荷重传感器及电子秤课程设计

荷重传感器及电子秤课程设计姓名 _庞宇杰_班级 _11机械（秋）_学号 _1131001251410_校区 _闸北电大_2012年12月荷重传感器与电子秤一设计简述随着现代化生产的发展，电子秤在许多商业活动中已成为不可缺少的计量工具。电子秤作为一个典型的自动检测系统，也可以归纳为由三大环节所组成。 如图1所示一次仪表通常指的是传感器，它是由敏感元件，电路，机构等组成，是利用某些特殊材料对某些物理量具有一定的敏感，然后转换成电量（电压，电流）。电子秤所选用的是荷重传感器。 通常来自一次仪表的电信号比较弱小，不足以驱动显示器。为此还需要采用二次仪表对信号进行放大；来自一次仪表的电信号往往还夹带外部的干扰信号，必须把它去除，一般二次仪表还包括滤波电路用以消除干扰；传感器的转换关系往往并不服从线性关系，所以有时还需要进行适当的线性补偿处理。故称二次仪表为测量与显示部件。二次仪表的输出信号可能是模拟量，也可能是数字量。三次仪表是采用了计算机技术，所以要求二次仪表的输出信号必须是数字信号。三次仪表将进一步对信号进行处理并形成控制量输出。作为规模较小的仪表系统，三次仪表主要是以中央处理器为核心的数字电路，组成智能化仪表。使整个测量系统的性能与功能大大提高。图2所示的以单片机为核心部件组成三次仪表，它大大丰富了电子秤功能。各种各样形式的电子秤的仪表结构都是大同小异的，都必须利用荷重传感器来采集重量信号并变换成相应大小的电信号。电子秤的二次仪表把来自荷重传感器的微弱电压信号进行放大，滤波。这不仅为了提高灵敏度，更重要的是与下一环节的电路进行正确匹配。目前大多数电子秤是数字显示方式，所以模拟信号还必须作模数转换。有了A/D转换器的数码信号，就可以进行自动标度变换、自动超载报警、自动数字显示。还可以增加人机对话键盘、与外部设备的数据交换与通信、输出模拟或数字控制信号等功能。由此大大提高了性能。二荷重传感器1.概述荷重传感器是通过检验受力载体所受的载荷来完成对物体受力的测量的传感器装置。荷重传感器能将从载体传来的压力转化成相应的电信号，从而达到测量的目的。2. 荷重传感器的分类荷重传感器按原理的不同分为：轴销式荷重传感器、压力式荷重传感器、桥式荷重传感器、滑轮式荷重传感器、轴承座式荷重传感器、拉力式荷重传感器等。2.1应变片传感器在“传感器与测试技术”课程的学习中已经了解了应变效应。利用应变效应可以组成荷重传感器的论述并不多。如图3所示，为三种常见的应变片荷重传感器。 金属应变片荷重传感器 图（a）为圆柱式荷重传感器，弹性元件为合金钢材料。图（b）为梁式荷重传感器，弹性元件为弹簧钢材料。图（c）为S型剪切式荷重传感器弹性元件为铝合金材料。三种结构形式的荷重传感器均为压缩式受力，根据测重范围的需要，采用不同的弹性模量的材料。通常荷重传感器的测量范围与分辨率是互相制约的，测量范围越大，则分辨率越差。反之，测量范围越小，则分辨率越好。2.2 测量桥路一个成品的金属箔式应变片传感器，通常在受应变的弹性元件表面按对称位置粘贴四个同质应变片，以便构成全臂电桥。如图4所示，管式弹性体的贴片位置和测量电桥。全臂电桥的灵敏度最高，线性好，温度补偿性能也比较好。测量电桥的输出： （2-1）应变与荷重力的关系： （2-2）其中，F为荷重力，l为管状体受力长度，r为管状体半径，h为管壁厚度，E为杨氏模量，这是与弹性体材质有关。为了与不同称重范围相匹配，约定不同称重范围的最大应变量em保持一致。同一规格的荷重传感器当然选用相同的弹性体材质，只是通过管状弹性体管壁厚度h来匹配不同称重范围。另外，如（2-1）式，欲提高输出信号，可以提高工作电压E0。值得注意地是，过度提高工作电压E0，会导致应变片电阻通过的电流过大而自身发热引起温度带来的误差。一般标称的应变片电阻为120W，约定的工作电压E0为6V或12V。测量电桥的最大输出电压为6mV或12mV。根据不同的使用场合，电子秤的秤台上可以布置一个荷重传感器，也可以布置几个荷重传感器。低重位的小型电子秤一般只要布置一个荷重传感器（如商店15Kg电子秤），而大吨位平台式电子秤考虑到受力强度和平衡的关系，通常需要由4个荷重传感器来托起称重平台（如汽车地磅秤）。参见图5所示。 图5 荷重传感器的布置3. 荷重传感器的技术参数1、灵敏度：1.5mv/v0.1% 2、非线性与重复性：0.020.05%Fs 3、幡度：0.05%FS/3min 4、零点平衡：1%FS 5、零点与额定输出温度系数：0.03%FS/ 6、输入阻抗：70010 7、输出阻抗：70010 8、绝缘电阻：50M 9、工作电压：DC10V15V 10、补偿范围：-10+50 11、允许温度范围：-20+501三LM331v/f转换器1.概述LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/ D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331 采用了新的温度补偿能隙基准电路, 在整个工作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有极高的精度。LM331 的动态范围宽, 可达 100dB ; 线性度好, 最大非线性失真小于 0.01% ,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位; 外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F 或 F/V 等变换电路,并且容易保证转换精度。2. 电压-频率变换器工作原理右图是由 LM331 组成的电压频率变换电路。外接电阻 Rt 、Ct和定时比较器、复零晶体管、R-S触发器构成单稳定时电路。当输入端 Vi+输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使R-S触发器置位,Q输出高电平,输出驱动管导通,输出端fo为逻辑低电平,同时,电流开关打向右边,电流源 IR 对电容CL 充电。此时由于复零晶体管截止,电源 Vcc 也通过电阻 Rt 对电容 Ct 充电。当电容 Ct 两端充电电压大于 Vcc 的2/3 时,定时比较器输出一高电平, 使 R-S 触发器复位,Q 输出低电平,输出驱动管截止,输出端 fo 为逻辑 高电平,同时,复零晶体管导通,电容 Ct 通过复零晶体管迅速放电;电流开关打向左边,电容 CL 对电阻 RL放电。当电容 CL 放电电压等于输入电压 Vi 时,输入比较器再次输出高电平,使 R-S触发器置位,如此反复循环,构成自激振荡。 右图画出了电容 Ct、 CL 充放电和输出脉冲 f0 的波形。设电容 CL 的充电时间为 t1,放电时间为 t2,则根据电容 CL 上电荷平衡的原理,我们有: (IR-VL/RL)t1=t2VL/RL 下图为电容充放电输出波形图： 从上式可得: f0=1/(t1+t2)=VL/(RLIRt1) 实际上,该电路的VL 在很少的范围内(大约10mV)波动,因此, 可认为VL=Vi,故上式可以表 示为: f0=Vi/(RLIRt1) 可见,输出脉冲频率 f0 与输入电压 Vi成正比,从而实现了电压-频率变换。式中 IR 由内部 基准电压源供给的 1.90V 参考电压和外接电阻 Rs 决定,IR=1.90/Rs,改变 Rs 的值,可调节电路的转换增益,t1 由定时元件 Rt 和 Ct 决定,其关系是：t1=1.1RtCt, 典型值 Rt=6.8k,Ct=0.01µF,t1 =7.5µs。由 f0=Vi/(RLIRt)可知,电阻 Rs、RL、Rt 和电容 Ct 直接影响转换结果 f0,因此对元件的精度要有一定的要求,可根据转换精度适当选择。电容 CL 对转换结果虽然没有直接的影响。但应选择漏电流小的电容器。电阻 R1 和电容 C1 组成低通滤波器, 可减少输入电压中的干扰脉冲, 有利于提高转换精度。3应用下图由两块LM331组成的遥测电路。在人员不能进入或不易进入的场合，通过传感器将被测量转换为电压，经运算放大器放大为010V电压信号，由LM331 进行V/F变换为脉冲信号，通过长双绞线传输到测量室，在测量室内通过光电耦合器转换为幅 量室而造成的线路衰减或干扰，提高测量精度。当前，12 位以上的A/D转换器的价格仍较昂贵，用V/F变换器来代替A/D转换器，在要求速度不太高的场合是一种较好的选择。用LM331 构成的A/D变换器采集系统接口电路如图6 所示。 从传感器来的毫伏级的电压信号经低温漂运算放大器INA101 放大到010V后加到V/F变换器LM331的输入端，从频率输出端f0输出的频率信号加到单片机 8031 的输入端T1上。根据分辨率的要求利用软件(限于篇幅，程序部分略)处理，最后得到A/D转换的结果。四电子秤1.电子秤工作流程1.1程序每个系统程序都具有一个“初始化”程序段，所谓“初始化”就是定义某些特殊寄存器的功能，如定时器T0/T1的含义，中断字的设置，内部RAM的清理和预设等，这些工作是依据系统要求而设定的。如MAIN: CLR A MOV P1,A； P1口清零。 MOV TMOD #51H； T0为定时器，且自动赋初始值。 MOV TH0,#0F8H； 设置定时器初始值。 MOV TL0,#0CH MOV R6,#80h； 将内部RAM清零，范围#20H#7FH。 MOV R0,#20h CLR A MMM: MOV R0,A INC R0 DJNZ R6,MMM MOV SP,#40H； 堆栈入口地址为#40。 SETB EA 打开中断 SETB TR0; 启动定时器计数。 CLR 20H； 控制标志号预置。 键盘管理程序，单片机的键盘设计可以有两种方式来实现。一种是中断法，即在系统运行时任何时刻按下其中任一个按键都会向单片机提出中断申请。单片机立刻响应，停止当前工作转入中断服务程序。完成人机对话后再继续原来的工作。由于中断方式响应及时、优先权高，修改或补充任务不会破坏整个程序结构。但是有时会带来不利的因素，如电子秤处在信号采集时一旦中断，信号采集数据遭到破坏，读数发生明显错误。另外为了随时接收中断，外部中断始终开放着，容易受到电磁干扰的影响，导致误操作。另一种是查询方式，即在规定时刻才主动询问外部是否有按键按下，如果发现有按键信号，接下来根据按键入口位置来决定进行何种管理工作。这种方式受到时间段限制，灵活性不够并且程序编制比较困难。但是它能保证数据采集的完整性，也能防止电磁干扰的影响。本系统采用的是查询方式键盘管理。中断服务程序主要是完成定时对显示器各数码位进行刷新，实现动态显示。同时提供了基准时间，给出V/F转换器标准的采样闸门时间（100毫秒）。如下是一段可以支持上述功能的中断服务程序的典型程序。#30H#33HAM为显示缓冲区，#3FH为显示缓冲区指针，P1.7为串行数据线,P1.6为时钟线,#6CH为闸门时间计数器。P1.0P1.3为数码管选通线。TOB: PUSHPSW PUSHACC SETB PSW.3 SETB PSW.4 CLR P1.6 ANL P1,#0F0H MOV A,3FH MOV R0,A MOV A,R0 MOV R7,#08H ADD A,#1EH MOVC A,A+PC SSS: CLR C CLR P1.6NOP RLC A JC SST1 NOP CLR P1.7 AJMP SST2SST1: SETB P1.7SST2： SETB P1.6 CLR P1.6 DJNZ R7,SSS AJMP BBB NOP DB 3FH,06H,5DH,4FH,66H,6BH; 0,1,2,3,4,5; 七段码表格。 DB 7BH,0EH,7FH,6FH,7EH,7CH; 6,7,8,9,A,P, DB 39H,76H,79H,78H,0BFH,86H; C,H,E,F,0.1. BBB: MOV A,3FH CJNE A,#30H,RR1 SETB P1.0 AJMP RR5 RR1: CJNE A,#31H,RR2 SETB P1.1 AJMP RR5 RR2: CJNE A,#32H,RR3 SETB P1.2 AJMP RR5 RR3: CJNE A,#33H,RR4 SETB P1.3 RR4: MOV A,#2FH RR5: INC A MOV 3FH,A MOV A,6CH INC A MOV 6CH,A POPACC POPPSW RETI1.2工作流程图1.3电子秤原理图R10.11.12 2.2KR651KON/OFFCLOCKDATE34125687+5V7681415161918175 73 12 6P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P3.4P3.2P3.31234C30.01C40.1R1100KC20.01C10.01R268KR32KR48.2KR5100KC50.1 JM96ANLMC660AIMC8220F+6V+6VRSTX2X11453VCCWPSCLSDANCNCNCGNDAT89C2051-24PIIC4LM331NIC224LC02BIC3R76.8KC70.01R814KC61FC910FR98.2KC1030PC1130PJZ6M电子秤原理图1. 红色引线2. 绿色引线 3. 黑色引线 4. 白色引线 五实验5.1实验记录0本（本书）T=0.22ms（周期)G=0（显示重量）V=1.84（电压）10.274361.6520.308481.4830.3412631.3040.3816751.1350.4620890.9560.5825070.77六电子秤的市场应用6.1市场上电子秤作假1：密码作弊法 经营者在售卖商品时，预先给电子秤输入一个密码系数，使秤称重量减少。如输入的密码系数是1.1或1.2，称出的1斤的商品即变为1.1斤或1.2斤。消费者只要怀疑自己购买的商品与实际不符时，即可要求经营者将电子秤电源重新关、开一次，电子秤便会恢复正常。 2：冲击波法 即经营者在出售商品时，将商品重重地丢进秤盘，借助重力惯性，使电子秤数字显示瞬间人为增大，然后迅速将商品拿起，并报价收费。 3：存底数法 按常规，电子秤空秤数显屏应该是零数，不过有不法经营者称重前却已在显示重量的数字中事先储存一定数目的底数，这些底数便同所购商品一起计了价。一些粗心的消费者一般不会留意，经营者往往得逞。 4：带盘出售法 消费者在称重时看到电子秤空秤数显示确实为零，但经营者已先把秤盘拿下，然后将秤盘和商品一起放在电子秤上计量，秤盘的重量也就成了商品的重量。如果一个铝制秤盘按300克计算，消费者就不明不白吃了300克的亏。 5：暗中作假法 据介绍，部分不法经营者在结算金额时，通过对电子秤上按键的快速操作，在重量或单价上暗中加上零点几来相乘，结果使最后计算出来的总金额增加。 伎俩6：垫角法 秤不放平则不准，为了坑害消费者，有的商贩故意将桌子放斜，或是用硬币、纸板垫高秤一角，称的商品重量即偏重，造成缺斤少两。