進行調試和講解，選用了較為簡捷的并行輸出A/D變換器ADC0804來完成信號的轉換。ADC0804是一個8位、單通道、低價A/D轉換器，主要特點是：模數轉換時間大約100us、方便的TTL或CMOS標準接口、可滿足差分電壓輸入、具有參考電壓輸入端、內含時鐘發生器、單電源工作時（0V_5V）輸入信號電壓范圍是0V_5V、不需要調零等。

利用ADC0804和單片機進行信號模數轉換的電路如圖7所示。

圖7 ADC0804和單片機連接的電路圖

使用過程中可以通過調節Vref/2所連接的電位器來調節稱重傳感器以及放大整理電路的零點。由于電子秤的信號變化是單向的，因此應將未承重時放大與整理電路的輸出調到-2.5V，ADC0804的Vref/2設為0V，稱重時輸出電壓上升，A/D轉換可以獲得28=256的動態范圍。

4.計算處理及顯示

計算處理的部件由單片機STC89S52來實現，承擔著采集A/D變換輸出數據、掃描鍵盤輸入、輸出顯示數據、完成設定單價及計算金額等電子秤功能。另外，在系統硬件標定的基礎上，也可通過這一部分來進行系統的非線性擬合、誤差補償以及清零等功能。

電路設計上，單片機與周圍部件的連接及端口分配情況如圖8所示。

圖8 單片機布局和端口使用示意圖

其中，鍵盤采用了定制的4x4矩陣薄膜鍵盤模塊，采用了CM12864-12液晶模塊，設計了相應的接口。

5.軟件

系統軟件使用Keil μVision V4編寫和調試。軟件流程圖如圖9所示。

圖9 系統軟件流程圖

系統軟件狀態分為常規顯示、稱重顯示、設定單價、標校幾個狀態，通過對鍵盤事件的處理進行轉換。

6.結語

上述數字顯示電子秤系統設計完成了基本的稱重和顯示功能。在實際的應用中，還需要考慮幾個工程和工藝的問題。

6.1 溫度對應變測量的影響

不論是試件還是應變片傳感器，在溫度發生變化的時候，會發生線膨脹，都會產生性能的變化。要實現高精度稱重測量，必須對其溫度誤差進行補償。

補償的方法有應變片自補償的方法，就是選用特定的敏感柵材料，使其電阻溫度系數、靈敏系數以及線膨脹系數在溫度變化時，能夠使電阻的變化率為0，達到溫度補償的目的。在非全臂測量電橋的情況下，也可以采用線路補償法。

6.2 引線過長時進行導線電阻補償

非全橋檢測電路的情況下，如果稱重傳感器導線過長，則需要對長導線電阻引起的誤差進行補償，通常用三線制或四線制的連接方法來完成。

6.3 測量誤差的校正和補償

應變片構成稱重傳感器，從原理、材料、制作工藝和溫度影響的情況下，會存在一定的非線性特性，會對測量結果產生一定的誤差，對這個誤差的校正和補償是高精度稱重系統必不可少的內容。一種方法是對系統進行標稱，再利用系統的可編程部分進行擬合校正和補償。

參考文獻

[1]Temperature Compensation for Strain Gauges：Theory and Practical Implementation.

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[4]李巧真.電阻應變片的實驗與應用[J].實驗室研究與探索，2011（04）.

作者簡介：葛東旭（1965—），男，碩士，高級工程師，副教授，現供職于職應天職業技術學院，承擔電子信息工程技術專業、通信專業的專業和信息管理與信息系統專業課程教學和科研工作;指導學生參加全國和江蘇省電子類技能競賽，多次獲獎，研究方向：電子工程。