【正文】 量指標(biāo)，是廣大用戶最關(guān)心的三大問題，同時也是我國稱重傳感器與工業(yè)發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品相比較的主要差距。在稱重傳感器主要技術(shù)指標(biāo)的基本概念和評價方法上，新舊國標(biāo)有質(zhì)的差異。舊國標(biāo)將應(yīng)用對象和使用環(huán)境條件完全不同的“稱重”和“測力”兩種傳感器合二為一來考慮，對試驗和評價方法未給予區(qū)分。 衡器上使用的一種力傳感器?？紤]到不同使用地點的重力加速度和空氣浮力對轉(zhuǎn)換的影響，稱重傳感器的性能指標(biāo)主要有線性誤差、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點溫度特性和靈敏度溫度特性等。國際法制計量組織(OIML)規(guī)定，傳感器的誤差帶δ占衡器誤差帶Δ的70％，稱重傳感器的線性誤差、滯后誤差以及在規(guī)定溫度范圍內(nèi)由于溫度對靈敏度的影響所引起的誤差等的總和不能超過誤差帶δ。 稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應(yīng)變式等8類，以電阻應(yīng)變式使用最廣。 由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。 電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。我們來介紹一下它的意義。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R： R=ρL/S（Ω）（24） 當(dāng)他的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。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。我們有： ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2 （25） 用式（24）去除式（25）得到 ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S （26） 另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S=πr2，則Δs=2πr*Δr，所以 ΔS/S=2Δr/r （27） 從材料力學(xué)我們知道: Δr/r=μΔL/L （28） 其中，負(fù)號表示伸長時，半徑方向是縮小的。把式（27）（28）代入（26），有 ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L =（1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L =K*ΔL/L （29） 其中 K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L） （210） 式（29）說明了電阻應(yīng)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(guān)系。在材料力學(xué)中ΔL/L稱作為應(yīng)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。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(dá)到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。 設(shè)有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。 ε=（3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2h2）+bh2）/（B（H3h3）+bh3） （212） 其中：Q截面上的剪力；E揚(yáng)氏模量：μ—泊松系數(shù)；B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。 檢測電路 檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥?其具體原理如下：惠斯登電橋原理圖1中，接通電源，調(diào)節(jié)電橋平衡，即調(diào)節(jié)電橋四個“臂”RRRRx，當(dāng)檢流計G的指針指零，B、D兩點電位相等，則有 式稱為比率k。根據(jù)待測電阻Rx大小選擇K，調(diào)節(jié)R3使檢流計G為零，由Rx = KR3 求出待測電阻Rx值。 因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。 調(diào)節(jié)模塊—可控硅（SCR）符號簡化與實物如圖2. 5所示：圖2. 5 符號簡化與實物圖 圖2. 6 可控硅等效模型、電路 可控硅是可控硅整流元件的簡稱,如圖2. 6所示，是一種具有三個PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件,，還可以用作無觸點開關(guān)以快速接通或切斷電路，實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變，將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等等。它的出現(xiàn)，使半導(dǎo)體技術(shù)從弱電領(lǐng)域進(jìn)入了強(qiáng)電領(lǐng)域，成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、軍事科研以至商業(yè)、民用電器等方面爭相采用的元件。 從晶閘管的內(nèi)部分析工作過程： 晶閘管是四層三端器件，它有JJJ3三個PN結(jié)，可以把它中間的NP分成兩部分，構(gòu)成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復(fù)合管。每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。 當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未受電壓的情況下，晶閘管的陽極電流Ia≈Ic0 晶閘關(guān)處于正向阻斷狀態(tài)。這樣強(qiáng)烈的正反饋過程迅速進(jìn)行。晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管在導(dǎo)通后，門極已失去作用。綜上所述，本系統(tǒng)所用可控硅選擇常用的S1612NH。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運(yùn)行。 較小的封裝和很低的功耗使LPC2131/2132/2134/2136/2138特別適用于訪問控制和POS機(jī)等小型應(yīng)用中；由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口和8/16/32kB的片內(nèi)SRAM，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟件modem、語音識別、低端成像，為這些應(yīng)用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強(qiáng)大的處理功能。其特性如下：l 16/32位ARM7TDMIS核，超小LQFP64封裝。 l 通過片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程/在應(yīng)用編程(ISP/IAP)。256字節(jié)行編程時間為1ms。l 1個(LPC2131/32)或2個(LPC2134/36/38)8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，共提供16路模擬輸入。l 2個32位定時器/外部事件計數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)和看門狗。l 向量中斷控制器。l 小型的LQFP64封裝上包含多達(dá)47個通用I/O口(可承受5V電壓)。l 通過片內(nèi)PLL(100us的設(shè)置時間)可實現(xiàn)最大為60MHz的 CPU操作頻率。l 多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個高速I2C總線（400kbit/s）、 SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP。l 可通過個別使能/禁止外部功能和外圍時鐘分頻來優(yōu)化功耗。l 單電源，具有上電復(fù)位(POR)和掉電檢測(BOD)電路，CPU操作電壓范圍：~ (177。 本系統(tǒng)設(shè)計采用廣州周立功單片機(jī)有限公司的LPC2131微處理器，它不但性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)獲取、存儲、傳輸精確，而且功能強(qiáng)大，有強(qiáng)大的拓展空間，便于系統(tǒng)的拓展與功能升級，而沒有選擇單片機(jī)。而實際稱量配料系統(tǒng)中，高效和精確往往是相互矛盾的。在隨后的章節(jié)中，不但全面闡述了系統(tǒng)總體設(shè)計思路和方案，而且詳細(xì)論證了本系統(tǒng)各個模塊的參數(shù)要求，結(jié)合系統(tǒng)實際需求和現(xiàn)有條件，最終通過比較得出最佳實施方案。整個電路系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：過零檢測電路：檢查交流電的過零點，以觸發(fā)主控芯片的外中斷，從而根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)每次下料量。前置放大電路：對A/D采樣信號進(jìn)行濾波、放大處理后以便于A/D采樣。主要硬件配置如圖3. 1所示。目前應(yīng)用在底層控制系統(tǒng)的微控制器主要有數(shù)字信號處理器DSP和8位，16位單片機(jī)兩種類型，單片機(jī)主要使用8位，16位處理器，硬件技術(shù)比較成熟，軟件編程相對簡單。DSP具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、速度快等優(yōu)點，且其體積較小，有利于電路板布局，但是DSP在中斷處理、位處理或邏輯操作方面不如單片機(jī)，且其資料相對不多，芯片價格和相應(yīng)的開發(fā)套件昂貴，專用性比較強(qiáng)，通用性比較弱。ARM本身是32位處理器，但是集成了16位的Thumb指令集，這使得ARM可以代替16位的處理器例如80C51系列單片機(jī)使用，同時具有32位處理器的速度。可以說，用單片機(jī)和DSP實現(xiàn)的系統(tǒng)，ARM都可以實現(xiàn)。另外，利用ARM處理器設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)還具有非常好的移植性，能夠使得技術(shù)真正用于生產(chǎn)生活，這是其他型處理器所不具備的特點。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。ARM公司自1990年正式成立以來，在32位RISC( ReducedIn structionS etC omputer)CPU開發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)己經(jīng)從V3發(fā)展到V6?，F(xiàn)在設(shè)計、生產(chǎn)ARM芯片的國際大公司已經(jīng)超過50多家，國內(nèi)多家大公司也己經(jīng)購買ARM公司的芯核用于通信專用芯片的設(shè)計。因此，本系統(tǒng)的嵌入式硬件開發(fā)平臺采用基于ARM7TDMI的微處理器LPC2131作為系統(tǒng)的主控制器。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡指令計算機(jī)（RISC）原理而設(shè)計的，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計算機(jī)要簡單的多，由此可見，使用一個小的、廉價的處理器核就非常容易實現(xiàn)很高的指令吞吐量和實時的中斷響應(yīng)。通常在執(zhí)行一條指令的同時就對下一條指令進(jìn)行譯碼，并對第三條指令從存儲器中取出如圖3. 2所示。基于Thumb的一個關(guān)鍵的概念就是“超精簡指令集”。因為Thumb代碼和ARM代碼一樣，是在相同的32位寄存器上進(jìn)行的操作。（更詳細(xì)的內(nèi)容，請參閱ARM官方網(wǎng)站上的ARM7TDMIS數(shù)據(jù)手冊） LPC2131簡介LPC2131是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMISTMCPU微控制器，并且代有32KB嵌入的高速Flash存儲器。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用32位Thumb模式將代碼規(guī)模降低30%以上，而性能的損失卻很小。l 8KB片內(nèi)靜態(tài)RAM。l 片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）。l EmbeddedICERT和嵌入式跟蹤接口，可實時調(diào)試（利用片內(nèi)RealMonitor軟件）和高速跟蹤執(zhí)行代碼。l 2個32位定時器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）和看門狗。l 多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個高速I2C接口（400Kb/s）、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP?？膳渲脙?yōu)先級和向量地址。l 多達(dá)9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳。l 片內(nèi)晶體振蕩電路支持頻率：1~30MHz。l 可通過個別使能/禁止外部功能和降低外部時鐘來優(yōu)化功耗。l 單電源供電，含有上電復(fù)位（POR）和掉電檢測（BOD）電路。 LPC2131包含一個支持仿真的ARM7TDMIS CPU 、與片內(nèi)存儲器控制器接口的ARM7局部總線，與中斷控制器接口的AMBA高性能總線AHB和連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI外設(shè)總線VPB。LPC2131的外設(shè)功能（中斷控制器除外）都連接到VPB總線上。該模塊必須由軟件進(jìn)行控制，以符合外設(shè)功能與引腳在特定應(yīng)用中的需要。圖3. 3 LPC2131開發(fā)板實物圖 LPC2131開發(fā)板組成LPC2131開發(fā)板主要集成有電源、復(fù)位電路、系統(tǒng)時鐘、JTAG接口電路等。電源經(jīng)78M05穩(wěn)壓至5V， 再經(jīng)過SPXI l 。其特點為輸出電流大，精度高，穩(wěn)定性高，功耗低。圖3. 4 系統(tǒng)電源電路 （2）復(fù)位電路由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時鐘源監(jiān)控和電源監(jiān)控可靠性等諸多也提供了更高的要求，因此復(fù)位電路使用帶I2C存儲器的電源監(jiān)控芯片CAT1025JI30，提高了系統(tǒng)的可靠性。圖3. 5 系統(tǒng)復(fù)位電路（3）系統(tǒng)時鐘電路，同時也為了準(zhǔn)確設(shè)置串口通信波特率。圖3. 6 系統(tǒng)時鐘電路（4）JTAG接口電路采用ARM公司提供的標(biāo)準(zhǔn)20腳JTAG仿真調(diào)試接口。原理圖如圖3. 7所示。過零檢測如圖3. 8所示： 圖3. 8 過零檢測電路 參數(shù)計算：因為電阻R1接的是9V左右，只要保證三極管正常工作時基極電流不會過大就可以，這里RR2取值如上圖所示，當(dāng)三極管導(dǎo)通的時候EINT0為低電平，啟動中斷?？煽毓栌|發(fā)控制如圖3. 9所示：圖3. 9 可控硅觸發(fā)控制電路 電路原理：三極管當(dāng)檢測到中斷時候，mat就會輸出高電平，從而變壓器T3開始工作，D2導(dǎo)通，晶閘管Q3導(dǎo)通，從而下料機(jī)工作。前置放大電路：由于稱重傳感器檢測到的電壓信號很小（約10—20mv），所以需要先進(jìn)行放大處理后才能進(jìn)行采樣。電路如圖3. 10所示：圖3. 10 前置放大電路 參數(shù)計算與電路分析：本電路采樣2級RC濾波電路實現(xiàn)凈化電壓信號功能，雙端輸入、單端輸出，左邊兩個放大器實現(xiàn)一級放大，其放大倍數(shù)為20左右（可調(diào)）。 鍵盤顯示電路 本系統(tǒng)中，用戶想了解系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀況，可以通過鍵盤和顯示系統(tǒng)獲取信息。圖3. 11 鍵盤顯示 主要器件選擇216。經(jīng)過良好的防潮密封，適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。 圖3. 12 GF2橋式稱重傳感器216。應(yīng)用范圍包括傳感器放大器，直流功放塊，和所有傳統(tǒng)放大器電路，現(xiàn)在可以更容易實施的單相