基于电阻应变式传感器的电子称的设计

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学士学位毕业设计（论文）(顶格写)
论文题目(黑体小初)
学生姓名：XXX
指导教师：XXX
所在学院：信息技术学院
专业：计算机科学与技术
中国·大庆
摘要
这部分是摘要《传感器与自动检测》内容概要：《传感器与自动检测》主要介绍了检测技术的基本知识，工业、生活等领域常用传感器和一些新型传感器的工作原理、基本结构和安装使用方法，检测系统的信号处理和抗干扰技术，传感器的综合应用、综合实训和综合设计等。

《传感器与自动检测》以实用性、操作性、创新性为特色，以项目为载体，采用任务驱动的教学方式，突出了各种常用传感器的单项和综合应用内容；同时设置了传感器综合实训和设计项目，以加强对传感器实际应用能力的培养和提高。

《传感器与自动检测》可作为高职院校、成人学校及本科院校开办的二级职业技术学院电气自动化
关键词：电子秤电阻式传感器三运放大电路新型传感器
前言
电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。

本课程设计的电子秤是利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲V改为重量纲g即成为一台原始电子秤。

其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。

电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。

而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。

A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示路中去，最后由显示电路显示出测量结果。

由于溶剂使用率的减少，以及更为强大的物质出现，需要提高过程称重仪表精确度的呼声越来越高。

例如研究显示，随着新型甜味剂的出现，消费者可以识别1ppm的偏差。

这相当于一批重量为一吨的产品中一克的偏差。

过程称重技术是可在如此广的范围内精确并且可靠测量的为数不多的测量过程之一。

由于该过程具有高度的动态性，因此还可确保测量设备的灵活应用，这在需要制造的产品经常变化的情况下十分重要。

为了确保过程的质量与可再生性，梅特勒-托力多所生产的MinWeigh™为用户提供了根据所使用称重设备以及所需精确度计算与监测最小重量的智能称重功能。

在这种情况下，必须了解准确性、重复性以及分辨率的实际意义。

在称重技术领域中，许多制造商开始采用在不提高精度和重复性等相关参数的情况下提高显示精度的做法。

尽管通过这种方法从表面上看可以达到更高的精度，但是进一步分析证实这是一种错误的做法。

即使对于料罐的液位测量而言，提高使用超声波的标准液位测量方法精确性的需求促使了基于称重的解决方案的出现。

目前，即使是重量超过百吨的料罐仍可“放在秤上”。

由于这种称重技术可在无需接触介质的情况下直接进行质量测量，并且可耐受泡沫与水气的影响，因此还可用于其他诸多的关键应用。

在工业，农业，制造业加工领域当中，过程称重技术正在越来越多的应用中发挥着重要作用。

人们恐怕想不出许多能够与称重一样令人熟知与随处可见的测量过程。

无论是在浴室秤上测量自己恼人的体重，还是在机场办理手提箱托运，称重几乎是一种随处可见的过程。

那么究竟哪些是最为重要的传感器技术、发展与未来开发产品呢?
应变片的应用
基于应变片的传感器始终具有较高的称重精确度。

在过去的10年当中，这种称重传感器的精确度提高了5倍，这意味着应变片式称重传感器可以用于此前力补偿传感器可以使用的应用领域当中。

目前，基于应变规的测量系统用于水箱与锅炉称重、罐装系统、称重平台与检重秤。

由于这种测量原理具有机械坚固性以及外等功能，因此很有可能在未来获得极高的普及率。

压力补偿
在生产环境中使用力补偿传感器的愿望可以令人理解。

没有其他的任何测量原理可以在如此广的范围内提供如此精确并且可靠的结果。

随着最新工业开发成果的问世，这些传感器现已能够在需要较高防护等级保护的危险区域内使用。

复杂的过滤器算法，加上强大的微处理器，能够很可靠地区分质量与环境影响的有效变化。

内置检
测砝码可确保随时对测量结果进行校准与验证。

除了平台秤之外，常规应用包括配料、高精密灌装以及检重。

传感器技术前景
当今的称重解决方案通常基于两种传感器技术：应变片技术与力补偿技术。

以往，高分辨率力补偿传感器主要用于实验室。

与之相反，应变片技术用于许多工业应用。

但现在两种重要发展已经开始消除了这种差异，那就是：应变片传感器的分辨率更高以及力补偿传感器在过程应用中的使用频率正在增加。

目录
摘要 ............................................................ 错误！未定义书签。

前言 ............................................................ 错误！未定义书签。

1 绪论 .......................................................... 错误！未定义书签。

1.1数字电子秤简介......................... 错误！未定义书签。

1.2数字电子秤的基本原理................... 错误！未定义书签。

2 系统设计....................................................... 错误！未定义书签。

2.1传感器 (7)
2.2三运放大电路........................... 错误！未定义书签。

2.3间接比较型模式转换器A/D (8)
2.4本章小结.............................. 错误！未定义书签。

结论 . (14)
参考文献......................................................... 错误！未定义书签。

致谢 ............................................................ 错误！未定义书签。

附录 ............................................................ 错误！未定义书签。

1 绪论
1.1数字电子秤简介
电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。

1.2 数字电子秤的基本原理
数字电子秤一般由以下5部分组成：传感器、信号放大系统、模数转换系统、显示器、和量程切换系统。

其原理图如图（1）所示。

图（1）
电子秤的测量过程实际是通过传感器将被测物体的重量转换成电压信号输出，放大系统把来自传感器的微弱信号放大，放大后的电压信号经过模数转换把模拟信号转换成数字量，数字量通过显示器显示重量。

电阻应变式传感器输出信号
三运放大电路放大信号
显示电路
A/D 转换电
路
2系统设计
2.1 传感器
电子秤传感器的测量电路通常使用桥式测量电路，它将应变电阻值的变化转换为电压或电流的变化，这就是传感器输出的电信号。

电桥电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压Uo。

其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。

测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。

图（2）全桥测量电桥图（其中V0输出为0~2mv）
激励电压: 9VDC～12VDC ；灵敏度: 2±0.1mV/V
输入阻抗: 405±10Ω；输出阻抗: 350±3Ω
极限过载范围: 150% ；安全过载范围: 120%
使用温度范围: -20℃～+60℃
2.2 三运放大电路
本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。

在许多需要用A/D转换和数字采集系统中，多数情况下，传
感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。

图（3）三运放大电路结构图
为使系统产生的误差更小，传统上，设计秤重、测力、转矩及压力测量系统时，输出的数据更精确广泛采用全桥接电阻传感器的方法。

本设计采用全桥测量电路。

大多数桥接传感器都要求较高的激励电压（通常为10 V），同时输出较低的满量程差动电压，约为2 mV/V。

传感器的输出通常由仪表放大器加以放大。

2.3间接比较型模式转换器A/D
（1）双积分ADC简介
间接比较型A/D转换器是先将模拟信号电压变换为相应的某种形式的中间信号，然后再将这个中间信号变换为二进制代码输出。

双积分式ADC就是一种首先将输入的模拟信号变换成与其成正比的时间间隔，然后再在这段时间间隔内对固定频率的时钟脉冲信号进行计数的A/D转换器，所获得的计数值就是正比于输入模拟信号的数字量。

双积分AD电路由积分器、比较器、计数器、参考电压源、电子切换开关、逻辑控制及CP信号几部分组成，原理框图和积分波形如图（4）示。

图（4-1）原理图
图（4-2）积分波形图
图（5）所示为双积分AD 原理图，图中S 0，S 1为模拟开关，控制逻辑包括一个n 为计数器，附加触发器Fc ，模拟开关驱动电路L 0，L 1及门G 1，G 2等。

转换开始前，令转换控制信号Vs=0计数器和附加触发器均置0，S 0闭合，电容器充分放电，V 01=0。

当Vs=1以后,S 0断开，A/D 转换开始。

分下面两个阶段：
1) 通过2次积分将V i 转换成相应的时间间隔。

转换开始时t=0,S 1与V i 接通， 2) V i 通过R 对C 充电，积分器输出电压负向线性变化，积分器对V i 在0～t 1
时间积分。

当t=t 1时, 1
01110()i
i t V V t V dt t RC
=-=-
⎰
式中，V i 为0～t 1时的输入模拟电压的值。

3) 量化编码阶段。

利用计数器对已知的时钟脉冲计数至t 2，完成A/D 转换。

从t=t 1开始，S 1与参考电压—V REF 接通，通过R 对C 反向充电，V 01逐渐上升，经t 2—t 1时间间隔，V 0=0。

201
20111211()()()()0
i R E F
R E F t t V V V t V t V d t t t t RC RC
+=+=--=⎰ 所以 1221i REF t T t t V V =-= 因为V REF 和t 1为定值，所以T 2与V i 成正比，即将V i 变换为与它成正比的时
间间隔。

在T 2阶段，将CP （周期为Tc ）送入计数器计数，
则21i
c c REF
T t V N T T V =
=∙
图（5）双积分A/D 装换器原理图
由此可见，计数器计数所获得的数字量正比于输入模拟电压。

双积分A/D 转换器工作波形如图（6）所示。

它具有工作性能稳定的优点，输出数字量与积分器时间常数无关，对干扰（如工频干扰等）有很强的抑制作用，但该电路转换速度低。

图（6）双积分A/D 装换器工作波形图
2.4 CT74LS290计数器介绍
由双积分A/D 装换器转换出的数字脉冲进入CT74LS290计数器中进行计数进位计算其工作原理如下
当输入第 1 ～9 个脉冲时，百分位片计数；十分位片、个位片、十位片的 CP 0 未出现脉冲下降沿，因而保持计数“0”状态不变；
当输入第 10 个脉冲时，百分位片返回计数 “0”状态，其 Q 3 输出一个下降沿使十位片计数 “1”，因此输出读数为 Q 3'Q 2'Q 1'Q 0' Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 = 00010000，即计数 “0.10”。

当输入第 11 ～ 19 个脉冲时，仍由百分位片计数，而十分位片保持 “1”不变，即计数为“11 ～ 19”；当输入第 20 个脉冲时，个位片返回计数“0”状态，其 Q 3 输出一个下降沿使十位片计数“2”，即计数为“0.20”。

以后以次类推。

当输入第101～109个脉冲时，十分位片计数；个位片的 CP 0 未出现脉冲下降沿，因而保持计数“0”状态不变；
当第110个脉冲时，十分位片返回计数 “0”状态3Q ''输出一个下降沿使个位片计数 “1”，因此输出读数为
321032103210Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q ''''''''''''=000100000000，即计数“1.00”
当输入第111～119个脉冲时，仍由十分位片计数，而个位片保持 “1”不变，即计数为“111 ～ 119”；当输入第120 个脉冲时，十分片返回计数“0”
状态3Q ''输出一个下降沿使十位片计数“2”，即计数为“2.00”。

以后以次类推。

由个位向十位进位时步骤和上面一样。

综上所述，该电路构成 10000 进制四位异步加法计数器。

图（7）计数器工作原理图
2.5 集成二进制七段译码驱动器介绍
30Q Q ⋅⋅⋅⋅⋅⋅'''输出的信号分别进入集成二进制—七段译码驱动器中，集成二进
制—七段译码驱动器的使用端BI/RBO 、LT 和RB 的功能如下所述：
消隐（灭灯）：输入BI 在低电平时有效。

当BI 为低电平时，不论其余输入状态如何，所有输出无效，数码管七段全暗，无显示。

可用来使显示的数码闪烁，或与某一信号同时显示。

在译码时，BI 应接高电平或悬空（TTL ）。

灯测试（试灯）：输入LT 在低电平时有效。

在BI/RBO 为高电平的情况下，只要LT 为低电平，无论其输入时什么状态，所有输出全有效，数码管七段全亮。

可用来检验数码管、译码器和有关电路有无故障。

在译码时，LT 应接高电平或悬空（TTL ）。

脉冲消隐（动态灭灯）：输入RBI 高电平或悬空（TTL ）时，对译码器无影响。

在BI 和LT 全为高电平的情况下，当RBI 为低电平时，若输入的数码是十进制的零，即0000，则七段全暗，不加以显示；若输入的数码不是十进制的零，则照常显示。

显示数码时，有些零可不显示。

例如，003.80中百位的零可不显示，则十
位的零也可不显示。

小数点后第二位的零，如不考虑有效数字的零称为冗余零。

脉冲消隐输入RBI 为低电平，就可使冗余零消隐。

脉冲消隐（动态灭灯）：输出RBO 和消隐输入BI 共用一个管脚，当它用作输出端时，与RBI 配合，共同使冗余零消隐。

以3位的十进制的零是否要显示，取决于百位是否为零，有否显示。

这就将要用图（8）电路中的RBO 进行判断。

在RBI 和A3、A2、A1、A0全为低电平时，RBO 输出低电平；否则，输出高电平。

百位为零（及百位的A3、A2、A1、A0全为低电平），而且被消隐（及百位的RBI 也为低电平），则百位的RBO 和十位的RBI 全为低（因为二者连在一起），其余数码照常显示。

若百位不是零，或是未使零消隐，则百位的RBO 和十位的RBI 全为高电平，使十位数的零不具备消隐条件，而好其他数码一起照常显示。

我们在实验中采用的是用74LS48驱动共阴极数码管见图（8）
图（8） 74LS48驱动共阴极数码管原理图
74ls48引脚功能表—七段译码驱动器功能几设计总图见附录
结论
1．通过这次课程设计，我对传感器设计基础知识复习了一遍，而且更重要的是又学到了很多新的知识，获得了新的经验。

我从中学会了如何去做设计，学会知道团队精神的重要性，在这次的课程设计当中，在一些材料的选用，与其它同学进行了交流，提高了自己的工作效率。

2．在如此短的时间。

依靠个人能力是不可能完成如此繁琐的资料查找与收集的。

所以，通过这次课程设计，加强了同学之间的交流，大大增进了我们班的凝聚力，协作的精神更强了。

而且自己也学到了很多实际的有用的东西，相信对以后的工作一定会大有益处。

3．最后，在此对李棚老师的帮助表示深深的谢意。

4. 附录
74ls48引脚功能表—七段译码驱动器功能表
十进数或功能
输入
BI/RBO
输出
备注</TD< TR>
LT RBI D C B A a b c d e f
g
0 H H 0 0 0 0 H 1 1 1 1 1 1 0 1
1 H x 0 0 0 1 H 0 1 1 0 0 0 0
2 H x 0 0 1 0 H 1 1 0 1 1 0 1
3 H x 0 0 1 1 H 1 1 1 1 0 0 1
4 H x 0 1 0 0 H 0 1 1 0 0 1 1
5 H x 0 1 0 1 H 1 0 1 1 0 1 1
6 H x 0 1 1 0 H 0 0 1 1 1 1 1
7 H x 0 1 1 1 H 1 1 1 0 0 0 0
8 H x 1 0 0 0 H 1 1 1 1 1 1 1 9 H x 1 0 0 1 H 1 1 1 0 0 1 1 10 H x 1 0 1 0 H 0 0 0 1 1 0 1 11 H x 1 0 1 1 H 0 0 1 1 0 0 1 12 H x 1 1 0 0 H 0 1 0 0 0 1 1 13 H x 1 1 0 1 H 1 0 0 1 0 1 1 14 H x 1 1 1 0 H 0 0 0 1 1 1 1 15 H x 1 1 1 1 H 0 0 0 0 0 0 0 BI x x x x x x L 0 0 0 0 0 0 0 2 RBI
H
L
0 0 0 0
L
0 0 0 0 0 0 0 3
LT L x x x x x H 1 1 1 1 1 1 1 4
5.参考文献
《传感器与自动检测》
前言
电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。