基于单片机的便携式电子称设计q：

基于单片机的便携式电子称设计q：内容摘要：

在一定的关系 ，往往知道了前者就能推定后者。 最常用的标准输入信号有阶跃 信号和正弦信号两种 ， 所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和响应效率来表示。 传感器的线性度 通常情况下 ， 传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。 在实际工作中 ， 为使仪表具有均匀刻度的读数 ， 常用 一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度 （ 非线性误差 ） 就是这个近似程度的一个性能指标。 拟合直线的选取有多种方法。 如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线 ； 或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线 ， 此拟合直 线称为最小二乘法拟合直线。 传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△ y 对输入量变化△ x的比值。 它是输出一输入特性曲线的斜率。 如果传感器的输出和输入之间显线性关系 ， 则灵敏度 S 是一个常数。 否则 ， 它将随输入量的变 化而变化。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。 例如 ， 某位移传感器 ，在位移变 化 1mm 时 ， 输出电压变化为 200mV， 则其灵敏度应表示为200mV/mm。 当传感器的输出、输入量的量纲相同时 ， 灵敏度可理解为放大倍数。 提高灵敏度 ， 可得到较高的测量精度。 但灵敏度愈高 ， 测量范围愈窄 ，稳定性也往 往愈差。 传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。 也就是说 ， 如果 输入量从某一非零值缓慢地变化。 当输入变化值未超过某一数郑州轻工业学院 Q： 924800236 8 值时 ， 传感器的输 出不会发生变化 ， 即传感器对此输入量的变化是分辨不出来 的。 只有当输入量的 变化超过分辨力时 ， 其输出才会发生变化。 通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同 ， 因此常用满量程中能使 输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。 上述指标若用满量程的百分比表示 ， 则称为分辨率。 分辨率与传感器的稳定性有负相相关 性。 传感器的选择及其组成的测量电路 称重系统中使用的测力传感器通常是指称重传感器。 称重传感器有拉伸式和压缩式两 种 ， 最常用的是应变式称重传感器和压阻式称重传感器。 称重传感器是电子称重系统的 心脏 ， 它的性能在很大程度上决定了电子称重系统的准 确度和稳定性 ， 所以， 称重传感器的选择极其重要。 根据设计要求 ， 选用电阻应变式传感器 ， 它是以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理 ： 弹性体 （ 弹性元件 ，敏感梁 ） 在外力 作用下产生弹性变形 ， 使粘贴在他表面的电阻应变片 （ 转换元件 ） 也随同产生变形 ， 电 阻应变片变形后 ， 它的阻值将发生变化 （ 增大或减小 ） ， 再经相应的测量电路把这一电 阻变化转换为电信号 （ 电压或电流 ） ， 从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可 见 ， 电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。 1. 应变式电阻传感器的工作原理 （ 1） 金属的电阻应变效应 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上 ， 即成为一片 应变片。 它的一个重要参数是灵敏系数 K。 设有一个金属电阻丝 ， 其长度为 L， 横截面是半径为 r 的圆形 ， 其面积记作 S， 其 电阻率记作ρ ， 这种 材料的泊松系数是μ。 当这根电阻丝未受外力作用时 ， 它的电阻值 为 R： R = ρ L/S（ Ω ） （ 2— 1） 当他的两端受 F 力作用时 ， 将会伸长 ， 也就是说产生变形。 设其伸长Δ L， 其 横截 面积则缩小 ， 即它的截面圆半径减少Δ r。 此外 ， 还可用实验证明 ， 此金属电阻丝在变 形后 ， 电阻率也会有所改变 ， 记作Δρ。 对式 （ 2— 1） 求全微分 ， 即求出电阻丝伸长后 ， 他的电阻值改变了多少。 有 ： Δ R = Δρ L/S + Δ Lρ /S – Δ Sρ L/S2 （ 2— 2） 用式 （ 2— 1） 去除式 （ 2— 2） 得到 ： Δ R/R = Δρ /ρ + Δ L/L – Δ S/S （ 2— 3） 郑州轻工业学院 Q： 924800236 9 另外 ， 知道导线的横截面积 S = π r2， 则 Δ s = 2π r*Δ r， 所以 Δ S/S = 2Δ r/r （ 2— 4） 从力学知识知道 ： Δ r/r = μΔ L/L （ 2— 5） 其中 ， 负号表示伸长时 ， 半径方向是缩小的。 μ是表示材料横向效应泊松系数。 把式 （ 2— 4） 、 （ 2— 5） 代入 （ 2— 3） ， 有 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L =（ 1 + 2μ （ Δρ /ρ ） /（ Δ L/L）） *Δ L/L = K *Δ L/L （ 2— 6） 其中 ， K = 1 + 2μ +（ Δρ /ρ ） /（ Δ L/L） （ 2— 7） 式 （ 2— 6） 说明了电阻应变片的电阻变化率 （ 电阻相对变化 ） 和电阻丝伸长率 （ 长 度相对变化 ） 之间的关系。 需要说明的是 ： 灵 敏度系数 K 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数 ， 它和应变片的形状、尺寸大小无关 ， 不同的材料的 K值一般在 — 之间 ； 其次 K值是一个无因次量 ， 即它没有量纲。 在力学中Δ L/L 称作为应变 ， 记作ε ， 用 它来表示弹性往往显得太大 ， 很不方 便 ， 常常把它的百万分之一作为 单位 ， 记作με。 这样 ， 式（ 2— 6） 常写作 ： ΔR/R = Kε （ 2— 8） （ 2） 应变片的测量原理 用应变片测量受力应变时 ， 将应变片粘贴于被测对象表面上。 在外力作用下 ， 被测对象表面产生微小机械变形时 ， 应变片敏感栅也随同变形 ， 其电阻值发生相应变化 ， 通 过转换电路转化为相应的电压或电流的变化。 2. 电阻应变式传感器的分 类和选择 电阻应变式传感器分类有很多种 ， 测量力的主要有应变式力传感器和应变式压力传 感器 ， 而应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量 ， 从设计要求上选用应变式 力传感器。 所以 ， 可测定外载荷的大小的 CZLYB3系列称重传感器具有体积小 ， 结构 先进 ， 价格低廉等特点 ，广泛用于家用手提电子称 ， 小型电子台称和厨房称等 ， 是理想 的用于制作便携式 电子称 的称重传感器。 传感器的转换电路的设计 测量电路把电阻变化转换为电压或电流的变化 ， 从而完成了将外力变换为电信号的 过程。 因为全桥差动电路灵敏度高 ， 并且具有温度补偿作 用 ， 所以转换电路采用全桥差 动电路。 应变片全桥是指四个桥臂都接郑州轻工业学院 Q： 924800236 10 有应变片 ， 它由箔式电阻应变片电阻 R R R R4组成测量电桥 ， 测量电桥的电源由稳压电源 E 供给。 物体的重量不同 ， 电桥不平衡程 度不同。 滑动式线性可变电阻器。 RP1组成零调整电路 ， 当载荷为 0时 ， 调节 RP1使数码显示屏显示零。 如下图所示 ： R1 R2R3 R4R5R6ER p 1 图 RP1组成零调整电路 此时相邻桥臂所接的应变片承受相反应变 ， 相对桥臂所接的应变片承受相同应变 ， 设计时要求 ： R1=R2=R3=R4=R 、 R5=RΔ R2=Δ R3=Δ R 、Δ R1=Δ R4=Δ R ， 传感器输出 的电压为 ： U=1/4E（ ΔR1/ R1+ΔR2/ΔR2+ΔR3/ R3+ΔR4/ R4 ） =E*ΔR/R 前级放大电路方案的选择 称重传感器输出电压振幅范围 0~20mV。 而 A/D 转换的输入电压要求为 0~2V， 因 此放大环节要有 100 倍左右的增益。 对放大环节的要求是增益可调的 （ 70~150 倍 ） ， 根 据本设计的实际情况增益设为 100 倍即可 ，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。 按 照输入电压 20mV， 分辨率20200 码的情况 ， 漂移要小于 1μ V。 由于其具有极低的 失调电压的温漂和时漂 （ 177。 1μ V） ， 从而保证了放大环节对零点漂移的要求。 残余的一点漂移依 靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。 稳定的增益量可以保证其负郑州轻工业学院 Q： 924800236 11 反馈回路的稳定性 ， 并 且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。 由称重传感器的称量原理可知 ， 电阻应变片组成的传感器是把机械应变转 换成Δ R/R， 而应变电阻的变化一般都很微小 ， 例如传感器的应变片电阻值 120Ω ， 灵 敏系数 K=2， 弹性体在额定载荷作用下产生的应变为 1000ε ， 应变电阻相对变化量为 ： Δ R/R = Kε = 2 1000 106= （ 2— 9） 由式 （ 2— 9） 可以看出电阻变化只有 ， 其电阻变化率只有%。 这样小的电阻 变化既难以直接精确测量 ， 又不便直接处理。 因此 ，必须采用转换电路 ， 把应变计的Δ R/R 变化转换成电压或电流变化 ， 但是这个电压或电流信号很小 ， 需要增加增益放大电路来 把这个电压或电流信号转换成可以被 A/D 转换芯片接收的信号。 在前级处理电路部分 ，我 考虑可以采用以下几种方案 ： 方案 （ 一 ） ： 利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路 ； 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 ， 此种方案不宜采用。 方案 （ 二 ） ： 主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器 ， 而构成的前级处理 电路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。 其设计电路如图。 方案 （三）：采用专用仪表放大器，如： INA126， INA121 等构成前级处理电路 LM358 双运算放大器内部包括有两个独立的、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 条件下 ， 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 他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 ，其内部结构 如图 所示。 LM358 的特点： . 内部频率补偿 . 低输入偏流 . 低输入失调电压和失调电流 . 共模输入电压范围宽 ，包括接地 . 差模输入电压范围宽 ，等于电源电压范围 . 直流电压增益高（约 100dB） . 单位增益频带宽（约 1MHz） . 电源电压范围宽 ：单电源 （ 3— 30V） ； . 双电源（177。 一177。 15V） . 低功耗电流 ，适合于电池供电 郑州轻工业学院 Q： 924800236 12 A1A2A3R1R220KR310KR420KR220KR310KR420KR44kU1U2U0+.. .. 图 利用普通运放设计的差动放大器 1234 5678O U T 1O U T 2V c cG N DI N 1 ( )I N 1 ( + )I N 2 ( + )I N 2 ( ).. .. 图 LM358 内部结构图 LM358 的参数 ： 输入偏置电流 45 nA 输入失调电流 50 nA 输入失调电压 输入共模电压最大值 Vcc~ 共模抑制比 80dB 电源抑制比 100dB 郑州轻工业学院 Q： 924800236 13 A/D 转换器的选择 A/D 转换器 简介 模数转换器 即 A/D 转换器 ， 或简称 ADC， 通常是指一个将模拟信号转变为数 字信号的电子元件。 通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。 由于数字信号本身不具有实际意义 ， 仅仅表示一个相对大小。 故任何一个模数转换器 都需要一个参考模拟量作为转换的标准 ， 比较常见的参考标准为最大的可转换信 号大小。 而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。 模数转换器最重要的参数是转换的精度 ， 通常用输出的数字信号的位数的多 少表示。 转换器能够准确输出的数字信号的位数越多 ， 表示。