称重传感器的原理及应用汇总.docx

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称重传感器的原理及应用汇总

称重传感器的原理及应用

随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。

1．高速定量分装系统

本系统由微机控制称重传感器的称重和比较，并输出控制信号，执行定值称量，控制外部给料系统的运转，实行自动称量和快速分装的任务。

系统采用MCS-51单片机和V/F电压频率变换器等电子器件，其硬件电路框图如图1所示，用8031作为中央处理器，BCD拔码盘作为定值设定输入器，物料装在料斗里，其重量使传感器弹性体发生变形，输出与重量成正比的电信号，传感器输出信号经放大器放大后，输入V/F转换器进行A/D转换，转换成的频率信号直接送入8031微处理器中，其数字量由微机进行处理。

微机一方面把物重的瞬时数字量送入显示电路，显示出瞬时物重，另一方面则进行称重比较，开启和关闭加料口、放料于箱中等一系列的称重定值控制。

图1原理框图

在整个定值分装控制系统中，称重传感器是影响电子秤测量精度的关键部件，选用GYL-3应变式称重测力传感器。

四片电阻应变片构成全桥桥路，在所加桥压U不变的情况下，传感器输出信号与作用在传感器上的重力和供桥桥压成正比，而且，供桥桥压U的变化直接影响电子称的测量精度，所以要求桥压很稳定。

毫伏级的传感器输出经放大后，变成了0-10V的电压信号输出，送入V/F变换器进行A/D转换，其输出端输出的频率信号加到单片机8031定时器1的计数、输入端T1上。

在微机内部由定时器0作计数定时，定时器0的定时时间由要求的A/D转换分辩率设定。

定时器1的计数值反映了测量电压大小即物料的重量。

在显示的同时，计算机还根据设定值与测量值进行定值判断。

测量值与给定值进行比较，取差值提供PID运算，当重量不足，则继续送料和显示测量值。

一旦重量相等或大于给定值，控制接口输出控制信号，控制外部给料设备停止送料，显示测量终值，然后发出回答令，表示该袋装料结束，可进行下袋的装料称重。

图2所示为自动称重和装料装置。

每个装料的箱子或袋子沿传送带运动，直到装有料的电子称下面，传送带停止运动，电磁线圈2通电，电子称料斗翻转，使料全部倒入箱子或袋子中，当料倒完，传送带马达再次通电，将装满料的箱子或袋子移出，并保护传送带继续运行，直到下一次空袋或空箱切断光电传感器的光源，与此同时，电子称料箱复位，电磁线圈1通电，漏斗给电子秤自动加料，重量由微机控制，当电子秤中的料与给定值相等时，电磁线圈1断电，弹簧力使漏斗门关上。

装料系统开始下一个装料的循环。

当漏斗中的料和传送带上的箱子足够多时，这个过程可以持续不断地进行下去。

必要时，*作人员可以随时停止传送带，通过拔码盘输入不同的给定值，然后再启动，即可改变箱或袋中的重量。

图2自动称重和装料装置

本系统选用不同的传感器，改变称重范围，则可以用到水泥、食糖、面粉加工等行业的自动包装中。

2．传感器在商用电子秤中的应用

目前，商用电子计价秤的使用非常普及，逐渐会取代传统的杆称和机械案秤。

电子计价秤在秤台结构上有一个显著的特点：

一个相当大的秤台，只在中间装置一个专门设计的传感器来承担物料的全部重

图3计价秤内部结构示意图

量，如图3所示。

常用的电子计价秤传感器的结构如图4所示，其中图4（a）为双连椭圆孔弹性体，秤盘用悬臂梁端部上平面的两个螺孔紧固；图4（b）为梅花型四连孔弹性体，秤盘用悬臂梁端部侧面的三个螺孔坚固，中间支杆上粘贴补偿用的应变片。

这两种形式的传感器，在计价秤中用得最多。

图4（c）为三梁式弯曲弹性体，采样弯曲应力，对重量反应敏感，宜用来制作小称量计价秤。

图4（d）为三梁式剪切弹性体，采样中间敏感梁的剪切应力，宜用来制作几百公斤称量范围计价秤。

图4计价秤用弹性体结构

用这些复梁型高精度传感器来支承一个大的称重平台，被称重物又可能放置在任何称台的任意位置上，必然会产生四角示值误差，对图4（a），（b）两种结构形式的传感器，可通过锉磨的形式进行角差修正。

对图4（c），（d），它有上下两根局部削弱的柔性辅助梁，使传感器对侧向力、横向力和扭转力矩具有很强的抵抗能力，可以通过锉磨辅助梁的柔性部位来调整传感器的灵敏系数和四角误差。

图5为一种商用电子计价秤的电路框图。

传感器采用的是图4（b）所示的梅花型四连孔结构，该秤具有置零、自动清除单价、零位自动跟踪、自动去皮、次数累计和金额累计、打印输出等功能，7段绿色荧光数码管显示，使用十分方便。

图5电子计价秤的电路框图

图6是采用CHBL3型号S型双连孔弹性体称重传感器制作的便携式家用电子手提秤的原理图，由称重传感器、放大电路、A/D转换和液晶显示四部分组成。

图中，E为9V的叠层电池，R1-R4是称重传感器的4个电阻应变片，R5、R6与W1组成零点调整电路。

当载荷为零时，调节RW1使液晶显示屏显示为零。

A1，A2为双运放集成电路LM358中的两个单元电路，组成了一个对称的同相放大器，A/D转换器采用ICL7106双积分型A/D转换器，液晶显示采用31/2液晶显示片。

该电子秤精度高，简单实用，携带方便。

称重传感器是一种高精度的传感器，必须按规定的规格使用。

若不按规定的规格使用，不仅不能发挥称重的作用，而且容易损坏，尤其是绝对不准超过负荷安全值使用。

图6手提秤的电路框图

对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。

非线性误差是传感器特性中最重要的一点。

产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。

滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。

由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。

在露天下使用传感器，还应考虑阳光直射产生的温度影响和风压的影响。

AD7705在电子秤中的应用

作者：

屈新芬

摘要：

本文结合AD7705在电子秤称重系统中的应用,详细介绍了AD7705在51系列单片机系统应用中的硬件设计和软件编程;重点介绍了软件设计中应主要关注的4个方面;详细给出了主程序流程图及程序,实现读、写模式下通信的一种方法的流程图及程序。

关键词：

精度、时序、中断、AD转换、有效分辨率、滤波

Abstract：

IncorporatingwiththeapplicationofAD7705intheelectronicbalances,thisarticleintroducesthehardwareandsoftwaredesignoftheAD7705appliedinthe51seriesSCMsystem.Fouraspectsofsoftwaredesignarehighlighted.Themainandthecommunicationflowchartsandprogramsaregiven.

Keywords：

precision、Timing、Interrupt、ADconversion、Peak-to-peakresolution、filter

1引言

国家三级秤标准要求：

称重数据与重物的绝对精度小于1/1000－1/5000,因此,经AD转换后输出数据的有效位应在13位以上。

AD公司推出的由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）、Σ－Δ调节器、可编程数字滤波器等组成的16位AD7705/06能直接将传感器检测到的微小信号进行A/D转换,其具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点,适合于称重系统中下微机信号处理的需要。

设计中,我们确定AD7705的相应参数取：

输出数据更新速率：

50Hz;

系统增益：

64;

有效分辨率：

15位。

2硬件设计

要满足前面确定的AD7705参数,设计中AD7705的主时钟取：

fCLK=2.4576MHz。

AD7705的串行数据接口包括5个：

片选输入口,串行施密特逻辑输入时钟SCLK,数据输入口DIN,转换数据输出口DOUT,指示数据准备就绪的状态信号输出口。

其中当为低电平时,转换数据可读取;否则不可读取。

设计中可由AT89C51选中实现,也可接地;本设计中将接地。

SCLK有两种基本的接线方式：

①SCLK接AT89C51的P2口中未用的管脚（比如接P2.2）,数据输入、输出端DIN、DOUT一同接P2口中未用的另一管脚（比如：

P2.3）。

在该种连接方式下,只能用手工编程模拟AD7705的通信时序以实现对AD7705的操作。

②SCLK接AT89C51的同步脉冲输出端TXD,AD7705的数据输入、输出端DIN、DOUT一同接AT89C51的串行数据输入、输出端RXD。

在该种连接方式下,对AD7705的数据的读取可按51系列单片机串行口的工作方式0完成,也可按①中的读写方式完成。

本设计中按②中介绍的方式接线。

可接普通P1、P2口中未用的管脚,通过程序查询该管脚是否为低电平,从而实现对AD7705中寄存器数据的读取。

也可接AT89C51的外部中断1或中断0管脚,通过中断方式或中断查询方式实现对AD7705中寄存器数据的读取。

本设计中接外部中断1管脚。

图1称重传感器信号处理电路图

AD7705在称重系统中的连接方式

见图1。

当在此传感器上施加满标度重量5吨重物时,传感器在5V工作电压下取得30mV的满标度输出电压。

5V工作电压经分压后为AD7705提供基准

电压,因此工作电压的变化不会产生系统误差。

分压电阻为24kΩ和15kΩ,产生的基准电压为1.92V。

当器件的可编程增益为64时,对应的满标度输入电压即为30mV。

3软件设计

软件设计需主要考虑以下四个方面：

①AT89C51的初始化：

硬件设计中如果用到中断,则需对单片机的中断系统进行初始化;软件设计中如果用到串口,则需对单片机的串口进行初始化。

②AD7705与51系列单片机的数据交换顺序：

在读写操作模式下,51系列单片机的数据要求LSB在前,而AD7705希望MSB在前,所以对AD7705寄存器进行配置之前必须将命令字重新排列方可写入,同样要将从AD7705数据寄存器中读取到缓冲器后的数据进行重新排列方可使用。

③对AD7705寄存器进行操作的时序：

AD7705通讯必须严格按图2、图3时序操作。

对AD7705进行通信的子程序流程见图4、图5。

当然,还可以考虑用串行口通信方式0的工作方式来实现。

④AD7705的初始化和配置：

AD7705的配置与设计的硬件紧密相关,只有在正确配置的情况下硬件才能正常工作。

同时,对AD7705内每一个寄存器的配置都必须从写通信寄存器开始,通过写通信寄存器完成通道的选择和设置下一次操作的寄存器的选择。

图6所示为此称重传感器数据采集主流程图。

其程序清单见附录。

图2读周期时序图

图3写周期时序图

4结束语

AD7705以其本身的低价格、高精度、可编程增益、自校准、小信号的转换不需附加另外的器件而使得其在数据检测领域具有很大的应用前景。

其在电子秤中的应用也是显而易见的。

我们应用AD7705设计的电子信号处理线路,其性能指标达到预期的效果。

参考文献

1.AnalogDevices.Preliminarytechnical

Information,AD7705/06

2.胡志高,AD7705/06及其应用,电子产品世界,2000.10

附录：

程序清单

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0013H

AJMPADINT

ORG0030H

MAIN:

;对AT89C51初始化

MOVIP,#04H;定义INT1为优先级

MOVTCON,#00H;INT1采用低电平

图4写周期时序流程图

图5读周期时序流程图

;触发

MOVIE,#84H;允许外部中断1

;对AD7705进行初始化

MOVSCON,#00000000B;禁用SCON

MOVA,#20H

ACALLWRITE

MOVSCON,#00000000B

MOVA,#05H

ACALLWRITE

MOVSCON,#00000000B

MOVA,#010H

ACALLWRITE

MOVSCON,#00000000B

MOVA,#70H

ACALLWRITE

MOVSCON,#00000000B

A2:

JNB00H,A2;等待INT1中断

MOVA,#38H

ACALLWRITE

RDATA

DPROCESS

AJMPA2

图6主程序流程图

WRITE:

NOP

MOVR0,#08H

ACALLNU1

RET

NU1:

RLCA

JNCNU2

CLR0B1H

SETB0B0H

SETB0B1H

SJMPNU3

NU2:

CLR0B1H

CLR0B0H

SETB0B1H

NU3:

DECR0

DJNZR0,NU1

RET

RDATA:

MOVR2,#02H

MOVR3,#08H

MOVR4,#20H

CLRC

MOVA,#00H

RD1:

CLR0B1H

MOVC,0B0H

SETB0B1H

RLCA

DJNZR3,RD1

MOVR4,A

INCR4

DJNZR2,RD1

RET

DPROCESS:

……

RET

ADINT:

SETB00H

RETI

END

作者简介：

屈新芬（1971-）,四川邻水人,硕士,工程师,现从事引信方面的工作。

如何用24位Σ-Δ模数转换器CS1240设计电子秤

CS1240是一款中国本土开发的精密模数转换（ADC）芯片，分辨率为24位，有效精度高达21位，可以广泛应用于工业过程控制、电子秤、气体/液体检测仪和血液计等各种应用。

本文描述了该芯片的主要特点，并以普通和高精度电子秤为例，讨论了CS1240的典型应用电路。

芯海科技有限公司自主研发的CS1240是一款24位高精度、低功耗Σ-Δ模数转换芯片，其分辨率为24位，有效精度高达21位，可以在2.7V-5.5V电源电压条件下工作。

CS1240具有8个模拟输入端、8个数字输入输出通道，可以选择输入通道模拟缓冲器或者直接将信号输入模数转换器，模拟缓冲器可以有效提高芯片的输入阻抗。

芯片提供内部测试电流（2微安），可以检测输入端开路或短路情况。

集成的8位数模转换器（DAC）可以通过寄存器控制来调节输入信号的偏置电压，有效扩大输入信号的范围，最大可以调整满幅度（FS）的50%。

图1：

CS1240芯片功能结构图。

CS1240/1241带有片内1～128倍可编程增益放大器（PGA），在128倍时，有效分辨率可达19位。

调制器是一个二阶Σ-Δ调制器，芯片的FIR滤波器提供50Hz和60Hz陷波滤波，有效提高芯片的抗干扰性能。

CS1240/1241提供兼容串行外围接口（SPI）的串行接口总线，并且可以通过配置使用多达8个数字I/O，只需要少量的外围元件就可以构成多种多样的应用电路。

CS1240的功能结构图如图1所示。

典型应用电路

电子秤是目前常用的计量仪器，广泛应用在人们的日常生活中，图2示出了电子秤的基本原理图。

由于CS1240丰富的功能，并且带有SPI接口可以方便的与MCU进行通讯，因此只需极少量的外围元件就可以构成多种应用方案，特别适合应用在电子秤中。

例如，由于片内自带PGA，因此就可以不需要外部的放大电路，这样可减小系统的噪声，降低成本。

芯片带有自纠正电路和系统纠正电路，可以纠正芯片及系统的增益误差和失调误差，进一步提高了精度。

CS1240的参考电压输入可以直接用电源电压，这样就不需要额外的参考源，可以简化电路设计、降低成本。

图2：

电子秤系统的基本组成。

1．普通电子秤设计方案

图3是采用CS1240实现的普通电子秤电路原理图。

传感器出来的信号经过外部的无源滤波器滤波后，送入到CS1240中。

滤波器包括两个部分：

第一部分是由电感和电容组成的EMI滤波器，用来减小外部环境对于电路的影响；第二部分是由电阻和电容组成的RC滤波器，用来限制输入信号的带宽，降低输入信号的噪声。

由于CS1240内部自带有PGA电路，所以图2中所示的放大部分在本电路中不需要。

PGA的增益一般设置为64或者128。

参考电压输入可以直接接在电源和地上，因此不需要额外的参考电压。

为了减小参考源的噪声，需要在参考源的输入端加入10uF的滤波电容，这个电容越靠近芯片越好。

在电路正常工作以前，可以通过自纠正和系统纠正来纠正芯片和系统的增益误差以及失调误差来提高整个系统的精度。

图3：

普通电子秤电路电气原理图。

CS1240通过SPI接口与MCU进行通讯。

SPI接口为标准的四线SPI接口，包括片选信号CS、串行时钟SCLK、串行输入SDI和串行输出SDO。

通过SPI接口，可以读写CS1240内的各个控制寄存器和数据寄存器。

可以看出，整个电路只需极少量的外围元件（主要是一些起滤波作用的电容、电感以及电阻等无源器件），实现起来非常简单。

在设计电路时需要注意的是，因为CS1240是数模混合芯片，为了防止数字部分的噪声对模拟电路造成影响，最好使用单独的数字电源和模拟电源，在电容的输入端要加入旁路电容来减少电源噪声对于电路的影响。

在制作PCB板时，数字地和模拟地要分开，最后通过单点接触连接起来。

2．高精度电子秤设计方案

一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。

在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。

图4给出了高精度电子秤的电路原理图。

与图3显示的方案相比，这个电路主要是增加了由两个运算放大器（简称运放）及电阻RG和RF组成的放大电路。

这个放大电路的增益为：

图4：

高精度电子秤电气原理图。

通过调节RG和RF的值，就可以获得所需要的增益，配合CS1240提供的最大128倍增益，可以将输入信号放大到所需要的幅度。

选择运放时要注意，由于输入信号的幅度很小，因此对运放的噪声性能和失调电压要求非常高，应选择低噪声、低失调的运算放大器。

本文小结

目前，电子秤正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。

CS1240采用外形为10.2×5.3mm的SSOP28脚封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少，满足了电子秤小型化的需求；它还提供了24位无失码，21位有效精度的高性能，满足了电子秤高精度的需求；其内置各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过SPI接口方便地控制和读取这些寄存器，满足了电子秤智能化的需求。

因此CS1240是电子秤中模数转换器的理想选择。

作者：

万巍，深圳市芯海科技有限公司

山东省电子设计大赛

（2004年）

参赛学校：

山东大学

指导教师：

万鹏姚福安

设计者：

刘永胜杜辉杨媛媛

2004年9月13号

摘要

本系统采用单片机AT89S52为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。

系统的硬件部分包括最小系统板，数据采集、人机交互界面三大部分。

最小系统部分主要是扩展了外部数据存储器，数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。

人机界面部分为键盘输入，128

64点阵式液晶显示，可以直观的显示中文，使用方便。

软件部分应用单片机C语言实现了本设计的全部控制功能，包括基本的称重功能，和发挥部分的显示购物清单的功能，可以设置日期和重新设定10种商品的单价，具有超重报警功能，由于系统资源丰富，还可以方便的扩展其应用

第一部分：

方案论证与比较

一、控制器部分

本系统基于51系列单片机来实现，因为系统需要大量的控制液晶显示和键盘。

不宜采用大规模可编程逻辑器件：

CPLD、FPGA来实现。

（因为大规模可编程逻辑器件一般是使用状态机方式来实现，即所解决的问题都是规则的有限状态转换问题。

本系统状态较多，难度较大。

）另外系统没有其它高标准的要求，我们最终选择了AT89S52通用的比较普通单片机来实现系统设计。

内部带有8KB的程序存储器，在外面扩展了32K数据存储器，以满足系统要求。

二、数据采集部分

（1）、传感器

题目要求称重范围9.999Kg，重量误差不大于

Kg，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重—

。

我们选择的是L-PSIII型传感器，量程20Kg，精度为

，满量程时误差

0.002Kg。

可以满足本系统的精度要求。

其原理如下图所示：

称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出：

（2）、前级放大器部分

压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。

我们考虑可以采用以下几种方案可以采用：

方案一、利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。

普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。

由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。

所以，此中方案不宜采用。

方案二、由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。

差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放（如OP07）做成一个差动放大器。

电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。

优点：

输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。

输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。

缺点：

此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。

实际测量，每一级运放都会引入较大噪声。

对精度影响较大。

方案三：

采用专用仪表放大器，如：

INA126，INA121等。

此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。

以INA126为例,接口如下图所示：

放大器增益

，通过改变

的大小来改变放大器的增益。

基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126。

（3）、A/D转换器

由上面对传感器量程和精度的分析可知：

A/D转换器误差应在

以下

12位A/D精度：

10Kg/4096=2.44g

14位A/D精度：

10Kg/16384=0.61g

考虑到其他部分所带来的干扰,12位A/D无法满足系统精度要求。

所以我们需要选择14位或者精度更高的A/D。

方案一、逐次逼近型A/D转换器，如：

ADS7805、ADS7804等。

逐次逼近型A/D转换，一般具有采样/