电阻应变式传感器的电子秤设计

张 慧 胡志刚

(江苏工程职业技术学院 江苏南通 226007)

0 引言

随着社会的发展，家庭和个人对各种便携式小型秤的需求越来越大。早期电子秤一般是通过模拟电路来实现的，随着电子技术的发展和数字芯片价格的逐渐降低，模拟控制已经慢慢被数字控制替代，而电子秤设计的模式也大多转变为以处理器为核心的模式，其精度与可靠性也都有明显的提高［1］。本文所设计的基于电阻应变式传感器的电子秤，是利用全桥电路测量原理，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，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)。

1 电子秤的设计方案

本电子秤主要由以下5部分组成:传感器电路、放大电路、A/D转换电路、单片机和液晶显示电路，如图1所示。

图1 电子秤的组成框图

具体测量过程如下:利用电阻应变片式称重传感器检测被测物体的重量，并将压力信号转换成与被称物体重量成一定函数关系(线性关系)的电压信号输出。放大电路把来自传感器微弱信号放大，放大、滤波后的电压信号经过A/D转换电路把模拟信号转换成数字信号，再送入单片机处理。数字信号经过单片机数据处理转换为实际重量信号，送液晶显示电路显示。

2 硬件电路设计

2.1 传感器电路部分

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力学量转换为电信号的传感器［2］。其原理是:弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在弹性体表面的电阻应变片也随同产生变形，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［3］。由于全桥式等臂电桥的灵敏度最高，非线性误差小，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，因此测量电路采用全桥式等臂电桥电路。如图2所示。

图2 传感器电路原理图

2.2 放大电路部分

由于传感器的输出为微弱的低频差分信号，其电压幅度为微伏级，必须经过放大电路进行放大，再进行测量。本设计采用两级放大电路，第一级是仪表放大器采用三个运放构成，第二级是进一步放大仪表放大器的输出电压。其接线如图3所示。

图3 放大电路原理图

2.3 A/D 转换电路

电子秤的A/D转换精度一般越高越好，因为A/D精度越高，则电子秤的灵敏度越高。若使用12位的A/D芯片则远较8位串行A/D芯片效果好，但其价格比较贵，考虑到实验室条件，本次设计采用8位串行 A/D芯片 ADC0808。ADC0809与AT89C51接线如图4所示。

2.4 单片机和液晶显示部分

AT89C51单片机是ATMEL公司生产的一种高性价比的单片机，其基本功能能够满足电子秤的设计要求。

图4 A/D转换电路

本设计LED显示数码管选用SM420564数码显示管。SM420564是一个4位带小数点的共阴数码显示管，数码管与AT89C51接线如图5所示。

图5 数码管和单片机接线图

3 软件电路与仿真

3.1 总程序模块设计

总的设计程序流程图如图6所示，显示程序设计流程图如图7所示。

3.2 仿真结果

由于应变电阻片在proteus软件上没有模型使得整体电路无法实现，所以用一个0～5 V的可调电压源代替输入放大信号。

图6 总程序流程图

图7 显示程序流程图

当输入信号为0 V时，LED数码显示管显示的数值如图8(a)所示;当输入信号为2 V时，LED数码显示管显示的数值如图8(b)所示。

4 测试结果及分析

电子秤输出电压与重量的关系，测试的数据如表1所示。

表1 全桥测量输出电压与负载重量的关系

当托盘上的质量为60 g时，LED数码管显示数值为0.09 V。如图9(a)所示，当托盘上的质量为140 g时，LED数码管显示数值为0.21 V。如图9(b)所示。

图8 仿真结果

图9 实物图

5 结束语

实验证明，基于电阻应变片式电子秤能够满足日常生活的需求，具有灵活性好、准确度高、使用简单方便的优点。本设计系统集单片机技术、传感器技术和数字显示技术等于一体，来源于学生实训制作，因此是很好的教学案例，并且稍加扩展，就能够具有更广泛的推广和应用价值。

［1］陈安.PIC单片机在超市收银台自动传送带中的应用［J］.工业控制计算机，2004，17(8):43-44.

［2］陈黎敏.传感器技术及其应用［M］.北京:机械工业出版社，2009:35-38.

［3］郭怀天.基于电阻应变式传感器的电子天平的研制［J］.微计算机信息，2007(16):140.