最新传感器与测试技术课程设计.docx

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最新传感器与测试技术课程设计

传感器与测试技术课程设计

《荷重传感器及电子秤》课程设计

分校（站、点）：

年级、专业：

机械制造及其自动化

学生姓名：

学号：

指导教师：

完成日期：

2012、6

一，设计简述

随着现代化生产的发展，电子秤在许多商业活动中已成为不可缺少的计量工具。

电子秤作为一个典型的自动检测系统，也可归纳为由三大环节所组成。

如图1所示一次仪表通常指的是传感器，它是由敏感元件，电路，机构等组成，是利用某些特殊材料对某些物理量具有一定的敏感，然后转换成电量（电压，电流）。

通常来自一次仪表的电信号比较弱小，不足以驱动显示器。

为此采用二次仪表对信号进行放大；来自一次仪表的电信号往往还夹带外部的干扰信号，必须把它去除，一般二次仪表还包括滤波电路用以消除干扰。

传感器的转换关系往往并不服从线性关系，所以有时还需要进行适当的线性补偿处理。

故称二次仪表为测量与显示部件。

二次仪表的输出信号可能是模拟量，也可能是数字量。

三次仪表是采用了计算机技术，所以要求二次仪表的输出信号必须是数字信号。

三次仪表将进一步对信号进行处理并形成控制量输出。

作为规模较小的仪表系统，三次仪表主要是以中央处理器为核心的数字电路，组成智能化仪表。

使整个测量系统的性能与功能大大提高。

图2所示的以单片机为核心部件组成三次仪表，它大大丰富了电子秤功能。

各种各样形式的电子秤的仪表结构都是大同小异的，都必须利用荷重传感器来采集重量信号并变换成相应大小的电信号。

电子秤的二次仪表把来自荷重传感器的微弱电压信号进行放大，滤波。

这不仅为了提高灵敏度，更重要的是与下一环节的电路进行正确匹配。

目前大多数电子秤是数字显示方式，所以模拟信号还必须作模数转换。

有了A/D转换器的数码信号，就可以进行自动标度变换、自动超载报警、自动数字显示。

还可以增加人机对话键盘、与外部设备的数据交换与通信、输出模拟或数字控制信号等功能。

由此大大提高了性能。

二，设计过程

1、荷重传感器电子称传感器的选用

荷重传感器的形式有电阻式、电容式、压磁式等多种形式。

电阻式传感器又分为金属丝（箔）式、半导体式，它们各有优缺点及使用范围。

大多数电子秤的使用场合是极为普通的室内外的大气层环境，所谓的温度条件是-10C︒～55C︒。

选用金属箔式应变片传感器作为电子秤的荷重传感器是最广泛的应用。

因为金属箔式应变片在这个温度范围内具有精度高、稳定性好、线性、转换电路简单，成本较低等优点。

相对半导体应变片尽管也能适用并且也有不少优点，如灵敏度高，体积小，响应速度快等。

但是对温度的敏感，以前一直是它的缺陷，虽然目前已经通过激光修补工艺解决了温度补偿问题，可是生产成本高成为广泛使用的阻碍。

电容式荷重传感器也是一种可选对象，但是需要稳定的交流电源作为工作电源，技术要求高，电路复杂，适用于安装空间小，响应速度快的场合。

压磁式荷重传感器特别适用于环境温度较高的场合，但是精度不高，仅适用于大吨位秤重。

选用荷重传感器的基本要求是：

灵敏度高，函数关系呈线性，重复性好，长期稳定。

应变片传感器

在“传感器与测试技术”课程的学习中已经了解了应变效应。

利用应变效应可以组成荷重传感器的论述并不多。

如图3所示，为三种常见的应变片荷重传感器。

图3金属应变片荷重传感器

图（a）为圆柱式荷重传感器，弹性元件为合金钢材料。

图（b）为梁式荷重传感器，弹性元件为弹簧钢材料。

图（c）为S型剪切式荷重传感器弹性元件为铝合金材料。

三种结构形式的荷重传感器均为压缩式受力，根据测重范围的需要，采用不同的弹性模量的材料。

通常荷重传感器的测量范围与分辨率是互相制约的，测量范围越大，则分辨率越差。

反之，测量范围越小，则分辨率越好。

测量桥路

一个成品的金属箔式应变片传感器，通常在受应变的弹性元件表面按对称位置粘贴四个同质应变片，以便构成全臂电桥。

如图4所示，管式弹性体的贴片位置和测量电桥。

全臂电桥的灵敏度最高，线性好，温度补偿性能也比较好。

测量电桥的输出：

（2-1）

应变与荷重力的关系：

（2-2）

其中，F为荷重力，l为管状体受力长度，r为管状体半径，h为管壁厚度，E为杨氏模量，这是与弹性体材质有关。

为了与不同称重范围相匹配，约定不同称重范围的最大应变量εm保持一致。

同一规格的荷重传感器当然选用相同的弹性体材质，只是通过管状弹性体管壁厚度h来匹配不同称重范围。

另外，如（2-1）式，欲提高输出信号，可以提高工作电压E0。

值得注意地是，过度提高工作电压E0，会导致应变片电阻通过的电流过大而自身发热引起温度带来的误差。

一般标称的应变片电阻为120Ω，约定的工作电压E0为6V或12V。

测量电桥的最大输出电压为6mV或12mV。

根据不同的使用场合，电子秤的秤台上可以布置一个荷重传感器，也可以布置几个荷重传感器。

低重位的小型电子秤一般只要布置一个荷重传感器（如商店15Kg电子秤），而大吨位平台式电子秤考虑到受力强度和平衡的关系，通常需要由4个荷重传感器来托起称重平台（如汽车地磅秤）。

参见图5所示。

图5荷重传感器的布置

2、荷重传感器电子称调理电路的设计

调理电路包括信号放大、信号滤波、温度补偿、线性化处理、标度变换、A/D和D/A变换等。

调理电路指的是完成来自传感器的信号幅值、标度、线性化、电量性质等的调整来满足系统各环节的要求。

除了信号幅值和电量性质变换之外，其他均由三次仪表中的单片机来完成。

电子秤系统所需的调理电路主要是放大器、滤波器和A/D转换器。

（一）放大器

由于各种传感器的转换电信号比较微弱,需要将信号滤波,放大到A/D转换器可以接受的范围.目前模拟放大器均采用运算放大器。

不同的使用场合,运算放大器选用的要求也不同。

主要可以分成：

通用型,高精度型,高输入阻抗，高速型等。

运算放大器的技术指标：

开环增益，差模输入输出阻抗，输入失调电压和电流的温度系数，共模抑制比，上升率，带宽。

习惯选择：

〖1〗若信号内阻较大时，应采用高输入阻抗的放大器，否则将会产生信号传递损失。

大多数场合都要求高输入阻抗的放大器。

〖2〗若信号电压很小时，就必须考虑低噪声，低温漂，高精度的放大器。

1、通用放大器：

μA741作为要求一般的场合，使用该运算放大器可以胜任。

它具有失调量小，温漂小，功耗低，输入阻抗高共模抑制比CMRR高等优点。

电路引脚参见图6。

图6μA741通用运算放大器

LMX24（X=1，2，3）单片四运放集成电路。

特点：

可以单电源双电源兼用（单电源：

3V～30V，双电源±1.5V～±15V）,不需要外接补偿电路,且功耗低,四运放性能较一致等优点。

根据使用体会,应用方便,价格低,但精度不够理想。

比较合适做比较器,电平转换器。

电路引脚参见图7。

图7单片四运放LMX324

2.高精度集成运放:

作为传感器信号的放大,,尤其信号低到几十微伏的信号μA741,LMX24肯定不能使用。

则要求选用超低失调,超低漂移,超低噪声的运算放大器。

OP07接线图与μA741大致一样。

主要技术指标:

输入失调电压85mV;失调电流0.8nA,失调电压漂移<0.2mV，输入偏置电流2nA;差模输入电阻31mΩ;输出电阻60Ω，共模抑制比CMRR:

110dB.

ICL7650这是属于斩波稳零型集成运算放大器，利用CMOS工艺，内设200HZ时钟源，在时钟节拍下分时工作。

第一节拍采集输入失调并记忆在补偿电容内。

第二节拍采集输入信号并与失调电压相抵消一部分，再进行放大。

这样可做到超低失调和超低漂移。

各方面的技术指标要比OP07更好。

它在测量放大,生物医学工程检测,微弱信号放大中应用非常广泛。

电路引脚参见图8。

图8ICL7650斩波稳零型运算放大器

电路介绍：

CA，CB为记忆电容,将采集输入失调记忆在该电容内,所以补偿精度取决于电容的品质（高品质,小漏电）。

为了简化电路,通常采用内部时钟,CA，CB的容量取0.1mF.采用外部时钟时,频率越高,电容越小。

为了防止输出电压超过一定幅度,使得放大器阻塞。

采用引脚9控制。

钳位要求：

R3+R2//R1=100～1000KΩ

输出要求：

负载电阻大于10KΩ，由于时钟节拍关系，输出电压会出现200HZ波纹。

可以采用低通滤波电路加以平滑。

输入回路：

3.典型的测量放大器

图9测量放大器典型电路

参见图9,采用三运放组成一个测量放大器，它具有高输入阻抗，高增益，低噪声和高共模抑制比,适用于电桥放大或仪表放大器。

电路分析：

采用线性叠加原理：

输出电压：

代入V1，V2：

上式表明：

输入阻抗大，只要A1，A2输入阻抗与运放增益对称，有利于提高共模抑制比，大大降低温度漂移。

（V2-V1）可以看作电桥输出的电位差。

AD521，AD522等是一种将三个运算放大器集成于一块芯片的测量放大器，有利于提高性能。

（二）滤波器

大多数传感器的转换电信号是微弱的，经过仪表系统的放大，处理，传输，每个环节都有可能引入电磁干扰，若干扰信号过大，就会导致测量失败。

采用滤波器方法可以有效去除干扰信号，它已经被广泛使用了。

滤波器可分为：

低通、高通、带通、带阻滤波器。

滤波器又可分为有源与无源滤波器。

高质量的滤波电路，信号经过该滤波器能够不衰减甚至增大，而干扰信号却被大幅度衰减。

滤波器是把有用信号与无用信号按频率区分,任何一种滤波器都会有截止频率，频率特性可以用Q值衡量，Q值越高，灵敏度越高，频率信号的选择性越好。

有了高质量的运算放大器组成的滤波器，其尺寸大大减小，性能得到明显提高。

但是在普通的工作环境里一般仍采用无源滤波器，尤其是仅设置低通滤波时。

一阶低通滤波器实例：

参见图11,

图10一阶无源、有源低通滤波器

（A）

一阶无源低通滤波器传递函数：

（B）一阶有源低通滤波器传递函数：

（RC环节在正输入端）

（C）一阶有源低通滤波器传递函数：

（RC环节在负输入端）

图11一阶有源低通滤波器的频率特性

（三）A/D转换器

常用的A/D转换器有两种形式：

逐次逼近A/D转换器；双积分A/D转换器。

另外还有一种商业用途的是调宽式A/D转换器。

逐次逼近A/D转换器

特点：

转换速度快，准确度高，成本低。

目前常用的转换芯片有8位的0809/0808，0832，12位的AD574。

逐次逼近A/D转换器的转换速度取决于转换位数，而与输入电压大小无关。

1.逐次逼近A/D转换器的基本原理：

如图12所示,类似天平秤测重一样，在未知重物的质量之前，首先把量程之半的砝码与之比较。

产生两种可能：

【1】砝码偏轻：

则再加上一个减半的砝码继续比较；

【2】砝码偏重：

则取下盘上的砝码，再换一个减半的砝码继续比较。

重复上述过程，直到天平秤两端平衡为止。

左盘上的砝码总量且为被秤重物的重量。

这种“二进制搜索”技术随着位数增加，可以达到最佳近似测量结果。

采用电子线路构成这样的“天平秤的秤重流程”来实现A/D转换。

图12二进制搜索法的天平秤测重

所谓逐次逼近：

每一次的砝码电压减小，逐步接近实际被测量。

基本组成：

D/A转换器、比较器、控制逻辑、时钟等（见图13）。

工作过程:

启动脉冲发生后，控制逻辑先发出最高位Dn-1=1送逐次逼近寄存器暂存并供D/A转换成相应的模拟电压Vo。

这个电压送比较器与输入电压进行比较。

比较结果产生两种结果：

【1】Vx>=Vo：

Dn-1=1保留此位，再送Dn-2=1进行D/A比较；

【2】Vx

Dn-1=0,再送Dn-2=1进行D/A比较；

保留或改变某一位的状态,均由比较器输出为信号,触发控制逻辑动作.这个比较过程是逐位进行的,直到所有位都比较完毕。

当转换结束后,逻辑控制会发出转换结束信号,告诉外部设备,可以读数了.

不管转换数字与实际值之间偏差多少,只要最低位一旦确定,这个数字读数就确定了.所以转换精度与数字长度有关;转换时间与数字长度有关;

设:

每一位的比较过程需要时间Δt,若该A/D转换器位数为n,则一次转换周期为:

T=nΔt。

图13逐次逼近A/D转换器的内部结构

2.积分型A/D转换器

积分型A/D转换器的特点是:

转换精度高,抗干扰能力强,成本低但转换时间长,不能对变化较快的信号进行测量。

但仍然被极广泛的应用。

（1）V-F变换型A/D转换器

这种A/D是将被采样的直流电压的平均值转换成单位时间的脉冲数,在采样期间若掺入交流干扰则通过平均化而获得抑制。

图14V-F变换型A/D转换器框图

工作原理

若输入电压为正，经积分器运算，输出为负向变化。

供比较器与V2比较。

当VA<=V2时,比较器翻转,使复原电压发生器启动,输出负电压VB幅值大于VX,经D送输入,迫使积分器朝正向积分。

最后使积分输出上升到V1,使得比较器再一次翻转.且关闭复原电压发生器，由此进入第二次循环。

数学分析:

输入Vx>0,则积分输出:

积分周期：

T=T1+T2，如果RC很小,VB足够大。

T2很小,可以不计。

转换频率：

理解：

【1】VA=V1-V2，在T1时间内积分电压的累计是上下限电压的差。

【2】因反向积分输入电压VB》Vx，RC很小，T2非常小。

图15V-F变换型A/D转换器工作波形

（2）定电荷复原型V/F转换器

基本结构:

积分器,比较器,复位电路。

其中复位电路包括:

定时器,模拟电子开关,恒流源。

开始时,S断开,积分器仅对输入Vx积分。

•积分输出Vo1<=Ek时,比较器负跳变,启动定时器产生脉宽为Tk的负脉冲。

这个负脉冲•使电子开关闭合。

此时,恒定电流也参与积分运算。

在脉宽为Tk的负脉冲期间,由于恒电流为负且幅值大于被测电流,故迫使积分输出作反向运算。

Tk后电子开关断开,积分运算又进入第二周期。

图16定电荷复原型V-F变换型A/D转换器框图

（3）双积分V-T型A/D转换器

顾名思义，这种A/D转换器的一次转换周期需要进行两次积分运算。

第一次积分：

称定时积分。

在约定的时间内对输入电压Vx进行反向积分；Vx越大，则积分输出幅值也大。

图17两次积分运算

第二次积分：

称定量积分。

对约定的基准电压VB进行反向积分，这是继第一次对Vx积分后作反向积分，则原积分输出幅值越大，则本次积分时间也长。

•第一次积分完成了对输入电压的幅值与极性的判断。

第二次积分完成了输入电压转换为时间间隔：

V—ΔT。

工作原理

第一次积分运算:

积分器对输入电压进行积分:

令输入电压的平均值:

代入上式:

在规定的时间内t=T1,积分输出正比于输入电压的平均值。

第二次积分运算:

积分器对基准电压进行积分:

若积分过零:

由此,第二次积分所需的时间:

显然,第二次积分所需的时间T2与输入平均电压呈正比。

如果转换器的时间长短是由计数器稳频计数来确定的,那么有:

【1】转换过程:

预备阶段:

在外部发出一个启动信号，转换器通过控制逻辑电路完成如下工作：

计数器复位;积分电容电荷释放;接通K1输入通道。

【2】采样阶段:

t=t1，开始对输入电压进行定时积分，打开计数器闸门开始计数。

积分时间T1由计数器计满溢出为限。

【3】比较阶段:

断开K1接通K2或K3的基准电压输入通道，要求积分运算朝反方向变化。

【4】结束阶段:

比较积分同时计数,直到积分输出为零,计数器所计的数N2代表T2的大小。

工作波形：

图18双积分A/D转换器工作波形

以型号为MC14433的3位半双积分A/D转换器为例：

设采样时间T1内的计数脉冲数为2000，基准电压选2000mV。

且有：

上式表明计数脉冲N2可以直接表示以mV为单位的模拟输入电压。

双积分A/D转换器的特点：

【1】抗干扰能力强：

通常工频干扰是环境最大的干扰源，并且会通过输入迭加到真信号作积分运算。

令:

工频交流干扰电压窜入输入端:

其中:

第一项为真实信号,第二项为伪信号,即干扰信号。

通过采样定时积分:

其中:

第一项为真实信号的采样积分,第二项为伪信号的积分,要求通过积分运算消除掉。

要满足条件:

（n=1,2,3,4………）

•推导结果说明:

采样时间T1若取工频的整倍数时可以完全消除干扰影响。

【2】转换稳定性好：

参见定量积分运算关系:

上式表明:

经过两次运算,结果于积分常数RC似乎无关。

那么只要在短时间内积分电阻与积分电容保持稳定,对模数转换的精度不会带来影响。

同样对时钟的稳定性要求也不高。

3、荷重传感器电子称控制系统的选择

在上世纪九十年代之前,单片机技术尚未普及。

电子秤仪表仅发展到数字显示，而自动故障诊断、自动调零、数字滤波、键盘操作、数字通讯等功能是无法实现的。

自从INTEL公司推广MCS51系列的单片机技术，在国内掀起了一场仪表的革命。

由于单片机的系统硬件大大浓缩，体积特别小，所以特别适用于仪表电路的构成，增强了仪表的功能和提高了仪表的性能。

不同规格的电子秤,因用途不同,对单片机执行的任务有一定的区别。

小型商业电子秤的使用环境比较好,电源较稳定,电磁干扰小。

但是秤量小,为了便于移动,要求电消耗少。

通常采用液晶、LED、荧光管作数字显示器件。

其中液晶显示耗电少,LED、荧光管作数字显示的亮度高,耗电也明显高多了。

液晶显示显示的控制比较复杂,普通电路难以实现,所以需要单片机来控制。

电子秤需要把货物的重量和相应金额形式显示给买方。

除了需要运算外，还要求能通过键盘输入当前商品的单价。

没有单片机要实现这些功能是十分困难的。

大吨位电子秤除了具备小型电子秤的全部功能，还要考虑环境影响。

如行车型门式电子秤中的电动机频繁启动与制动引起供电电源的波动、电磁场强度大、风力大、震动强烈。

稳压与抗干扰与滤波要求特别高，有时还要求随时测量风力、温度变化等。

另外还有防止超载的保护功能的设置等。

总而言之，有了单片机就可以通过程序设计解决了传统电路无法很好解决的问题。

目前在检测显示仪表中运用最多的是MCS51系列的单片机型号为89C51、89C52，均为40引脚。

近几年来20引脚的89C2051单片机颇受研发人员欢迎。

因为对某些功能较简单，数据容量较少的仪表，使用89C2051单片机使整体尺寸更小。

1、89C51单片机的基本特性

89C51单片机为40引脚的大规模集成电路，如图所示。

它具有3个8位I/O口，其中P0口为动态性I/O口，通常用于以字节为单位的外部数据传输或作为低8位地址线。

因为P0口为动态性I/O口，作为寻址线功能时必须由地址锁存线ALE与其配合使用。

P2口通常作为高8位地址线，与P0口组成16位地址线，与外部设备如程序存储器、数据存储器和外部接口进行数据交换。

P1口为静态双向I/O口，可以进行位寻址，使用起来更灵活。

图1989C51与89C2051的引脚图

除了上述的数据口和地址线，89C51还具备高效率的控制端。

如RXD，TXD为串行口，可以发送或接收脉冲序列，进行串行传递数据或通讯。

INT0，INT1为为外部中断，低电平有效，当外部申请中断时，单片机便立刻响应所约定的中断服务的内容。

T0，T1为双功能端口，关闭时作为内部程序中的定时器，开放时作为接收外部事件的计数器。

WR为数据输出控制信号，RD为数据输出控制信号，低电平有效。

这8根控制线也可以组成P3口，其功能与P1口相同。

89C51单片机的内部资源有限，程序存储器的容量为4K字节，数据存储器的容量为128个字节。

如果存储不能满足仪表的需求，可以通过P0口、P2口进行扩展，由ALE和PSEN控制线配合，利用外部存储器可以扩展使用范围大大增加。

最大可以获得64K字节程序存储器和64K字节数据存储器。

若需要扩展时，EA应处于低电平，长过I/O口；若不需要扩展时，EA应处于高电平。

89C2051单片机的基本构成

如图所示，89C2051单片机与89C51的指令系统完全兼容。

89C2051单片机后于89C51问世，是一种改进型单片机。

其特点是芯片减小到原来的四分之一，特别适合袖珍仪表结构。

它不能扩展外部存储器，所以取消了P0口、P2口。

内部的数据存储器保持不变，程序存储器的容量为2K字节。

显然，特别适合低成本、单功能的检测与控制仪表，例如温度表、压力表、小型电子秤、定时器等。

检测量、控制量、数字显示等涉及到数据传输时，采用并行传输方式的话，可以利用P1口；采用串行传输方式的话，可以利用RXD，TXD端口。

由于引脚少,常常采用串行传输方式来传送数据。

而P1口通常可以灵活应用与两种传输方式。

并且，89C2051单片机的P1口驱动能力（低电平时）比89C51大得多，可以直接驱动LED数码管。

89C2051只有P1，P3口作为I/O口，允许对外传输数据或输入输出控制信号。

如图9所示，P1.5～P1.7负责输出显示数据;P1.2～P1.4负责键盘输入;P3.2,P3.3负责校正参数存储.整个系统由于功能比较简单，采用低功能单片机的性价比高。

图9小型电子秤的键盘与显示器接口

根据设计的电子称耗电少，秤量小，电源较稳定，使用环境比较好和89C2051更加适用于对LED数码管的驱动的特点，我们选用内含驱动逻辑电路的LED数码管组合显示器。

如图8是显示器外部引脚图，可以知道它是一串行信号传输显示数据，有3个引脚，分别定义为：

CLOCK：

时钟节拍，它确定了传输显示数据的波特率；

DATA：

数据线，传输显示数据脉冲序列；

ON/OFF：

控制信号，根据时序要求，控制刷新（ON），保持（OFF），它防止显示器在线数据因受干扰丢失。

在显示器上刷新显示数据时，控制信号“ON/OFF”处于“OFF”状态，锁存器关闭，不允许改变数据，而输入的数据按“CLOCK”时钟节拍逐位由“DATA”线送移位寄存器。

由于每次仅刷新一位数码管的数字，故这种显示方式仍为动态扫描形式。

单片机采用定时中断服务程序，进行定时刷新。

图8电子秤的显示电路

三，电子秤流程及程序

图10电子秤工作流程

每个系统程序都具有一个“初始化”程序段，所谓“初始化”就是定义某些特殊寄存器的功能，如定时器T0/T1的含义，中断字的设置，内部RAM的清理和预设等，这些工作是依据系统要求而设定的。

如

MAIN:

CLRA

MOVP1,A；P1口清零。

MOVTMOD#51H；T0为定时器，且自动赋初始值。

MOVTH0,#0F8H；设置定时器初始值。

MOVTL0,#0CH

MOVR6,#80h；将内部RAM清零，范围#20H～#7FH。

MOVR0,#20h

CLRA

MMM:

MOV@R0,A

INCR0

DJNZR6,MMM

MOVSP,#40H；堆栈入口地址为#40。

SETBEA打开中断

SETBTR0;启动定时器计数。

CLR20H；控制标志号预置。

……………

键盘管理程序，单片机的键盘设计可以有两种方式来实现。

一种是中断法，即在系统运行时任何时刻按下其中任一个按键都会向单片机提出中断申请。

单片机立刻响应，停止当前工作转入中断服务程序。

完成人机对话后再继续原来的工作。

由于中断方式响应及时、优先权高，修改或补充任务不会破坏整个程序结构。

但是有时会带来不利的因素，如电子秤处在信号采集时一旦中断，信号采集数据遭到破坏，读数发生明显错误。

另外为了随时接收中断，外部中断始终开放着，容易受到电磁干扰的影响，导致误操作。

另一种是查询方式，即在规定时刻才主动询问外部是否有按键按下，如果发现有按键信号，接下来根据按键入口位置来