基于电阻应变式传感器的电子天平的研制.docx

基于电阻应变式传感器的电子天平的研制摘要：木文介绍了电阻应变式传感器的丁•作原理，重点分析了电了天平的硬件电路结构和比 例测量方法，并给出了系统的软件设计流程图，文章对提高系统精度所采取的措施进行了说 明，最后给出了电了天平所达到的技术指标电子天平具有测量速度快，精度高，操作简单方便，能够实现白动校准，白动去皮重等 一系列优点，使得它广泛应用于国防、科研、T业、农业及人们的口常生活电子天平 的核心部件是称重传感器，电阻应变式传感器因具有精度高、稳定性好、制作方便、工艺成 熟、价格便宜等一系列优点，已被应用到了几乎所有称重领域和各种测力领域1、电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器由感压装置、电阻应变片和惠斯登测量电路三部分组成，其工作原理 是：被测负载作用在弹性感压装置上使其发生弹性形变；通过粘性物质使粘贴在感压装置上 的电阻应变片发生形变，进而转化成应变片的阻值大小变化；通过無斯登测量电路将电阻应 变片的阻值变化，转化为与负载成正比的电信号输出⑴，如图（1）所示：图（1）电阻应变片纟H•成的惠斯登电桥&、鸟、他分别为四条桥臂的应变电阻，4为电桥的激励电压，为对应的输岀电压，可得：u0 = utR2R3 -&R4（尽 +/?2）（心 +&）（1）典型的称重电桥工作时各桥臂均有增量△/?「*、込、△心，^R.«R （i=K 2、3、 4）,且A^2=A^3=-A^（=-A^4 = A^,于是有：U°=U’罟 ⑵可见，电阻应变式传感器的输出电压与激励电压和传感器形变量成线性关系⑵⑶。

2、电子天平的硬件设计基于电阻应变式传感器的电了天平的结构框图如图（2）所示基金项目：国家自然科学基金（20575024）图（2）电子天平的结构框图电了天平在硬件上还包括水平调节、防风防震等辅助装置，这些在图（2）中并没有曲出来 2.1系统的工作过程电阻应变式传感器输出信号很小，系统中使用了两级运算放大电路，第一级选用仪表放 大器AD620, AD620是一种闭环、养动输入的运算放大器，线性度好，增益设定方便，共 模抑制比高，育流漂移小，它往往用来精确放大载于高共模电压上的小差动信号；第二级运 算放大电路采用低失调精密运算放大器OP07, OP07输入失调电压只有10uV,偏置电流 700pA,温漂200nV/°C,适合作二级精密放大以上两级放大电路均采用± 12V双电源供电, 以提高系统精度；称車传感器在供桥电压激励下输出的电压信号经过放大，在进入ADC转换 Z前须讲行滤波和负压保护处理；A/D转换器选用了 TI公司生产的工-△转换器ADS11OO, 它是一款高精度自校正的并分输入转换器，16位转换精度，内置可编程增益放大器，可选 择1、2、4、8倍的放大增益,采样速率可在8、16、32、128SPS之间选取,低功耗电流90uA, SOT23-6小型封装，ADS11OO的这些优点使得它广泛应用于称重仪表领域⑷。

MCU选用STC89C516RD+单片机，用于数据处理和整机的管理，如电子天平超重报警、去 皮重、单位换算等；系统选用了 128x64点阵LCD作为显示装置2.2比例测量技术称重传感器的桥式结构决定了其输出与激励电压息息相关，为提高精度须使用高精度的 电压源作为激励，此外高精度的A/D转换也要求使用精密电压源作为参考，若按常规方法 考虑，需要两个精密电压源，实现起来难度较大，成木也高，为此我们采用了比例测量技术 所谓比例测杲技术，是指ADC参考电压与称重传感器的激励电压市同一电源提供，如图（3） 所示，设ADC输出为Dol；t ,放大电路部分的总增益为A,结合电阻应变式称重传感器的 工作原理，我们有：%丁 = v fv “E罟― =%等沽=人等REF+ r REF-REF-V REF+ y REF- 八 V REF+ y REF- 八 Y E 八图（3）比例测量原理图可见，采用比例测量方法，ADC输出只与传感器的应变特性和运算放大电路的总增益成正比, 而与ADC的基准源和称重传感器的激励源都没有关系⑸3、软件设计3.1电子天平的标定用标准的重量祛码加载至称重传感器的受载端，读取A/D转换数据，并记录下对应的 标准祛码质量，标定过程中采用往复多次测量方法，即重量祛码加载时采取由小到大再由大 到小，多次测量（11次）再取平均，这样可有效消除测量过程中的人为误差。

在对数据进 行拟合过程中，为取得更多的有效数字，将祛码重量放大100倍作为纵坐标，AD平均值作 为横坐标，进行线性拟合如图（3）所示：图（3）称重拟合曲线得到标定表达式为:y = 0.3714 兀一 3350.0 （4）这样，每得到一个A/D值便可由上述拟合表达式计算出一个对应的重量值，因为纵坐标在 拟合前被放大100倍，用上述公式得到的重量值还需要除以1003・2系统整体软件设计系统整体流稈图如图（4）所示，系统毎次开机须先预热，开始测量示为提高ADC输 出精确度，采用均值移动算法对ADC采样值进行数字滤波，均值移动滤波将来自输入信号 许多点的值进行平均以产生每个点的输出信号，滤波器输入直接取白ADC,在对M个数据取 平均的操作中，最小采样数据和最大采样数据部从数据窗口中被滤除，对剩下的个数 据用下面的公式求平均值：1M -2软件滤波键盘打描读A/D数据计算重斌值开机预热去皮逼单位换算图（4）系统整体流程图M-3工 X[_]>0(5)该算法可以使输出数据速率与输入数据速率保持相同，这是一级平均，为进一步减小波形偏 差，使第一级的输出通过第二级再取平均以进一步提高输出结果的精度，把二级滤波示的输 出作为一个有效A/D值，调用标定程序得到对应的重量值，若称重超出量程则进行蜂鸣报 警，否则判断是否进行去皮重及单位换算，最示把重量值送LCD进行显示。

4、提高系统精度所采取的措施首先，高精度的模拟电路设计对器件的热稳定性提出了很高要求，因此系统在每次开机 后须进行预热,经实验得知,经30分钟预热麻,系统中备器件基本稳定，此后进行测量, 测量结果比较准确；对系统电源进行了两级稳压，并加滤波电路，消除电源噪声对系统的影 响其次，驶件上选用的&△结构ADC在低更新速率时具有低噪声和高线性度，其噪声桀形 和数字滤波功能集成在片内；软件设计上采用了均值移动滤波算法提高了 ADC的转换精度, 从而提高系统整体的精度和稳定性最后，系统中存在着模拟信号和数字信号，数字部分的 各种脉冲对模拟部分的干扰很大，因此在系统设计中皿使模拟部分和数字部分在布局布线」〔 尽量分开，并且模拟地和数字地分离，最后在一点与电源地相接；在每个集成芯片，特别是 运放和A/D器件的电源端配置去藕电容，且尽可能的靠近电源端，引脚尽量粗短5、 结论木文所设计电子天平量稈90g,测得值与标准祛码对比，部分数据如表（1）所示经 多次实验验证，当称重小于20g时，最大误差小于0.005g,称重在20g〜90gZ间时，最大误 差小于O.Olg,测量结果稳定时间＜2s,实际应用中，系统工作稳定，整体运行良好。

6、 本文创新点在系统驶件结构上采用了比例测量方法，使得A/D转换结果不受转换器的参考电压以及 压力桥激励电压的影响；有效地冋避了大部分电压源芯片输出精度和输出功率之间的矛丿百, 简化了系统的电源电路，降低了系统成木重最 公式计算值及偏差/g /g 编号1 编号2 编号3 编号40.0000.000-0.0000.000-0.0000.000-0.0000.000-0.0001.0000.9990.0011.003-0.0030.9990.0010.9990.0012.0001.9980.0022.002-0.0021.9980.0022.002-0.0025.0004.9990.0015.003-0.0034.9990.0014.9990.00110.0009.9980.00210.002-0.00210.002-0.0029.9980.00220.00020.000-0.00020.004-0.00420.004-0.00420.004-0.00450.00050.002-0.00250.002-0.00250.006-0.00649.9980.00280.00079.9960.00480.0000.00080.004-0.00480.004-0.004参考文献[1] 苗丽霞•浅析惠斯登电桥在称重传感器中的应用・H肃冶金,2004, 26⑷:52-54.[2] 王化祥，张淑英.传感器原理及应用.修订版.天津:天津大学出版社,2001:19-23, 29-30.[3] 马鸿文•基于AT89C51单片机的电子计价秤的设计与实现•微计算机信 息,2005,21(12-2) :96.[4] 张景元，李业徳.一种基于单片机的多功能电子秤.微计算机信息,2006, 22(4-2) :52.[5] 苏堡莹，金伟，曹建伟等.高精度力传感器信号肓接数字化技术研究•机电工程， 2005, 22 (5): 19-22.。