本文介紹了一款基于應(yīng)變片的數(shù)字顯示電子秤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì) 是為了配合傳感器相關(guān)教學(xué)來進(jìn)行的，注重系統(tǒng)的模塊化和輸入輸出的相對獨(dú)立性。文中重點(diǎn)介紹了應(yīng)變片傳感器的制作過程和要點(diǎn)，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(xiàng)目式教學(xué)，設(shè)計(jì)了這個(gè)利用基于應(yīng)變計(jì)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(gè)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(jì)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(yùn)算放大器構(gòu)成的測量放大器（也稱為儀表 放大器）實(shí)現(xiàn)；③A/D轉(zhuǎn)換電路簡單地由一個(gè)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(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制；⑤鍵盤由 4x4矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)，利于學(xué)習(xí)者掌握鍵盤掃描的 原理和實(shí)現(xiàn)；⑥LCD顯示由LCD12864模塊實(shí)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(shí)，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(jì)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(jìn)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(jì)電路完成受力-即重 量-的測量。這里，應(yīng)變計(jì)的裝貼是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

稱重傳感器的制作包括一下幾個(gè)環(huán)節(jié)：1)設(shè) 計(jì)和制作彈性懸臂。為了加強(qiáng)固定承重塊和增加其 的應(yīng)變性，懸臂被設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行45°交叉紋打磨，并清潔? 4)定位應(yīng)變測 點(diǎn)。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(diǎn)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(shí)用手進(jìn)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(xì)，必 要時(shí)可配接接線柱。引線焊接時(shí)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(jìn)行保護(hù)和防潮處理^用硅 膠或環(huán)氧樹脂對試件表面進(jìn)行貼敷，面積可適當(dāng) 擴(kuò)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(yùn)算放大器進(jìn)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(bǔ)償和過載、短路保護(hù)電路，可通 過外接電位器進(jìn)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(diǎn)，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(jì)算處理部 件進(jìn)行采集、處理和顯示。為了便于在教學(xué)過程 中進(jìn)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(gè)8位、單通道、低價(jià)A/D轉(zhuǎn)換器，主要特點(diǎn) 是：模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)鐘發(fā)生器、單電源工作時(shí)(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(jī)進(jìn)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(diǎn)。由于電子秤的信號變化是單向的，因此應(yīng) 將未承重時(shí)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(shí)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(jì)算處理及顯示

計(jì)算處理的部件由單片機(jī)STC89S52來實(shí) 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(jià)及計(jì)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(jìn)行系統(tǒng)的 非線性擬合、誤差補(bǔ)償以及清零等功能。

電路設(shè)計(jì)上，單片機(jī)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(jì) 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(jià)、標(biāo)校幾個(gè)狀態(tài)，通過對鍵盤事件的 處理進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

6.結(jié)語

上述數(shù)字顯示電子秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成了基 本的稱重和顯示功能。在實(shí)際的應(yīng)用中，還 需要考慮幾個(gè)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(shí)候，會發(fā)生線膨脹，都會產(chǎn)生 性能的變化。要實(shí)現(xiàn)高精度稱重測量，必須 對其溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袘?yīng)變片自補(bǔ)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(shí)，能夠使電阻的變化率為0，達(dá)到溫度補(bǔ)償 的目的。在非全臂測量電橋的情況下，也可 以采用線路補(bǔ)償法。

6.2引線過長時(shí)進(jìn)行導(dǎo)線電阻補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)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(gè) 誤差的校正和補(bǔ)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(jìn)行標(biāo)稱，再利用系統(tǒng) 的可編程部分進(jìn)行擬合校正和補(bǔ)償。