三点式力矩平衡质量测量.doc

3 点力矩平衡式质量测量系统【内容摘要】本文通过对基于 3 点式力矩平衡原理对物体的质量测量系统的组成、原理、设计选材过程详细的阐述，并对影响系统精度的因素进行了分析，根据力矩平衡原理的要求以及实际应用中存在的问题，给出了在应用中注意的事项和解决问题的方法和措施，为基于力矩平衡原理的物体质量测量系统应用领域的进一步拓展具有借鉴作用关键词：3 点式力矩平衡、应变片式称重传感器、电桥、单片机、RS232C 通信1、概述确定物体的质量在日常生活、工业生产及工程中都有着非常重要的意义，尤其对于对于重量较大的物体重心测量，力矩平衡法是现在最常用的一种，利用力矩平衡原理测量物体重量及重心的方式目前有三种方式：称重平台式、悬挂式、千斤顶式；无论何种方式都是通过 3 点、4 点或多支撑点的测力传感器感知力值的大小，再通过采集系统对传感器感知力值数据信号的采集，通过计算机软件对该信号的解算，便得到物体重心的位置值，这便是本文将要介绍的基于力矩平衡原理的物体重量重心测量系统；2、系统的基本原理和组成1. 系统组成和原理系统由三个称重传感器、信号放大电路、模数转换电路模块、看门狗模块、单片机、RS232 通信接口电路模块及 PC 机等部件组成。

从各测力传感器（或称重平台）感知的力信号通过数字模块进行采集、A/D 转换、处理系统组成原理图见图 1； 1 系统组成原理图2. 系统的支撑操作组合方式利用力矩平衡原理测量物体重量及重心的方式目前有称重平台式、悬挂式、千斤顶式三种，因系统支撑操作不同而有多种组合 ，其一，单一的称重平台式是在每一测力的支撑点下放置一台称重平台，通过称重平台感受被测物体施加的力；其二，悬挂式是通过多套拉式测力传感器将被测物体以一定的要求悬挂起来，由拉式测力传感器感知被测物体施加的力；其三，千斤顶式是在每一支撑点下的千斤顶头部配装一压式测力传感器，通过千斤顶顶推测力传感器，测力传感器顶起被测物体进行测力；其四，在每一称重平台上放置一千斤顶，将称重平台作为千斤顶的底座平台，由千斤顶支撑被测物体，通过称重平台感知所测力；以上这四种组合形式可根据被测物体的实际，需灵活组合和使用13.3.3 传感器的选择在选择传感器时，主要应该考虑组成测量系统的量程、精确度、传感器的安装控件、周围的坏境对传感器可能产生的影响、加载的类型以及传感器的寿命等方面的因素本设计选用的传感器为 ELC-7-2000Kg 型微型荷重传感器。

其技术参数如下表：传感器信号放大电路 A/D 模数转换模块电源模块（给各个模块供电）看门狗电路 单片机RS232C 接口通信模块PC 机技术参数 技术指标额定载荷 10,100,200,300,500,1000,2000Kg额定输出 1.5mV非线性 F.S%1.0滞后 F.S重复性 F.S.零点输出 F.S零点温度系数 F.S/℃03.绝缘电阻 M5供桥电压 10V DC工作温度 -20~65℃允许过载 150%F.S由以上参数可知该称重传感器的可用性13.3.7 参考电源设计参考电源是一种用来作为电压标准的高稳定性的电压源本次设计中采用 5V 的参考电源来为 A/D 转换器提供参考电压并给传感器桥路供电 LM336-5 是高精度、低温度飘移的基准电压电路，以分流稳压器方式工作，输出电压+5.0V由于 A/D 转换器中所需要的基准电压要求比较高，所以选用可调式基准电压 LM336 来稳定输入的电压，调节电位器 VR1可获得精密、低温度系数的电压输出 V5BRIREF如图 13-5 所示0.1uFC1310u/16VC15 V5BRIEFGND30ohmR13VR110KVIN3ADJ1VOUT2U10LM36-5VC8 V5BRIEFGND图 13-5 参考电源电路13.3.8 信号放大电路的设计本次题目设计中信号放大电路主要分为两部分，第一部分是由 AD623 仪表放大器组成的前端放大电路，第二部分是由 LM358 组成的后端放大电路。

AD623 是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源（ +3~+12V）下提供满电源幅度的输出AD623 允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到更好用户灵活性，且符合 8 引脚的工业标准引脚配置（见图 13-6） 在无外接电阻的条件下，AD623 被设置为单位增益（G=1 ） ；在接入外接电阻后，AD623 可编程设置增益，其增益最高可达到 1000 倍图 13-7 所示为本次设计中 AD623 信号放大部分的电路图，传感器桥路的差分号为2 和 1，其中 R1 和 C1，R2 和 C7 其滤波作用，AD623 由 6V 电源 V6CB 供电，C3和 C4 为电源的去耦电容，本电路中放大倍数为：G=1+100KΏ/（R4+VR2 ） （式中 R4、VR2 为图 13-7 中 R4 和 VR2 的电阻值）-RG1-IN2+I3-VS4 REF5OUT6+VS7+RG8U1AD623AN图 13-6-RG1-IN2+I3-VS4 REF5OUT6+VS7RG8U1AD623ANVR640KVR540KVR22K50KR550KR310KR1 250 ohmR410KR20.1uFC10.1uFC7GND GNDOUTPUTV6CBV5BRIEFV5BRIEF Q2Q1GNDGND0.1uFC310u/16VC4V6CBGND图 13-7 AD623 信号放大部分的电路图LM358（引脚排列图见图 13-8）内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。

在推荐的工作电源下，电源电流与电源电压无关它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有单电源供电的使用运算放大器的场合为了方便理解，LM358 可以看做如图 13-9 所示的两个运放，本次设计所使用的LM358 电路如图 13-9 所示可以通过调整 VR3 和 VR4 的值来调整放大倍数为了清楚表明原理关系，本设计中使用的 LM358 电路可以理解为两个运算放大器并排方向使用OUTPTA1A-2+3GND4 VC8OUPTB7-6B+52LM358图 13-8 LM358 引脚排列图OUTPTA1A-2+3GND4 VC8OUPTB7-6B+5U2LM358VR310K VR425K10KR88.2KR1010KR9 10KR14 10KR1610KR?es20.1uFC100.1uFC12GNDGNDOUTPT V6CBGNDGNDA0 0.1uFC810u/16VC9V6CBGND图 13-9 LM358 芯片电路放大部分13.3.9 TLC2543A/D 转换芯片考虑到测量精度、体积及性价比的因素，本例选择 TLC2543 作为 A/D 转换芯片TLC2543 是 TI 公司生产的 11 个输入端的 12 位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成 A/D 转换过程。

具有模数转换快、稳定性好、接口简单、价格低等优点TLC2543 芯片有 20 引脚双列直插封装，其引脚排列如图 13-12 所示AIN12 AIN34 AIN23 AIN45AIN56 AIN67 AIN78 AIN89AIN01 Vc 20DATA INPUT17EOC19I/O CLOCK18DATA OUT16/CS15REF+14REF- 13AIN10 12GND10 AIN9 1图 13-12 TLC2543 引脚图TLC2543 芯片各引脚功能如说明下：1）AIN0~AIN10:11 路模拟信号输入端；2） /CS： 片选端，低电平有效；3）DATA INPUT：数据串行输入端；4）DATA OUT：数据串行输出端；5）EOC： 转换结束端标志；6）I/O CLOCK：I/O 时钟输入端；7）REF+ ：基准电正端；8）REF- ：基准电压负端；9）VCC ：电源；10）GND：电源地TLC2543 的控制字是从 DATA INPUT 端串行输入的 8 位数据，它规定了 TLC2543 要转换的模拟量通道、转换后输出数据的长度以及输出数据的格式。

其中高 4 位（D7~D4）表示通道号对于 0 通道到 10 通道，该 4 位为 0000~1010；当为 1011~1101 时，用于对TLC2543 进行自检，分别测试（REF+REF-）/2、REF+ 、REF-的值；当为 1110 时，TLC2543 进入休眠状态低 4 位决定输出数据长度及格式，其中 D3、D2 决定输出数据长度，01 表示输出数据长度为 8 位，11 表示输出数据长度为 16 位，00 及 10 则表示输出数据长度为 12 位D1 决定输出数据是高位先送出，为 0 表示高位先送出，为 1 表示低位先送出D0 决定输出数据是单极性（为二进制）还是双极性（二进制补码） 若为单极性，该位为 0，反之为 1.通电后，片选/CS 必须从高到低变化，才能开始一个工作周期，此时 EOC 为高，输入数据寄存器被置为 0，输出数据寄存器的内容是随机的开始时，片选/CS 为高，I/O CLOCK、DATA INPUT 被禁止，DATA OUT 呈高阻状态，EOC 为高使片选/CS 变低，I/O CLOCK、DATA INPUT 使能，DATA OUT脱离高阻状态。

12 个时钟信号从 I/O CLOCK 端依次加入，控制字 DATA INPUT 一位一位的在时钟信号的上升沿被送入 TLC2543（高位先送入） ，同时上一周期转换的 A/D 数据，即输出数据寄存器中的数据从 DATA OUT 一位一位地移出 TLC2543 收到第 4 个时钟信号后，通道号也已收到，此时 TLC2543 开始对选定通道的模拟量开始进行采样，并保持到第 12 个时钟信号的下降沿在第 12 个时钟信号的下降沿，EOC 变低，开始对本次采样的模拟量进行 A/D 转换，转换时间约需要 10us转换完成后 EOC 变高，转换的数据在输出寄存器中，带下一个工作周期输出此后，可以进行新的工作周期对 TLC2543 的操作，关键是理清接口时序图和寄存器的使用方式图 13-13 是TLC2543 的接口时序图从图中可以看出，在片选信号/CS 有效的情况下，首先要根据A/D 转换的功能需要配置要输入的数据需要注意的是，在读数据的同时，TLC2543 将上一次转换的数据从数据输出口伴随输入时钟输出为了提高 A/D 采样的速率，可以采用在设置本次采样的同时，将上次 A/D 采样的值读出的办法。

0.1uFC5 10u/16VC6V5GNDAIN01I12AIN23I34AIN45I56AIN67I78AIN89GD10 AIN101I912REF-13+14/CS15DAT OUT16 INP17I/O CLOCK18E19VC20U3TLC25430.1uFC1 10KR1A0GND V5V5P101P1213GNDV5BRIEF图 TLC2543A/D 转换电路图13.3.10 RS232 通信接口的设计考虑到成本和通用性，应本设计题目的要求采用 RS232C 接口实现单片机与 PC 机的通信RS232 总线标准规定了数据和控制信号的电压范围在数据线 TXD 和 RXD 上：逻辑 1：-3~-15V；逻辑 0: 3~15V在控制线和状态线 RTS、CTS、DSR、DTR 和 DCD 上；信号有效：3~15V信号无效： -3~-15v图 13-14 为本设计题目中的 RS232 实现单片机与 PC 机的接口电路图C1+1V2C1-32+4C-5V-62Cout7in8 251out9 in1015 iout121C in3out14GND5VC16MAX23U9MAX23RS_TX PXR。