本文介紹了一款基于應變片的數(shù)字顯示電子秤實驗系統(tǒng)的設計和制作，系統(tǒng)由傳感器檢測電路、檢測信號放大電路、檢測信號轉(zhuǎn)換電路和顯示電路組成。該設計 是為了配合傳感器相關(guān)教學來進行的，注重系統(tǒng)的模塊化和輸入輸出的相對獨立性。文中重點介紹了應變片傳感器的制作過程和要點，以及針對應變片傳感器的電路調(diào)試的 步驟和要領。

為了配合面向電子信息工程技術(shù)專業(yè)學生的 《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，設計了這個利用基于應變計的稱重 傳感器構(gòu)成的數(shù)字顯示電子秤原型系統(tǒng)。

系統(tǒng)按照傳感與檢測系統(tǒng)的劃分方法， 分為傳感器、傳感信號調(diào)理、信號采集、信 號數(shù)據(jù)處理及顯示幾個部分，幫助學生加深 對傳感器和處理系統(tǒng)的領會和理解。

電路由傳感器檢測電路、檢測信號放大 電路、％測信號轉(zhuǎn)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(gòu)成電橋 電路的應變計組成的構(gòu)成稱重傳感器，完成將壓 力轉(zhuǎn)換為電壓信號；②差動放大電路由較為成熟 的由運算放大器構(gòu)成的測量放大器（也稱為儀表 放大器）實現(xiàn)；③A/D轉(zhuǎn)換電路簡單地由一個8位 并行A/D轉(zhuǎn)換芯片來完成，便于調(diào)試和掌握該芯 片的應用；④單片機實現(xiàn)系統(tǒng)的控制；⑤鍵盤由 4x4矩陣鍵盤實現(xiàn)，利于學習者掌握鍵盤掃描的 原理和實現(xiàn)；⑥LCD顯示由LCD12864模塊實現(xiàn)。

1.稱重傳感器的制作

稱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 量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。以金屬絲應 變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度 和截面積都會發(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 一導體的長度(m)。

為了檢測應變引起的電阻的變化，并 將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化以利于信號采 集，應變計通常構(gòu)成如圖2所示的電橋結(jié)構(gòu)， 并按照行業(yè)常規(guī)進行分顏色引線。

對于圖3中的電子秤結(jié)構(gòu)示意圖，需要通過 其核心的彈性懸臂結(jié)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關(guān)鍵點。

稱重傳感器的制作包括一下幾個環(huán)節(jié)：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， 并進行45°交叉紋打磨，并清潔? 4)定位應變測 點。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。粘貼時用手進行滾壓趕出氣泡 并檢查是否貼合飽滿。貼好后檢查是否有短路、 斷路等現(xiàn)象。6)連接引線^_應變片引線較細，必 要時可配接接線柱。引線焊接時要快捷，免傷及 應變片。注意檢查引線是否與懸臂試件絕緣，且 無斷路。導線的最終引出用不同的顏色來表示， 如圖2和圖5所示? 7)進行保護和防潮處理^用硅 膠或環(huán)氧樹脂對試件表面進行貼敷，面積可適當 擴大，覆蓋應變片及其引線。

2.信號檢測與調(diào)理

從電橋電路可以看出，稱重傳感器輸出的是 兩路浮地的電壓信號，適合使用運算放大器進行 放大和調(diào)理。這里選用的是LM741構(gòu)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(nèi)選用，且具有很高的輸入共模、差模電 壓。內(nèi)含頻率補償和過載、短路保護電路，可通 過外接電位器進行調(diào)零。這樣電路具有交、直流 共模抑制大失真小等優(yōu)點，且便于信號的調(diào)零、 平衡等處理和調(diào)整。測量放大器電路如圖6所示。

3.信號轉(zhuǎn)換

檢測信號經(jīng)放大調(diào)理后，由A/D變換器轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號，送至由STC89S52構(gòu)成的計算處理部 件進行采集、處理和顯示。為了便于在教學過程 中進行調(diào)試和講解，選用了較為簡捷的并行輸出

A/D變換器ADC0804來完成信號的轉(zhuǎn)換。ADC0804 是一個8位、單通道、低價A/D轉(zhuǎn)換器，主要特點 是：模數(shù)轉(zhuǎn)換時間大約lOOus、方便的TTL或CMOS 標準接口、可滿足差分電壓輸入、具有參考電壓 輸入端、內(nèi)含時鐘發(fā)生器、單電源工作時(0V_5V) 輸入信號電壓范圍是0V_5V、不需要調(diào)零等。

利用ADC0804和卓片機進行信號模數(shù)轉(zhuǎn)換 的電路如圖7所示。

使用過程中可以通過調(diào)節(jié)Vref/2所連接的 電位器來調(diào)節(jié)稱重傳感器以及放大整理電路的 零點。由于電子秤的信號變化是單向的，因此應 將未承重時放大與整理電路的輸出調(diào)到-2. 5V， ADC0804的Vref/2設為0V，稱重時輸出電壓上 升，A/D轉(zhuǎn)換可以獲得28=256的動態(tài)范圍。

4.計算處理及顯示

計算處理的部件由單片機STC89S52來實 現(xiàn)，承擔著采集A/D變換輸出數(shù)據(jù)、掃描鍵盤 輸入、輸出顯示數(shù)據(jù)、完成設定單價及計算 金額等電子秤功能。另外，在系統(tǒng)硬件標定 的基礎上，也可通過這一部分來進行系統(tǒng)的 非線性擬合、誤差補償以及清零等功能。

電路設計上，單片機與周圍部件的連接 及端口分配情況如圖8所示。

其中，鍵盤采用了定制的4x4矩陣薄膜鍵 盤模塊，采用了CM12864-12液晶模塊，設計 了相應的接口。

5.軟件

系統(tǒng)軟件使用Keil UVision V4編寫和調(diào) 試。軟件流程圖如圖9所示。

系統(tǒng)軟件狀態(tài)分為常規(guī)顯示、稱重顯示、 設定單價、標校幾個狀態(tài)，通過對鍵盤事件的 處理進行轉(zhuǎn)換。

6.結(jié)語

上述數(shù)字顯示電子秤系統(tǒng)設計完成了基 本的稱重和顯示功能。在實際的應用中，還 需要考慮幾個工程和工藝的問題。

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)生變化的時候，會發(fā)生線膨脹，都會產(chǎn)生 性能的變化。要實現(xiàn)高精度稱重測量，必須 對其溫度誤差進行補償。

補償?shù)姆椒ㄓ袘兤匝a償?shù)姆椒ǎ?就是選用特定的敏感柵材料，使其電阻溫度 系數(shù)、靈敏系數(shù)以及線膨脹系數(shù)在溫度變化 時，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 以采用線路補償法。

6.2引線過長時進行導線電阻補償 非全橋檢測電路的情況下，如果稱重傳 感器導線過長，則需要對長導線電阻引起的 誤差進行補償，通常用三線制或四線制的連 接方法來完成。

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