2021 年 12 月 12 日 摘要 Premium 文件称重技术是日常生活中不可或缺的技术。 随着科学技术的发展，称重技术和称重装置也得到了广泛的发展。 基于电阻应变传感器的电子秤由于具有制作简单、成本低廉、量程大、精度高等优点，得到了广泛的应用和发展。 电阻应变传感器是基于电阻应变效应基本原理的电阻式传感器。 它由弹性敏感元件、电阻应变片、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。 弹性敏感元件受到被测力的作用而产生变形，附着在其上的电阻应变片也随之产生变形。 电阻应变片再将变形转化为电阻值的变化，从而可以测量力、扭矩、位移等各种物理量。本文介绍了一种基于电阻应变片称重传感器的电子秤的设计，其中包括惠斯通全桥电路的设计与搭建、OP07组成的放大电路的设计、AD7705组成的模数转换电路以及转换后数字采集与显示的实现。 详细阐述了称重传感器的参数设计并验证了其可行性。 关键词：传感器、电阻应变、差分电桥、放大电路、AD转换 高级文献目录 第一章引言 01.1 研究意义 0 选题背景 0 研究意义 0 研究现状 0 国内电子秤研究现状及发展趋势0 国内外典型电子秤产品实例 2 电子秤设计准备 2 第二章 电子秤具体设计方案 4 敏感元件介绍 4 电阻应变片工作原理 4 弹性元件 5 匹配电路设计 6 元件选型及功能说明 6测量电路设计 7 差分放大电路单元 9 A/D 转换单元 10 数据处理与显示部分 11 第三章仿真电路 133.1 仿真电路的建立 13 仿真电路结果分析 15 第四章经验与收获 17 参考文献 18 优秀产品 优秀文档第一章引言 1.1 研究意义 1.1.1 课题背景 电子衡器技术是一种辅助测量技术，自 20 世纪 50 年代中期以来已深入融入称重仪器中。 机电一体化电子衡器自20世纪60年代初出现以来，迅速发展成为一项新兴技术，它是集传感器技术、微电子技术、计算机控制与测试技术、机械制造自动化技术于一体的综合技术。 它是现代称重、测量和控制系统工程的重要技术基础。
利用电子称重技术开发的电子称重系统，领域广泛，渗透力强。 1.1.2 研究意义在我们的生活中，我们经常需要测量物体的重量，所以我们会用到秤。 随着测量技术和电子技术的发展，杆秤、台秤、纯机械结构的秤等称重装置正在逐渐被淘汰。 电子秤、电子天平等电子称重设备以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点受到人们的青睐。 电子秤向着提高精度和降低成本的发展趋势，导致了低成本、高性能的模拟信号处理器件的增加。 其中电阻应变传感器电子秤广泛应用于各个领域。 研究和设计完美的电子秤，可以让现代科技应用到日常生活中，让国民生活更加方便、快捷、智能。 1.2 研究现状 1.2.1 国内外电子衡器研究现状及发展趋势 国内电子衡器技术在20世纪90年代中期已基本达到国际水平，少数产品技术已处于国际领先水平。 在国内电子秤市场，量程1009左右的电子高品质文件秤精度一般为0.019。 从研究方法来看，电子称重系统的工作原理一般是通过压力传感器将作用在载体上的质量或力转换成电信号，并通过处理电路实现该信号。 随着技术的发展，电子秤的制造技术和应用也有了新的发展。 电子秤技术从静态称重发展到动态称重：测量方法从模拟测量发展到数字测量； 测量点已从单一参数发展到多参数。 参数展开。
特别适合快速称重和动态称重的研究和应用。 但总体而言，我国电子秤产品的数量和质量仍落后于工业发达国家。 但近年来，国家投入重点研发资金，加速了其发展。 国际上，一些发达国家在电子衡器方面已达到较高水平。 尤其是准确性和可靠性有了很大的提高。 结果举例如下： [1]美国Revere公司开发了具有大气压力补偿功能的PUS型拉压称重传感器，用于高精度检测平台，精度可达5000d。 [2] 德国HBM公司成功开发了C2A和C16A两种不同结构、耐压外壳保护的1-100t防爆称重传感器。 其防爆性能符合欧洲EN50014和EN50018d标准。 〔3〕美国Skyme公司开发了新一代高精度不锈钢F6Ox系列5-5000kg称重传感器，精度达到6000d。 适用于高湿度、高腐蚀性环境，并具有防水功能。 通过分析今年电子秤产品的发展情况以及国内外市场的需求，电子秤的总体发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化； 其技术性能趋势是高速、高就绪、高稳定性。 ， 高可靠性; 其功能趋于“智能”功能，称重测量的控制信息和非控制信息并重； 其应用表现趋于综合性、综合性。
优秀文档1.2.2 典型电子秤产品示例 电子秤产品种类繁多。 以下两种是常用电子秤的典型代表（1）人体称重用电子秤[2]商用电子台秤图1.2.2-2商用电子秤台秤1.3电子秤设计准备有多种类型的电子秤。 其中电阻应变传感器电子秤由于具有制作简单、成本低廉、测量范围大、精度高等优点，得到了广泛的应用和发展。 这次我们要设计一款用于电阻应变片传感器的电子秤。 电阻应变式传感器具有测量范围宽、精度高、误差小、线性好等优点。 它们可以在恶劣的条件下工作，广泛应用于力、压力和重量测试。 该力传感器结构简单、体积小。 、重量轻、使用寿命长等优良特点。 电阻应变传感器的基本原理是将被测非电量转化为电阻的变化，通过测量电阻值的变化来达到测量非电量的目的。 电阻应变式电子秤是利用弹性体（弹性元件、敏感梁等）在外力作用下产生弹性变形，使其表面附着的电阻应变片（转换元件）也发生变形。 电阻应变片发生形变后，其电阻值会发生变化（增大或减小），然后将这种电阻变化通过相应的测量电路转换成电信号，从而完成将外力转换成电信号的过程。 电阻应变片、弹性体、检测电路和数据处理显示部分是电阻应变片电子秤不可缺少的部分。
优秀文档第二章电子秤具体设计方案敏感元件介绍2.1.1电阻应变片工作原理电阻应变片将电阻丝机械分布在有机材料制成的基板上，成为一块应变片。 片。 他的重要参数之一是灵敏度系数K。当其两端受到F力作用时，会发生拉伸，即变形。 假设它拉伸，它的横截面积减小，即它的横截面圆的半径减小。 电阻应变片的电阻变化率（电阻的相对变化）与电阻丝的伸长率（长度的相对变化）之间存在比例关系。 假设金属应变片的有效长度为 l、横截面积为 A 和电阻率。 原电阻R为Rl/A〔-1〕 上述任何一个参数变换都会引起电阻的变化。 导数可得 lldRdl 2 dA d 〔-2〕将 AAA 代入 Rl/A 可得 dR dl dA d〔-3〕R l A 由于金属的体积不变，可得 drdl〔-4〕 rl 可知质量文件 dRd2〔-5〕R 对于金属材料，电导率不变，公式[2.1.1-5]最终可以简化为： dR(1 2 ) K [-6 ]R 。 式[2.1.1-6]称为“应变效应”的表达式。 K称为金属电阻丝的灵敏度系数。 从公式[2.1.1-6]可以看出，对于金属电阻应变片，电阻的相对变化仅与金属电阻丝的灵敏度系数K有关，通常为K2。
通常很小，常表示为10。在应变测量中，也常称为微应变u。 对于金属材料，受力时产生的轴向应变最好不大于10000，否则可能超过材料的极限强度而引起断裂。 因此，通过测量电阻应变片的电阻变化即可达到测量应变的目的。 2、弹性元件本设计采用等强度的梁作为弹性元件。 等强度梁的结构如下图所示。 它是一种特殊的悬臂梁。 其特点是：截面沿梁长度方向按一定规律变化。 当集中力F作用于两端三角形顶点时，距所施力任意距离的截面上所受的应力相等。 因此，L 上附着的应变片的位置不需要。 严格的。 假设横梁固定端宽度为b0，自由端宽度为b，横梁长度为L，横梁厚度为H。 Premium 文件图-1 横梁结构图同等强度。 根据悬臂梁的特点，重力作用于自由端时，最大弯曲应力为6l2 w〔-1〕b h0。 则应变为： 6l2 w〔-2〕E bh E0 式中，W为被测物体的重力H，梁的厚度b0，固定端的宽度L，梁的长度E，弹性模量。 根据式（2-1）和弹性强度理论，强度条件可写为： 6l2 w [ ] [-3 ] b h0 2.2 匹配电路设计 2.2.1 元件选择及功能说明 限制量程宽度的因素分辨率主要包括悬臂梁的强度、电阻应变片的线性范围、放大电路的放大特性和AD转换电路的范围。
其中任何一个因素的变化都会影响电子秤的测量结果。 只有选择合适的参数才能满足设计要求。 经过计算分析，选用常用的1000Ω金属应变片组成全桥电路，并采用OP07组成的仪表放大器对微弱信号进行放大。 采用AD7705作为模数转换器对输出电压进行采样，采用AT89C52单片机进行软件校零比较，最后将数据输出到数码管进行显示。 优秀文档 下图是所设计的电子秤的工作流程图。 图2.2.1-1 工作流程图 设计的电子秤量程为2000g，分辨率为1g，能够满足设计要求。 2.2.2 测量电路设计 为了消除非线性误差和温度误差对测量结果的影响，设计的电阻应变片采用四臂差分电桥来测量电阻。 在靠近固定端的表面，沿光源长度方向贴装电阻应变片R1、R3、R2、R4（R2、R3在底部），如图2.2.2-1所示。 假设R1和R3承受拉力，则R2和R4承受压力。 两个应变相等且极性相反。 优秀文献图2 电阻应变片的安装示意图因此有： R1 R3 R, R 2 R4R〔-1〕 那么差分全桥输出电压公式为： RU U〔-2〕0 SRR 因此，全桥输出电压U0与It形成严格的线性关系，消除了电桥非线性R的影响和温度误差的影响。
输出比单臂电桥大四倍，灵敏度也高四倍。 RKR 由上式推导出来，因此 R 的取值范围为 0 至 20 Ω。 仿真中采用980Ω固定电阻和40Ω滑动变阻器等效替代1000Ω应变片。 其等效电路如下图所示。 图2.2.2-2 R 0 时的测量电桥可由公式[2.2.2-2] U 0 6LW2KUb h ES 0 [-3 ] 6 LWK U0 SU 02b h E0 [-4] 公式[2]它是传感器的输出电压U 0 与重力W 之间的对应函数关系。系统设计完成后，方程右侧W 的前面部分就是一个常数U0 W 。 2.2.3 经过差分放大电路单元的计算分析，当采用正5V电源时，1g物体对应的压力引起的输出电压约为mv左右，是一个非常微弱的电压信号。 为了让AD对该信号进行不失真的转换，需要对微弱信号进行进一步处理。 本设计选择的放大器电路是仪表放大器。 该仪表放大器由三个 OP07 组成。 OP07芯片是一款低噪声、非斩波稳定双极运算放大器集成电路。 由三个运放组成的仪表放大器具有以下特点：输入缓冲电路增加了输入阻抗，差分电压被放大增益因子[12*(/)]FGRR，共模信号分配单位增益经过输入缓冲器，即共模增益和误差不增加； 通过改变滑动变阻器的阻值可以调节微分增益； 采用比率匹配方法调整共模抑制比CMRR，以达到输出级点。
因为调整电阻的比例比调整电阻的绝对值更容易； 另外，由于仪表放大器结构的对称性，输入放大器的共模误差将被输出级的减法器消除。 因此，仪表放大器通常用于放大桥式传感器的差分输出并维持桥式接收器输出信号，同时抑制较大的共模电压。 本设计结合了差分电桥的输出电压和AD转换器件的灵敏度，将电桥G=35G1000Ω的输出电压放大了35倍。 增益、R选阻值，放大器电路连接图见高级文档图2，其中R6R7 5kR4 R5 1k R2 R3 3k 图2.2.3-1 仪表放大器R62 R2Uo 放大倍数为35 – 135 VV -〔 – 1〕R4R1 2. 为了达到1/2000的分辨率，A/D转换单元至少需要12位A/D转换器。 这里我们选择16位AD7705。 取参考电压10V和0V，AD7705可以区分的最小电压为1.53mv。 差分放大电路的输出电压灵敏度为1.75mv/g。 可见设计的AD满足电路的要求。 但在Multisim仿真时，由于缺乏响应器件，仿真电路中改用16位通用AD。
AD7705是一款完整的16位A/D转换器，采用低成本但分辨率极高的A/D转换器。 可以获得16个无差错的数据输出。 其增益可编程，可以将各种不同摆幅范围的输入信号放大至接近A/D转换器的满量程电压进行A/D转换，有利于提高转换质量。 为了满足实验要求，给AD7705提供10V的参考电压。 仿真实验中采用通用AD代替，电路图如图2所示。AD转换器的16个输出引脚连接到AT89C51单片机的P0和P2端口。 参考电压在10V和0V之间选择，EOC悬空。 图：通用AD与AT89C52的电路连接图。 本设计采用AT89C51单片机来处理数据。 测量电路输出的微弱信号经OP07组成的仪表放大电路放大并经A/D转换器转换后，数字量变化剧烈，直接显示不稳定。 而且，由于弹性元件的弹性缺陷以及干扰信号的干扰，需要对数据进行处理后显示。 由于放大器的输出为1.75mv/g，在上述给定条件下，可以达到AD7705的灵敏度。 当量程为0-1.999Kg时，理论精度高于1g，可以满足实验要求； 然后精细单片机将采集到的数字量进行相应处理，然后输出到数码管。
显示部分采用AT89C51单片机驱动数码管实现动态扫描显示，刷新频率由软件控制。 与单片机的电路连接图如图2所示。 图2.2.5-1数码管电路连接图。 四个共阴极数码管从左到右分别显示测试结果的千位、百位、十位、个位。 它们的公共端依次连接到P1端口的0、1、2、3脚。 另一端连接到P3端口。 优秀文档第三章仿真电路 基于前两章的介绍，这里给出了仿真电路。 图3.1-1 Multisim创建的仿真电路，使用Multisim提供的HITECH编译器对MCU进行编程，达到预期的结果。 程序的基本思想如下：将检测到的P0和P2值进行积分，得到的值就是A/D转换器的输出值； 根据设计的计算方法计算A/D输出值； 转换计算结果 四位数码管上分别显示个位、百位、十位、个位。 具体流程如下所示。 图3.1-251 单片机优秀的程序文档。 通过计算，1g对应40滑动变阻器的0.025 0 0。 通过调节滑动变阻器来模拟添加到电子秤上的重量。 可得表3.2-1。 表 3.2-1 仿真电路测试结果 R/UO 1 / mv UO 2 / mv 仿真结果 / g 理论值 / g20-204850-1
