本文介紹了一款基于應(yīng)變片的數(shù)字顯示電子秤實驗系統(tǒng)的設(shè)計和制作，系統(tǒng)由傳感器檢測電路、檢測信號放大電路、檢測信號轉(zhuǎn)換電路和顯示電路組成。該設(shè)計 是為了配合傳感器相關(guān)教學(xué)來進行的，注重系統(tǒng)的模塊化和輸入輸出的相對獨立性。文中重點介紹了應(yīng)變片傳感器的制作過程和要點，以及針對應(yīng)變片傳感器的電路調(diào)試的 步驟和要領(lǐng)。

為了配合面向電子信息工程技術(shù)專業(yè)學(xué)生的 《傳感器技術(shù)與測控》課程關(guān)于應(yīng)變片傳感器的 項目式教學(xué)，設(shè)計了這個利用基于應(yīng)變計的稱重 傳感器構(gòu)成的數(shù)字顯示電子秤原型系統(tǒng)。

系統(tǒng)按照傳感與檢測系統(tǒng)的劃分方法， 分為傳感器、傳感信號調(diào)理、信號采集、信 號數(shù)據(jù)處理及顯示幾個部分，幫助學(xué)生加深 對傳感器和處理系統(tǒng)的領(lǐng)會和理解。

電路由傳感器檢測電路、檢測信號放大 電路、％測信號轉(zhuǎn)換電路和顯示電路組成， 如圖1所示。

其中，①電阻應(yīng)變式傳感器由4只構(gòu)成電橋 電路的應(yīng)變計組成的構(gòu)成稱重傳感器，完成將壓 力轉(zhuǎn)換為電壓信號；②差動放大電路由較為成熟 的由運算放大器構(gòu)成的測量放大器（也稱為儀表 放大器）實現(xiàn)；③A/D轉(zhuǎn)換電路簡單地由一個8位 并行A/D轉(zhuǎn)換芯片來完成，便于調(diào)試和掌握該芯 片的應(yīng)用；④單片機實現(xiàn)系統(tǒng)的控制；⑤鍵盤由 4x4矩陣鍵盤實現(xiàn)，利于學(xué)習(xí)者掌握鍵盤掃描的 原理和實現(xiàn)；⑥LCD顯示由LCD12864模塊實現(xiàn)。

1.稱重傳感器的制作

稱重傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變式傳感 器，它是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué) 量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。以金屬絲應(yīng) 變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時，其長度 和截面積都會發(fā)生變化，可用下式表示：

式中：P—金屬導(dǎo)體的電阻率（Q*cm2/m)，

S—導(dǎo)體的截面積（cm2)，L 一導(dǎo)體的長度(m)。

為了檢測應(yīng)變引起的電阻的變化，并 將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化以利于信號采 集，應(yīng)變計通常構(gòu)成如圖2所示的電橋結(jié)構(gòu)， 并按照行業(yè)常規(guī)進行分顏色引線。

對于圖3中的電子秤結(jié)構(gòu)示意圖，需要通過 其核心的彈性懸臂結(jié)合應(yīng)變計電路完成受力-即重 量-的測量。這里，應(yīng)變計的裝貼是一個關(guān)鍵點。

稱重傳感器的制作包括一下幾個環(huán)節(jié)：1)設(shè) 計和制作彈性懸臂。為了加強固定承重塊和增加其 的應(yīng)變性，懸臂被設(shè)計成中間帶孔澗的啞鈴形，如圖3中所示。2)選擇電阻應(yīng)變片。對應(yīng)變片的 電阻值和精度進行測量選擇，并選用合適尺寸的 應(yīng)變片。這里選用的是阻值為350Q的BF350型應(yīng) 變片。3)處理懸臂試件表面。去除油污銹跡等， 并進行45°交叉紋打磨，并清潔? 4)定位應(yīng)變測 點。應(yīng)變片粘貼的位置及方向均對應(yīng)變測量有非 常大的影響，必須準(zhǔn)確地粘貼在試件的應(yīng)變測 點上，并保證方向與應(yīng)變方向一致。5)粘貼應(yīng)變 片。分清應(yīng)變片的正反，上膠粘貼，注意如圖4 所示的定位對準(zhǔn)。粘貼時用手進行滾壓趕出氣泡 并檢查是否貼合飽滿。貼好后檢查是否有短路、 斷路等現(xiàn)象。6)連接引線^_應(yīng)變片引線較細，必 要時可配接接線柱。引線焊接時要快捷，免傷及 應(yīng)變片。注意檢查引線是否與懸臂試件絕緣，且 無斷路。導(dǎo)線的最終引出用不同的顏色來表示， 如圖2和圖5所示? 7)進行保護和防潮處理^用硅 膠或環(huán)氧樹脂對試件表面進行貼敷，面積可適當(dāng) 擴大，覆蓋應(yīng)變片及其引線。

2.信號檢測與調(diào)理

從電橋電路可以看出，稱重傳感器輸出的是 兩路浮地的電壓信號，適合使用運算放大器進行 放大和調(diào)理。這里選用的是LM741構(gòu)成的測量放大 器電路^ LM741電壓適應(yīng)范圍較寬，可在±5?士 18V范圍內(nèi)選用，且具有很高的輸入共模、差模電 壓。內(nèi)含頻率補償和過載、短路保護電路，可通 過外接電位器進行調(diào)零。這樣電路具有交、直流 共模抑制大失真小等優(yōu)點，且便于信號的調(diào)零、 平衡等處理和調(diào)整。測量放大器電路如圖6所示。

3.信號轉(zhuǎn)換

檢測信號經(jīng)放大調(diào)理后，由A/D變換器轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號，送至由STC89S52構(gòu)成的計算處理部 件進行采集、處理和顯示。為了便于在教學(xué)過程 中進行調(diào)試和講解，選用了較為簡捷的并行輸出

A/D變換器ADC0804來完成信號的轉(zhuǎn)換。ADC0804 是一個8位、單通道、低價A/D轉(zhuǎn)換器，主要特點 是：模數(shù)轉(zhuǎn)換時間大約lOOus、方便的TTL或CMOS 標(biāo)準(zhǔn)接口、可滿足差分電壓輸入、具有參考電壓 輸入端、內(nèi)含時鐘發(fā)生器、單電源工作時(0V_5V) 輸入信號電壓范圍是0V_5V、不需要調(diào)零等。

利用ADC0804和卓片機進行信號模數(shù)轉(zhuǎn)換 的電路如圖7所示。

使用過程中可以通過調(diào)節(jié)Vref/2所連接的 電位器來調(diào)節(jié)稱重傳感器以及放大整理電路的 零點。由于電子秤的信號變化是單向的，因此應(yīng) 將未承重時放大與整理電路的輸出調(diào)到-2. 5V， ADC0804的Vref/2設(shè)為0V，稱重時輸出電壓上 升，A/D轉(zhuǎn)換可以獲得28=256的動態(tài)范圍。

4.計算處理及顯示

計算處理的部件由單片機STC89S52來實 現(xiàn)，承擔(dān)著采集A/D變換輸出數(shù)據(jù)、掃描鍵盤 輸入、輸出顯示數(shù)據(jù)、完成設(shè)定單價及計算 金額等電子秤功能。另外，在系統(tǒng)硬件標(biāo)定 的基礎(chǔ)上，也可通過這一部分來進行系統(tǒng)的 非線性擬合、誤差補償以及清零等功能。

電路設(shè)計上，單片機與周圍部件的連接 及端口分配情況如圖8所示。

其中，鍵盤采用了定制的4x4矩陣薄膜鍵 盤模塊，采用了CM12864-12液晶模塊，設(shè)計 了相應(yīng)的接口。

5.軟件

系統(tǒng)軟件使用Keil UVision V4編寫和調(diào) 試。軟件流程圖如圖9所示。

系統(tǒng)軟件狀態(tài)分為常規(guī)顯示、稱重顯示、 設(shè)定單價、標(biāo)校幾個狀態(tài)，通過對鍵盤事件的 處理進行轉(zhuǎn)換。

6.結(jié)語

上述數(shù)字顯示電子秤系統(tǒng)設(shè)計完成了基 本的稱重和顯示功能。在實際的應(yīng)用中，還 需要考慮幾個工程和工藝的問題。

6. 1溫度對應(yīng)變測量的影響

不論是試件還是應(yīng)變片傳感器，在溫度 發(fā)生變化的時候，會發(fā)生線膨脹，都會產(chǎn)生 性能的變化。要實現(xiàn)高精度稱重測量，必須 對其溫度誤差進行補償。

補償?shù)姆椒ㄓ袘?yīng)變片自補償?shù)姆椒ǎ?就是選用特定的敏感柵材料，使其電阻溫度 系數(shù)、靈敏系數(shù)以及線膨脹系數(shù)在溫度變化 時，能夠使電阻的變化率為0，達到溫度補償 的目的。在非全臂測量電橋的情況下，也可 以采用線路補償法。

6.2引線過長時進行導(dǎo)線電阻補償 非全橋檢測電路的情況下，如果稱重傳 感器導(dǎo)線過長，則需要對長導(dǎo)線電阻引起的 誤差進行補償，通常用三線制或四線制的連 接方法來完成。

6.3測量誤差的校正和補償 應(yīng)變片構(gòu)成稱重傳感器，從原理、材料、制 作工藝和溫度影響的情況下，會存在一定的非線 性特性，會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差，對這個 誤差的校正和補償是高精度稱重系統(tǒng)必不可少的 內(nèi)容。一種方法是對系統(tǒng)進行標(biāo)稱，再利用系統(tǒng) 的可編程部分進行擬合校正和補償。