称重传感器(电子称)实物成功

传感器与检测技术课程设计说明书

称重传感器设计

专业：

班级：

完成时间：2012年11月

称重传感器设计

一、设计方案：

方案一：选用电阻应变片式传感器，它是一种利用金属的应变效应，将各种力或与力相关的非电量转化成电量的结构型传感器。电阻应变式是电阻应变式传

感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器，有温度误差小、灵敏度高、测量精度高、性能稳定等优点，是市面上常见的元件，但有一定的横向效应和要用黏结剂而使灵敏系数下降，且价格也相对较高。

方案二：选用压阻式传感器，它是用半导体应变片制作的传感器，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应，其灵敏系数比金属电阻应变片约高50倍，但这种传感器的测量准确度受到非线性和温度的影响，因此要对其进行零点温度补偿和灵敏度温度补偿，其价格也相对较便宜。

通过比较，我们选用应变片式传感器。

二、设计原理：

压阻式传感器是将集成在硅片上的4个等值电阻连成平衡电桥，通过直流电源给电桥和放大电路提供电源，是电路处于运行状态，当被测量作用于硅片上时，电阻值发生变化，电桥失去平衡，产生电压输出，由于产生的电压变化很小，所以就要经过放大电路进行电压放大，为以后的转换电路有一定的转换电压。

我们取力的变化与电压的输出接近线性的区域作为传感的有效范围，并只能在这个范围内，这个传感器所测的数据才可能误差较小，才具有可行性，因此我们可以通过观察电压的输出来判断所加力的大小，从而达到测量力大小的效果，并具有一定的可靠性。

三、电路图设计：

电桥电路：

数据采集电路

放大电路 显示电路

单片机 A/D 转换

图1 如图1为电桥电路模拟图，输出端14、17接至放大电路的两个同向输入端。R8、R9、R10、R11分别为半导体应变片的阻值，由于是半导体材料，所以就要进行温度补偿来提高灵敏度，电位器R12是用来调零的，R17是采用负温度系数且阻值较大的热敏电阻，主要起补偿作用，适当选择他们的阻值，可以使电桥失调为零，而且温度变化原则上不会引起零点漂移。在电源回路中串联二极管是用来补偿灵敏度温漂的。温度升高时，灵敏度降低，这时如果提高电源的电压，使电桥的输出适当增大，便可达到补偿的目的；反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的，由于二极管PN 结的温度特性为负值，温度每升高1℃时，正向压降减少1.9~2.4mV ，适当数量的二极管串联在电桥的电源电路中，可达到补偿的目的。

电桥处于平衡时，输出电压为U0=0，若个桥臂均有相应的电阻增加△R8、△R9、△R10、△R11，则有： )

)(())(())((1111991010881111101099880R R R R R R R R R R R R R R R R U U ∆++∆+∆++∆+∆+∆+-∆+∆+= 由于采用等臂电桥，即R R R R R ====111098,则 )

2)(2()(1191081110989111080R R R R R R R R R R R R R R R U U ∆+∆+∆+∆+∆∆-∆∆+∆+∆-∆-∆= 当R R )~(3171≈∆时，略去上式中的高阶微分小量，有 )(91110840R R R R R R R R U U ∆∆∆∆+--=(和差特性)

即：)(91110840εεεε+--=UK U

四、放大电路的设计：

仪用放大器电路：

图2 仪用放大器电路如图2所示，它是由运放U1、U2按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放U3组成第二级差分放大电路。在第一级电路中，U1、U3同向输入端接电桥输出电压，R1和两个R2组成的反馈网络，引入了负反馈，两运放U1、U2的两输入端形成虚短虚断，因而有输入电阻无穷大，且有127v v V R -=（下标为图2中的数字和标号，下同）和)2/()(/714377

R R v v R V R +-= 则：7143/)2(7R V R R v v R +=-

31271534357/))(/21(/)(R v v R R R R v v R V -+-=--=

故得：3715127/)/21()/(R R R R v v V A v +-=-=

通常R1、R3、R5为给定值，R7为可变电阻，调节R7的值，即可改变电压增益Av ，在这里给R1、R3、R5适当的电阻值，可得适合的增益，此电路的增益为114左右，确保了运放没处在饱和状态。

A/D 转化器选取方案

方案一：ICL7107A/D 转化器

ICL7106和ICL7107是高性能，低功耗三位半数字A/D 转电路。它包含七段译码器，显示驱动器，参考源和时钟系统。ICl7107可直接驱动数码管，具有低于10µV 自动校零功能，零漂小于1µV/°C 低于10pA 的输入电流，极性转换误差小于一个字。由于两个输入端最大承受电压为200mV 因此要实现最大值为2000mV 的显示可以用以下分压形式（本设计所采用的）如图5所示：ICl7107

型A/D转换器是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模的CMOS集成电路，它具有功耗低、输入阻抗高、噪声低，能直接驱动共阳极LED显示器，不需另加驱动器件，使转换电路简化等特点。由于所选用的芯片ICl7107已经具有译码功能，故在显示时只需要接上数码显示器即可用于显示。

将放大的电压值输入芯片ICL7107，通过芯片将数值显示在数码管上，其连接电路如图3所示：

图3、ICL7107与数码管连接电路图

数码管显示电路

由于ICL7107的输出电压可直接供给七段显示器的输入，因此可直接将七段显示器接到ICL7107的输出端口上。ICL7107支持3段半的输出，因此需要用到四个七段显示器，其中3个可用到七个二极管显示段，另外1个只需要用到b、c两段，4个七段显示器都不需要用到小数点显示位，即DP显示位。

ICL的输出时正电压，因此本次课程设计使用的是共阴极的七段显示器，其引脚分布图为

显示部分由四个一位共阳数码管组成，其管脚、原理图如图3所示：