一種智能化應變式稱重傳感器的設計

于雷

（閩南理工學院電子與電氣工程系，福建 石獅 362700）

一種智能化應變式稱重傳感器的設計

于雷

（閩南理工學院電子與電氣工程系，福建 石獅 362700）

智能化稱重傳感器具有精度高，穩定性強、數字式輸出以及非線性補償等優點，在衡器制造行業中的應用越來越廣泛，但國內相關產品的研發尚處起步階段。提出一種數字式智能化應變式稱重傳感器，介紹了其硬件和軟件設計，并給出了實驗結果。通過實驗數據可以證明，本設計的稱重傳感器樣機整體精度較高，滿足設計指標，具有一定的推廣價值。

稱重傳感器；高精度；數據采集

0 引言

隨著物聯網技術的飛速發展，很多國內外知名企業都開始關注這塊極具潛力的“大蛋糕”，而作為數據采集的起始端，傳感器所起到的重要作用是不言而喻的，因此傳感器行業的發展勢頭是非常令人看好的。在傳感器產業鏈之中，其核心部件是智能的化數字式稱重傳感器，但由于我們國家在這個領域的硬實力較之國外發達國家確實存在差距，國內自主研發的相關產品在市場中也是鳳毛麟角。所以，對智能化的數字式稱重傳感器進行研發，既能在技術方面有所積累和提升，又符合市場的發展需求。本設計是在模擬式電阻應變稱重傳感器的基礎上，研發了一種以RS-485作為通信接口，具備自補償能力、1/300000分辨率、60000分度數綜合精度、具有模塊化結構的智能化應變式稱重傳感器。

1 系統硬件設計

1.1設計原理

電阻應變片是硬件設計中的核心，其作用是把被測物體重力轉為電信號。電阻應變片通常都結成電橋結構，為保證其輸出精度，設計中采取低噪聲放大器和高精度模/數轉換器對電橋產生的微弱信號進行調理，然后再發送到處理器。此外，溫度傳感器對測量環境的溫度息進行采集后也發送至處理器，以便稱重傳感器進行有效的溫度補償。最后，稱重所得數據在通信接口以數字化形式輸出，再通過濾波、補償等軟件處理之后經由RS-485通信接口發至主機。

1.2稱重信號采集電路設計

稱重信號采集電路的性能高低對數字傳感器的測量精度起到至關重要的作用，因此，設計中采用SP4MC6MR的電阻應變片，并采取壓控恒流源的方式供電以實現比例稱重的測量方式，從而保證其輸出電流和模/數轉換器參考電壓成比例的進行變化。圖1是應變片電橋供電電路。

圖1　應變電橋供電電路Fig.1 Strain bridge power supply circuit

應變電橋由于信號輸出幅度僅為10mV，無法直接進行模/數轉換，因此必須將其放大。數/模轉換器采取了2.5V大小的參考電壓，所以放大電路需要將電橋輸出信號放大250倍。考慮到傳統放大器的噪聲影響，為保證傳感器的稱重精度，本設計采取斬波放大器搭配低通濾波器構成放大電路，既可消除噪聲干擾，也有效避免了頻譜混疊的情況出現。設計中選取OPA2227運放，其特點是信噪比較高；各個電阻都采用的是溫度特性良好的金屬膜電阻，能夠有效抑制增益漂移誤差［1］；采用ADG820構成模擬開關，僅10ns的切換時間足以將誤差控制在最小范圍內。

1.3高精度模/數轉換器設計

作為采集信號的核心構件，模/數轉換器的轉換精度對采集數據的精度有著至關重要的影響。設計中采用了CS5532低噪聲、雙通道24位模/數轉換器，其內部包括多路開關、程控多階數字濾波器、可編程增益放大器、SPI接口、四階Δ-Σ調制器、時鐘發生器以及校準控制系統等，24位數據輸出，含自校準系統，對轉換器自身增益誤差、系統誤差都能起到很好的消除作用，還可提供輸入差分信號的共模反饋來確保信號完整性。高精度模/數轉換器電路如圖2所示。

圖2　高精度模/數轉換器電路Fig．2 High precision A/D converter circuit

1.4MCU管理單元設計

本設計的稱重傳感器需實現的功能包括采集信號、通信以及處理數據等，對處理器的要求比較高，其功耗也要盡量低，所以設計中采用了的STM32F103C8處理器，在運行速度、運行可靠性方面都滿足設計需求，可以實現PWM輸出等應用，通信接口非常豐富，價格也非常便宜。

1.5溫度采集電路設計

設計中選用TMP275數字溫度傳感器測量溫度。該傳感器的分辨率高達0.0625℃，準確度為0.5℃；采用I2C協議的二線制通信接口，工作溫度為-40℃至25℃，具備報警模式，便于精度選擇和溫度報警門限的設置。

1.6信息存儲電路設計

本設計需實現對補償算法的參數、通信地址、傳感器本身序列號等信息進行存儲的功能，因此選用AT24LC02芯片，作為非易失存儲器，其在設計中作為I2C接口E2PROM存儲器。

1.7通信接口電路設計

由于稱重傳感器自身并不具備數據顯示和狀態指標裝置，稱重所得數據以及狀態信息都必須經通信接口發至目標主機，同時也必須通過接受目標主機所發命令來執行相應動作［2］。所以本設計中選用了RS-485接口來實現通信，所選收發器芯片為MAX485。為加強電路的抗干擾能力和提升工作的可靠性，采用了將工作電源與RS-485通信電源隔離的通信方式［3］。其電路連接如圖3所示。

圖3　通信接口電路Fig.3 Communication interface circuit

2 系統軟件設計

本設計的軟件開發過程是在MDK平臺實現，該平臺是面向基于ARM的嵌入式應用程序開發工具。限于篇幅，這里只介紹在數據采集部分當中，A/D轉換和溫度采集程序的設計。

2.1A/D轉換設計

在硬件電路中經過放大、補償等處理過程的信號要想保證數據采集正確，需要微處理器經由軟件控制A/D轉換器操作方可實現，否則將會對后級的信號處理產生影響。本設計中的A/D轉換程序流程如圖4所示。

圖4　A/D轉換流程Fig.4 A/D conversion process

2.2溫度采集設計

考慮到測量環境的溫度變化較為緩慢，因此本設計采取1次/秒的速度對數據進行更新，每1秒對環境溫度進行一次采集，同時將溫度信息發至消息郵箱。此任務程序代碼詳見文獻［4］。

3 試驗與結論

3.1檢定試驗條件

（1）試驗裝置：主要包括一個產生系統以及用于對傳感器輸出信號進行測量的儀表。測試時，將本設計的稱重傳感器固定，加裝托盤后加載砝碼產生重力，在上位機軟件中即可查看測試輸出的數據結果。

（2）試驗條件影響因素：主要包括環境條件、溫度條件、重力加速度等［5］。

3.2檢定試驗程序

（1）對重復性誤差、傳感器誤差以及最小靜載荷輸出溫度影響進行測試。

（2）對蠕變誤差進行測試。

（3）對加裝電子線路的傳感器進行附加測試。

3.3試驗過程與試驗結果

試驗中使用恒溫箱對環境溫度進行模擬，共取15℃、20℃和30℃三個溫度點進行測試，測試過程中恒溫箱溫度設定在測試點溫度±1℃范圍以內［6］。具體結果如表1所示。

表1　試驗結果Tab.1 Test results

從試驗測試結果不難看出，不同溫度和不同載荷條件下，其最大絕對誤差值都不超過0.0004kg，溫度變化對稱重結果的影響不大，滿足B級稱重傳感器指標。

4 結論

本設計提出的稱重傳感器所采用的信號調理方法精度較高，通信接口的可靠性強，能對測量誤差進行有效的補償，各項稱重指標均達到行業要求，能夠很好的應用于各類衡器，具有廣闊的應用前景。

［1］謝惠玲．應變式稱重傳感器技術動向和發展趨勢［J］．科技創新導報，2009，14.

［2］楊驍，齊騁，黃煒煒．一種適用于心電信號檢測的放大器設計［J］．華僑大學學報，2011，6.

［3］何崢嶸．運算放大器的噪聲分析和設計［J］．微電子學，2006，2.

［4］方安平，武永誼．基于MDK RTX的Cortex-M3多任務應用設計［J］．單片機與嵌入式系統應用，2008，12.

［5］尹霞，王東輝．稱重傳感器蠕變補償算法研究［J］．安陽工學院學報，2009，4.

［6］郭懷天，李寶華，趙玉俠．基于電阻應變式傳感器的電子天平的研制［J］．微計算機信息，2007，6.

Design of Intelligent Strain Gauge Load Cell

YU Lei
（Minnan University of Science and Technology Department of Electrical and Electronic Engineering，Shishi Fujian 362700，China）

The intelligent weighing sensor has many advantages，like high precision，strong stability，digital output，nonlinear compensation and so on，the application is more and more widely in the weighing apparatus manufacturing industry，but the research and development is still in the early stage in our country.This paper proposes a digital intelligent strain type weighing sensor，introduces its hardware design and software design，gives the experimental results.The experiment data proves this weighing sensor prototype has high integral precision，meets the design requirements，so it has popularization value.

intelligent load cell；high precision；data collection

TH715

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.018

1002-6673（2015）02-048-03

2015-02-15

福建省中青年教師教育科研項目資助（JA13351）

于雷（1982-），男，吉林遼源人，工程碩士，講師。從事電子、電氣方面的教學與研究工作。