内容发布更新时间 : 2024/12/23 18:28:40星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

1、 背景介绍

质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科技发展的必然规律。低成本、高智能的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，衡器技术在不断进步和提高。从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤

电子秤是日常生活中常用的衡量器件，广泛应用于超市、大中型商场。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比于传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点。

我们所要研究的任务是：基于应变片的电子秤设计， 称重范围0～10Kg,满量程量误差不大于?0.005Kg，同时具有自动去皮计算物重，并能计价，具有键盘、显示功能。

2、 方案设计

首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。

我们的设计原则是：采用模块化的设计方法，各模块、部分也尽量应用集成芯片，这样及保证了精度有可使设计简单化。

按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。

电子秤模块设计图

2.1、 传感器的选择

传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之

间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

传感器动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，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频率响应来表示。

目前对于压力测量的传感器件大致有：压电传感器、电容传感器、电阻应变片传感器等下面对传感器的选取进行论证 2.1.1 压电传感器

压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。

压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。所以不适合作为电子秤的敏感原件。

2.1.2 电容式传感器

电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。

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虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素： （1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。因C太小，故容抗XC=1/?C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率P=uo并采取抗干扰措施。

（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 所以电容式传感器也 不适合作为电子秤的敏感原件

2?C ，C很小，则P也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，

2.1.3 电阻应变式传感器

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。

应变片式传感器有如下特点：

（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。 （2）分辨力和灵敏度高，精度较高。

（3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。

（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 通过以上几种传感器对比分析，最终选择电阻应变片式传感器。

2.2、 设计分析

2.2.1 应变片的测量电路

电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。

下图为一直流供电的平衡电阻电桥，Ein接直流电源E：

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当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。

当忽略电源的内阻时，由分压原理有：

uo?uBD?uAB?uAD

?E(R1R4?)R1?R2R3?R4R1R3?R2R4E?(R1?R2)(R3?R4)= （2.2）

当满足条件R1R3=R2R4时，即

R1R2?R4R3（2.3）

uo=0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡条件。

应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。

若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（2.2），则电桥输出为

??(R??R)2Euo??(R??R)?(R??R)??(R??R)?(R??R)??R?ER?(R??R)2??k?E

题目要求称重范围0～10Kg,满量程量误差不大于?0.005Kg，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5Kg。我

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