【文章內(nèi)容簡介】 圖 總體電路圖 7107 A1 A2 ∞ ∞ 稱重傳感器 放大電路 A/D 轉換 數(shù)碼管顯示電路 R1 R2 R3 R4 R5 R6 RP1 E 8 設計內(nèi)容及總體方案 、 要求 ： 電阻應變式傳感器 秤重范圍為 2kg 電路由測量電橋，差動放大電路， A/D 轉換電路，顯示電路組成 工作原理，附系統(tǒng)原理圖 首先利用由電阻應變式傳感器組成的測量電路測出物質的重量信號，以模擬信號的方式傳送到 A/D 轉換器。 其次，由 A/D 轉換電路把由差動放大器電路把傳感器輸出的微弱信號進行一定倍數(shù)的放大，然后送 A/D 轉換電路中。再由 A/D 轉換電路把接收到的模擬信號轉換成數(shù)字信號，傳送到顯示電路，最后由顯示電路顯示數(shù)據(jù)。 具體方案如下： 圖 21 電子秤的原理框圖 稱重傳感器輸出信號 放大 顯示電路 （ LED） A/D 轉換 電阻應變式傳感器輸出信號 差動放大電路放大信號 顯示電路 （ LED） A/D 轉換電路（雙積分） CPU 顯示電路 （ LED） 9 、 單元電路的具體設計 、 測量電路 ： 電阻應變式傳感器就是將被測物理量的變化轉換 阻值的變化 , 再經(jīng)相應的測量電路而最后顯示或記錄被測量值的變化。 在這里，我們用電阻應變式傳感器作為測量電路的核心。并應根據(jù)測量對象的要求，恰當?shù)剡x擇精度和范圍度。 、 電阻應變式傳感器的組成以及原理 ： 電阻應變式傳感器簡稱電阻應變計。當將電阻應變計用特殊膠劑粘在被測構件的表面上時，則敏感元件將隨構件一起變形，其電阻值也隨之變化，而電阻的變化與構件的變形保持一定的線性關系，進而通過相應的二次儀表系統(tǒng) 即可測得構件的變形。通過應變計在構件上的不同粘貼方式及電路的不同聯(lián)接，即 可測得重力、變形、扭矩等機械參數(shù) 、 電阻應變式傳感器的測量電路 ： 電阻應變片的電阻變化范圍為 — 歐姆。所以測量電路應當能精確測量出很小的電阻變化，在電阻應變傳感器中做常用的是橋式測量電路。 橋式測量電路有四個電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓 E，另一個對角線為輸出電壓 Uo。其特點是：當四個橋臂電阻達到相應的關系時，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，可利用靈 敏檢流計來測量，所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化測量電橋如圖： R5R6R1R3R2R4R p 1E 它由箔式電阻應變片電阻 R R R R4組成測量電橋，測量電橋的電源由穩(wěn)壓電源 E 供給。物體的重量不同，電橋不平衡程度不同，指針式電表指示的數(shù)值也不同?；瑒邮骄€性可變電阻器 RP1作為物體重量彈性應變的傳感器，組成 10 零調(diào)整電路，當載荷為 0 時，調(diào)節(jié) RP1使數(shù)碼顯示屏顯示零。 、 差動放大電路 ： 原理： 一個放大電路，即差動放大電路，主要的元件就是差動放大器。 在許多需要 用 A/D 轉換和數(shù)字采集的單片機系 統(tǒng)中， 多數(shù) 情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D 轉換器對輸入信號電平 ?要求， 在此 情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表 儀器放大器 的選型很多， 典型的差動放大器就是一種用途非常廣泛的儀表放大器 。它只需 高精度 LM358 和幾只電阻器，即可構成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應用于工業(yè)自動控制、儀器儀表、電氣測量 等 數(shù)字采集的系統(tǒng)中。 本設計中差動放大電路結構圖如下： 推導過程： I=721RVV ii ? Vo=(R8+R7+R8)I =(1+782RR )Vi， 則 Avf=1+782RR 放大電路與 ICL7107 的連線示意圖如下 A1 ∞ A2 ∞ R8 R8 R7 Vo Vi Vi1 Vi2 I 11 、 A/D 轉換 ： A/D 轉換的作用是進行模數(shù)轉換，把接收到的模擬信號轉換成數(shù)字信號輸出。在選擇 A/D 轉換時，先要確定 A/D 轉換的位數(shù)，該設計運用的是雙積分式 A/D 轉換器 ICL7107， A/D 轉換誤的位數(shù)確定與整個測量控制系統(tǒng)所需測量控制的范圍和精度有關，系統(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)很多，包括傳感 器的變換精度，信號預處理電路精度 A/D 轉換器以及輸出電路等。 、 ICL7107雙積分型的 A／ D轉換器 的 特點 7 段譯碼信號 直接 驅動 LED c. 位十進制 A/D 轉換器 、 雙積分 A/D轉換器 結構 常見 A/D 轉換器的轉換方式有積分式和非積分式兩類（如逐次逼近比較式 A/D 轉換器），雙積分式 A/D 轉換器的基本組成 電路結構組成 工作過程 1． 積分器 2． 檢零比較器 3． 時鐘脈沖控制門 4． 計數(shù)器和定時器 1．采樣過程： T1=2nTc 對被測電壓定時間積分，與 Vi 平均值相關 2．積分比較階段 對基準電壓回積分（定值積分） 3．休止階段 電容放電，積分器歸零 12 7107 在內(nèi)部結構、而 7107 直接驅動 LED（發(fā)光二極管）。電路的模擬部分通過自動調(diào)零、采樣和基準積分三個階段完成一次轉換，轉換速率為 3～ 4 次 /秒。 、 雙積分 A/D 轉換器電路 結構 常見 A/D 轉換器的轉換方式有積分式和非積分式兩類（如逐次逼近比較式 A/D 轉換器），雙積分式 A/D 轉換器的基本組成如圖，它由積分器、比較器、邏輯控制電路、閘門電路、計數(shù)器及時鐘脈沖源等電路所組成。 13 、 電壓表部分電路 應用 ： 用 7107 組成的 3 位半直流數(shù)字電壓表 主要硬件工作原理 及選用 電阻應變式稱重傳 感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。 由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分 所以在設計完電路要對各種原件的特性進行了解和論證下面就RP3 14 對電阻應變片、彈性體和檢測電路逐一介紹： 、 電阻應變片 電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù) K。我們來介紹一下它的意義。 設有一個金屬電阻絲，其長度為 L，橫截面是半徑為 r 的圓形，其面積記作 S，其電阻率記作 ρ，這種材料的泊松系數(shù)是 μ。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為 R： R = ρL/S（ Ω） （ 2—1） 當他的兩端受 F 力作用時，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設其伸長 ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少 Δr。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作 Δρ。 對式（ 21）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有： ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （ 2—2） 用式（ 21）去除式（ 22）得到 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S （ 2—3） 另外，我們知道導線的橫截面積 S = πr2，則 Δs = 2πr*Δr，所以 ΔS/S = 2Δr/r （ 2—4） 從材料力學我們知道 Δr/r = μΔL/L （ 2—5） 其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。 μ 是表示材料橫向效應泊松系數(shù)。把式（ 2—4）（ 2—5）代入（ 23），有 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L =（ 1 + 2μ（ Δρ/ρ） /（ ΔL/L）） *ΔL/L = K *ΔL/L （ 26） 其中 K = 1 + 2μ +（ Δρ/ρ） /（ ΔL/L） （２ ７） 式（ 26））說明了電阻應變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關系。 需要說明的是：靈敏度系數(shù) K 值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的 15 一個常數(shù)，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，不同的材料的 K 值一般在 —之間；其 次 K 值是一個無因次量，即它沒有量綱。 在材料力學中 ΔL/L 稱作為應變，記作 ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便 常常把它的百萬分之一作為單位，記作 με。這樣，式（２ ６）常寫作： ΔR/R = Kε (2—8) 、 彈性體 彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產(chǎn)生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高品質的應變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。 以托利多公司的 SB 系列稱 重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應力分布。 設有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。 肓孔底部中心是承受純剪應力，但其上、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神，一為壓縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點的應變表達式，而不再推導。 ε = （ 3Q（ 1+μ） /2Eb） *（ B（ H2h2） +bh2） / （ B（ H3h3） +bh3） （ 29） 其中： Q截面上的剪力； E揚氏模量： μ—泊松系數(shù)； B、 b、 H、 h—為梁的幾何 尺寸。 需要說明的是，上面分析的應力狀態(tài)均是 ―局部 ‖情況，而應變片實際感受的是 ―平均 ‖狀態(tài)。 、 彈性體的選用 ： 電阻應變片能把感受到的力轉換為電阻變化，再通過測量電路把電阻變化轉化為電壓變化。電阻應變式傳感器具有測量范圍廣、精度高、