应变式称重传感器设计 - 图文

太原理工大学现代科技学院

《传感器原理与应用》课程设计

设计名称 应变式称重传感器设计 专业班级 测控11-2 学 号 2011101471 姓 名 李玉堃 同 组 人 王鑫 王海平

设计日期 2015年1月

太原理工大学现代科技学院

课程设计任务书

专业班级 设计名称 测控11-2 学生姓名 李玉堃 课程名称 设计周数 传感器原理及应用 应变式称重传感器设计 1.5周 设计 任务 主要 设计 参数 主要性能指标(量程0-1kg) 设计内容 设计要求 应变式称重传感器的选择；工作原理设计；分类与结构设计；测量电路设计 [1] 陶宝祺.电阻应变式传感器.北京:国防工业出版社,1993 主要参考 [2]刘迎春、叶湘滨.传感器原理与应用.长沙:国防科技大学出版社,2006 资 料 [3]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.北京:国防工业出版社,1999 学生提交 归档文件 注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面—任务书—说明书—图纸的顺

序进行装订上交（大张图纸不必装订） 2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。

按任务书要求进行课程设计，并撰写课程设计说明书。

应变式称重传感器设计

摘 要

粘贴式电阻应变计广泛应用于当今高精度测力与称重传感器的制造中。本篇文章为帮助称重传感器设计者计算出称重传感器尺寸大小，从而为获得唯一需要的输出作了充分的准备。设计者既可以运用有限元分析法经计算机程序（如果可能）来确定称重传感器所需要的尺寸，或运用本文所提供的公式来计算此尺寸。通过某些假设得出的这些计算公式，另外还有电阻应变计的特性、应力形式、材料特征以及机械加工的偏差都会导致计算结果的一定误差。在批量制造称重传感器前，应制造几个样机进行组装、测试和标定。

在某些工业中，如航天工业也许只需要一次性的称重传感器，为决定其非线性、重复性和滞后等误差，在使用前对其进行标定是十分重要的。当计算机被应用于数据处理时，非线性、零点漂移及灵敏度变化，是很容易修正的。如果称重传感器在使用时要经历强烈的温度变化和外部附加载荷的影响，我们应进行试验并测量出这些影响量所造成的误差。如果某部分结构（如接头、销子、压杆）用来测量或是被用作称重传感器时，标定和测试就尤为重要了。

称重传感器设计包括许多方面，这里对其制造生产不予讨论，例如，需要对电阻应变计安装技术知识的全面了解，一些电阻应变计制造商提供技术资料的同时，还应提供电阻应变计安装的分类等。

关键词：传感器，电阻应变式，称重

目录

第一章 方案设计....................................................................................... 5 第二章 传感器设计.................................................................................... 5

2.1传感器的选择 ................................................................................ 5

2.1.1电阻应变式传感器 .................................................................. 6 2.2 设计分析 ..................................................................................... 6

2.2.1应变片的测量电路 ................................................................. 6 2.2.2前级放大器部分 .................................................................... 8 2.2.3 A/D转换模块 ...................................................................... 9 2.2.4控制模块 ............................................................................ 10 2.2.5显示模块 ............................................................................ 10 2.2.6键盘输入 ............................................................................ 10 2.2.7 电源模块 ........................................................................... 11 2.2.8 本部分总结 ........................................................................ 11 2.3电路原理图 ................................................................................. 12

2.3.1弹性元件的选择 ................................................................... 13 2.3.2 信号转换放大部分 ............................................................... 13 2.3.3 A/D转换部分（ICL7315） ..................................................... 14 2.3.4 单片机控制部分 .................................................................. 16

第三章 软件设计..................................................................................... 16

3.1主程序流程图 .............................................................................. 16 第四章 课设小结..................................................................................... 18 参考文献 ............................................................................................... 19

第一章 方案设计

首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。

我们的设计原则是：采用模块化的设计方法，各模块、部分也尽量应用集成芯片，这样及保证了精度有可使设计简单化。

按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。

图1—1电子秤模块设计图

第二章 传感器设计

2.1传感器的选择

传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

图2—4 4×4 矩阵键盘

2.2.7 电源模块

系统需要多种电源，单片机需要±5V,A/D转换需要±5V，+1V，传感器需要+10V以上的线性电压。

此次设计的稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图

图2—5 电源模块的主要组成部分 电源模块我们采用：采用7805,7905，7812和7912组成稳压电路

7805，7905固定式三端稳压器可输出±5V,固定式三端可调稳压器7812和7812组装电路可对称输出±12v。

此设计方案由：由三端可调式稳压器和三端固定式稳压器共同组成, 电路可直接得到+5v和±12的输出电压。 2.2.8 本部分总结

根据以上设计方案，硬件部分采用51系列单片机AT89C51为控制核心部件，实现电子秤的基本控制功能。系统的硬件部分不仅包括以单片机AT89C51为核心的最小系统部分，而且还包括数据采集、人机接口界面、系统电源部分。

数据采集部分由压力传感器、信号放大处理和A/D转换部分组成。在具体选择传感器时，考虑到在称量物品时必要的精度、准确性要求。需要共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度好，而且外部接口简单的专用仪表放大器AD620。选择具有很强抗干扰能力A/D转换器ICL7135，精度高，输入阻抗高，人机交互部分的键盘在系统中，在这次设计中我们采用了4×4键盘控制。显示用的LCD我们根据要求选用了字符点阵式液晶显示器LCD1602。

2.3电路原理图

4×4 矩阵键盘 16×2个字符型的LCD 1602字符型LCD 人机交换界面 A/D转换器ICL7135 放大器AD620 滤波电路 数据采集模块 称重传感器 单片机AT89C2051 单片机控制模块 图2—6硬件结构框图

2.3.1弹性元件的选择

电阻应变式称重测力传感器按照弹性元件的受力状态可分为拉压式 柱式、筒式和环式 、弯曲式梁式和剪切式三类。为了改善悬臂梁特性，在提高动特性的同时也增加灵敏度 ,将梁做成各种形状，以改变其应力分布并增强刚度，双孔梁就是其中有代表性的一种。

双孔梁的结构如图所示,在板状梁上有两个孔 ,在梁的端部有集中力作用时 ,孔内承受弯曲变形。将应变片粘贴在孔的内壁 ,应变片处于相反的应力区内,根据应力分布图可以看出 ,受力点位置变化时 ,一孔的弯矩增加，另一孔的弯矩减小，可在桥路内自动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置的要求也有所降低。

图2—7双孔梁结构图

在称重和测力领域 ,经常采用拉压式和弯曲式应变传感器 ,该电路在精度和稳定性上已达到一定的水平 ,而双孔梁称重测力传感器有零弯矩区 ,高度小 ,对加载方式和受力点移动不敏感 ,且抗偏心、抗侧向力 ,所以选用的称重传感器内部采用双孔梁作为弹性元件。

2.3.2 信号转换放大部分

AD620是一种低耗高精度仪表放大器

图2—8信号滤波放大电路

上图中电容C5、C6用来滤除采样信号中的高频噪声，选用0.1uF的普通独石电容。电容C7、C8用来消除采样信号中的低频噪声电阻，选22uF的普通独石电容。电阻R3、R4选用较小的阻值，采样信号电压值只有毫伏级。

微弱信号Vi1和Vi2被分别放大后从AD620的第6脚输出。通过改变R15的阻值可使V0与RET之间的压差变化，从而实现调零、去皮的功能。

2.3.3 A/D转换部分（ICL7315）

ICL7315是一种双积分式4位半单片A/D转换器，其工作原理是将输入电压

转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（俯冲频率），再通过定时器（计数器）获得数字信号。其内部结构分为模拟部分和数字部分。 参数 参数值 电源电压Vcc +-5V Vin +-2V 时钟频率 基准电容Cr 校零电容Caz 1uF 40KHZ–1MH1uF Z

表2—1 ICL7135的电参数

图2—9 信号数模转换电路图

1、时钟频率Fck的选择 Fck=N*Ff/K

式中，Ff为干扰信号的频率，最大的干扰信号一般为供电电源的干扰，其频率为50Hz。对于ICL7135，取N=10000，并取K=1，则Fck=500KHz. 2、积分电阻Rint Rint=Vxm/2uA

式中，Vxm为满量程电压，取2V，则Rint=100K。 3、积分电容 Cint

Cint>=N*20Ua/Fck·Vm

对于ICL7135，N=10000，取Vm=4V,Fck=500KHz,所以Cint=0.1Uf

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