本文介紹了一款基于應變片的數字顯示電子秤實(shí)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(guān)教學(xué)來(lái)進(jìn)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(diǎn)介紹了應變片傳感器的制作過(guò)程和要點(diǎn)，以及針對應變片傳感器的電路調試的 步驟和要領(lǐng)。

為了配合面向電子信息工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的 《傳感器技術(shù)與測控》課程關(guān)于應變片傳感器的 項目式教學(xué)，設計了這個(gè)利用基于應變計的稱(chēng)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(gè)部分，幫助學(xué)生加深 對傳感器和處理系統的領(lǐng)會(huì )和理解。

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

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(chēng)重傳感器，完成將壓 力轉換為電壓信號；②差動(dòng)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(chēng)為儀表 放大器）實(shí)現；③A/D轉換電路簡(jiǎn)單地由一個(gè)8位 并行A/D轉換芯片來(lái)完成，便于調試和掌握該芯 片的應用；④單片機實(shí)現系統的控制；⑤鍵盤(pán)由 4x4矩陣鍵盤(pán)實(shí)現，利于學(xué)習者掌握鍵盤(pán)掃描的 原理和實(shí)現；⑥LCD顯示由LCD12864模塊實(shí)現。

1.稱(chēng)重傳感器的制作

稱(chēng)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(xué) 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(shí)，其長(cháng)度 和截面積都會(huì )發(fā)生變化，可用下式表示：

式中：P—金屬導體的電阻率（Q*cm2/m)，

S—導體的截面積（cm2)，L 一導體的長(cháng)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(yè)常規進(jìn)行分顏色引線(xiàn)。

對于圖3中的電子秤結構示意圖，需要通過(guò) 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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

稱(chēng)重傳感器的制作包括一下幾個(gè)環(huán)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澗的啞鈴形，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(jìn)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350Q的BF350型應 變片。3)處理懸臂試件表面。去除油污銹跡等， 并進(jìn)行45°交叉紋打磨，并清潔? 4)定位應變測 點(diǎn)。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(diǎn)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(shí)用手進(jìn)行滾壓趕出氣泡 并檢查是否貼合飽滿(mǎn)。貼好后檢查是否有短路、 斷路等現象。6)連接引線(xiàn)^_應變片引線(xiàn)較細，必 要時(shí)可配接接線(xiàn)柱。引線(xiàn)焊接時(shí)要快捷，免傷及 應變片。注意檢查引線(xiàn)是否與懸臂試件絕緣，且 無(wú)斷路。導線(xiàn)的最終引出用不同的顏色來(lái)表示， 如圖2和圖5所示? 7)進(jìn)行保護和防潮處理^用硅 膠或環(huán)氧樹(shù)脂對試件表面進(jìn)行貼敷，面積可適當 擴大，覆蓋應變片及其引線(xiàn)。

2.信號檢測與調理

從電橋電路可以看出，稱(chēng)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(jìn)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?士 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(guò)載、短路保護電路，可通 過(guò)外接電位器進(jìn)行調零。這樣電路具有交、直流 共模抑制大失真小等優(yōu)點(diǎn)，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。

3.信號轉換

檢測信號經(jīng)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(jìn)行采集、處理和顯示。為了便于在教學(xué)過(guò)程 中進(jìn)行調試和講解，選用了較為簡(jiǎn)捷的并行輸出

A/D變換器ADC0804來(lái)完成信號的轉換。ADC0804 是一個(gè)8位、單通道、低價(jià)A/D轉換器，主要特點(diǎn) 是：模數轉換時(shí)間大約lOOus、方便的TTL或CMOS 標準接口、可滿(mǎn)足差分電壓輸入、具有參考電壓 輸入端、內含時(shí)鐘發(fā)生器、單電源工作時(shí)(0V_5V) 輸入信號電壓范圍是0V_5V、不需要調零等。

利用ADC0804和卓片機進(jìn)行信號模數轉換 的電路如圖7所示。

使用過(guò)程中可以通過(guò)調節Vref/2所連接的 電位器來(lái)調節稱(chēng)重傳感器以及放大整理電路的 零點(diǎn)。由于電子秤的信號變化是單向的，因此應 將未承重時(shí)放大與整理電路的輸出調到-2. 5V， ADC0804的Vref/2設為0V，稱(chēng)重時(shí)輸出電壓上 升，A/D轉換可以獲得28=256的動(dòng)態(tài)范圍。

4.計算處理及顯示

計算處理的部件由單片機STC89S52來(lái)實(shí) 現，承擔著(zhù)采集A/D變換輸出數據、掃描鍵盤(pán) 輸入、輸出顯示數據、完成設定單價(jià)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(guò)這一部分來(lái)進(jìn)行系統的 非線(xiàn)性擬合、誤差補償以及清零等功能。

電路設計上，單片機與周?chē)考倪B接 及端口分配情況如圖8所示。

其中，鍵盤(pán)采用了定制的4x4矩陣薄膜鍵 盤(pán)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 UVision V4編寫(xiě)和調 試。軟件流程圖如圖9所示。

系統軟件狀態(tài)分為常規顯示、稱(chēng)重顯示、 設定單價(jià)、標校幾個(gè)狀態(tài)，通過(guò)對鍵盤(pán)事件的 處理進(jìn)行轉換。

6.結語(yǔ)

上述數字顯示電子秤系統設計完成了基 本的稱(chēng)重和顯示功能。在實(shí)際的應用中，還 需要考慮幾個(gè)工程和工藝的問(wèn)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(fā)生變化的時(shí)候，會(huì )發(fā)生線(xiàn)膨脹，都會(huì )產(chǎn)生 性能的變化。要實(shí)現高精度稱(chēng)重測量，必須 對其溫度誤差進(jìn)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(xiàn)膨脹系數在溫度變化 時(shí)，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(xiàn)路補償法。

6.2引線(xiàn)過(guò)長(cháng)時(shí)進(jìn)行導線(xiàn)電阻補償 非全橋檢測電路的情況下，如果稱(chēng)重傳 感器導線(xiàn)過(guò)長(cháng)，則需要對長(cháng)導線(xiàn)電阻引起的 誤差進(jìn)行補償，通常用三線(xiàn)制或四線(xiàn)制的連 接方法來(lái)完成。

6.3測量誤差的校正和補償 應變片構成稱(chēng)重傳感器，從原理、材料、制 作工藝和溫度影響的情況下，會(huì )存在一定的非線(xiàn) 性特性，會(huì )對測量結果產(chǎn)生一定的誤差，對這個(gè) 誤差的校正和補償是高精度稱(chēng)重系統必不可少的 內容。一種方法是對系統進(jìn)行標稱(chēng)，再利用系統 的可編程部分進(jìn)行擬合校正和補償。