数字显示电子秤.doc

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1、,本科学生毕业论文数 字 显 示 电 子 秤本科毕业生 :白 振 江指导教师 :蔡 燕学位级别 :工学学士专业 :电子信息工程所在单位 :应用技术学院Graduates ThesisFigures show that the electronic scales Name :Bai Zhen Jiang Tutor : Cai Yan Degree : BachelorProfession : Electronic and Information EngineeringFaculty : Application and Technology Institute目录摘要.4Abstract5第一章

2、 绪论61.1引言61.2选题背景与意义61.3 研究现状71.3.1影响因素.71.3.2产品质量.81.3.3发展方向.81.3.4电子称的智能化.91.4本设计的意义及应达到的技术要求.9第二章系统工作原理和总体方案设计112.1实验原理及设计基本思路112.1.1 系统工作原理112.1.2 系统设计基本思路112.2系统总体设计方案比较与论证12第三章 系统硬件设计163.1 单片机的选型163.1.1 STC89C52单片机性能介绍163.2 数据采集部分的方案确定213.2.1 传感器213.2.2 弹性体263.2.3 信号放大电路283.2.4 A/D转换的基本原理293.2

3、.5 HX711芯片的简介333.3 显示方案选择403.4 键盘输入433.5 电源电路433.6 系统电路图设计46第四章 系统软件部分484.1 系统总体设计484.2 重量显示494.3 按键程序处理514.4 LCD12864显示屏544.5 E2PROM操作54第五章 总结61参考文献62致谢64附录65附录1 英文资料原文和翻译166附录2 英文资料原文和翻译272附录3 系统原理图91附录4 PCB图92附录5 实物图93摘要随着微电子技术在新世纪的快速发展，市场上使用的传统称重工具已经完全不能满足人们的需求。多年来，人们一直期待测量准确、体积小巧、显示直观、价格低廉的电子秤能

4、够投放到市场上。电子秤便应运而生。电子秤凭借着传统称重工具不可代替的功能，例如称量方便，准确度高，自动化控制，操作简单，广泛的运用于人们生活，工业生产，科学研究中。本电子计价秤设计基于STC89C52单片机，量程为010千克。将桥式电阻应变式传感器输出的电压，利用HX711 内置放大电路，24位高速A/D转换器，转换为相应的数字信号，通过系统软件处理，在LCD12864液晶显示屏上显示所称得的重量，单片机读取重量并显示后，用户可以通过按键输入所称量物品的单价，确定输入之后即可算得本次称量所得物品的金额。通过单价设置按键，可存储常用物品的单价，方便以后称重的时候使用快捷键进行快速操作，并且还可以

5、取消价格重新输入。通过以上叙述，本次设计的电子秤在保证称量精度的同时，还要使其小巧化、价格低廉化，也因这些优点，相信其会得到大众的青睐。 关键词：电子秤 传感器 单片机STC89C52 Abstractwith the rapid development of Microelectronics technology in the new century， the using traditional tools in the market have been completely unable to meet the needs of people。People have been expect

6、ing cheap portable electronic scales which can measure accurately、smaller and easily reading for many years.Electronic scales have come into being。the electronic scale posses the function which traditional scale can not replace , such as weighing convenience, high accuracy, automatic control, simple

7、 operation, widely used in peoples lives, industrial production, scientific research。voltage outputted by the he resistance strain sensor bridge make use of HX711 Built-in amplifier，24-bit high speed A / D converter, Convert Corresponding Digital signal。The digital signal will be dealt by the progra

8、m in the MCU, then displayed the weight of the object on the 12864LCD. After 1602LCD display the objects weight, user can input the price of the object through keyboard, then the value of the object will be calculated and displayed。Price setting by buttons，it can store the price commonly used to fas

9、t opreration with Shortcuts when next weighing, and cancle the commonly price to re-enter.Through the above description, this design of electronic weighing scales to ensure accuracy at the same time, but also to small, low prices, because of these advantages, I believe the public will get its favor.

10、Keyword：Electronic Scale senser STC89C52 MCU第一章 绪论1.1 引言质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计量。以后，又采用简单的秤来测定质量。据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。21世纪，电子产品变得越来越丰富，给人们带来了很多很多的方便，其中电子秤成了人们生活中不可缺少的一部分。

11、大大小小的市场电子秤能够完成许多工作，为人们节省了时间，提高了工作效率。在超市里的一台电子秤，它能很精确的称出商品的重量，还能去除皮重，更主要的是，它其中预存了超市里商品的单价，当称出商品的重量后，电子秤马上就能算出价格，不管几种商品都能一一累加，最后列出清单，可以说非常的智能化，而且非常的精确。由此，顾客在购物的时候非常的放心，商家的效益也提高了，所以有了电子秤，顾客买的放心，商家也卖的开心了。1.2 选题背景与意义 电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子秤具有

12、称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。电子秤的设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。 目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技

13、术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。 1.3 研究现状1.3.1 影响因素随着科技的进步, 对电子秤的要求也越来越高。影响其精度的因素主要有: 机械结构、传感器和数显仪表。在机械结构方面，因材料结构强度和刚度的限制, 会使力的传递出现误差，而传感器输出特性存在非线性, 加上信号放大、模数转换等环节存在的非线性，使得整个系统的非线性误差变得不容忽视。因此，在高精度的称重场合，迫切需要电子秤能在线自动校正系统的非线性。1.3.2 产品质量目前市场上

14、主流的电子秤根据使用功能的不同包括以下几个类型：电子天平、电子计数秤、电子计价秤、电子台秤、电子吊钩秤、定量包装秤以及条形码电子秤等。面对种类如此繁多的电子秤，目前市场上存在许多不合格的电子秤产品。不合格问题主要表现在以下三个方面： 1、温度试验项目不符合标准规定；2、湿热试验项目达不到标准要求； 3、抗电脉冲串试验和抗静电放电试验项目不合格。造成产品不合格的原因主要有以下几个方面： 1、 称重传感器的质量不达标，制约了电子秤产品整体质量的提高；2、关键元器件未进行筛选和通电老化，造成电子计价秤质量失控； 3、部分产品设计上抗干扰能力不强；4、产品检验把关不严。面对目前市场上电子秤产品的总体质

15、量不高的局面，除了加强对电子秤产品的日常监督管理之外，还要从根本上推动技术的发展，促进电子秤产品质量的提高，更好地保护消费者的合法权益。1.3.3 发展方向电子秤不仅要向高精度、高可靠方向发展，而且更需向多种功能的方向发展。据悉, 目前电子秤的附加功能主要有以下几种：1、电子秤附加了计算机信息补偿处理装置，可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理；2、具有皮重、净重显示等特种功能。电子秤有些已具备了动态称量模式, 即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法, 消除上述的误差；3、小巧化，方面移动、携带。今后, 随着电子高科技的飞速发展, 电子秤技术的发展定将日新月异。同时, 功能更加齐全的

16、高精度的先进电子秤将会不断问世, 其应用范围也会更加拓宽。1.3.4 电子秤的智能化电子秤的称重功能是基于微电脑控制芯片处理器这一核心技术来实现的。由于目前在设计电子秤系统时大量地采用集成芯片，因此电子秤系统已经摆脱了以往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展。在此基础上可以实现系统功能的扩展，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。电子秤由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的电子秤有较高的性价比，在很多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。在具体开发电子秤的系统时应该根据用户的客观需要，再结合系统硬件和软件，从而可以开发出一套实际使用价值极大的电子秤系

17、统。目前，随着电子技术的飞速发展，微处理器应用技术的日趋成熟，必将推进基于微处理器为核心的电子秤系统功能的日趋完善，因此多元化智能电子秤具有广泛的应用前景和开发价值！1.4 本设计的意义及应达到的技术要求现代社会的发展， 对称重技术提出了更高的要求， 尤其是微处理技术和传感技术的巨大进步， 大大加速了这个进程。基于当前电子秤的现状和不足，人们高度重视发展小型化而由价格低廉的普及型的电子秤，设计一种体积小、重量轻、计量准确、读数直观、价格低廉的便携式电子秤已迫在眉睫。本设计就是基于以上需要，设计一种集体积小、计量准确、集质量称量功能与显示直观于一体电子秤， 能够满足一般商业贸易和居民家庭的使用需

18、求。这次设计的电子秤的主要技术要求：（1）量程：010kg（2）分度值：0.001kg（3）误差：小于0.005kg特色与创新：1、使用单片机为控制核心，大大简化了系统的组成构造，且单片机可拓展性强，可以很方便的对系统进行拓展和应用。2、使用键盘输入数据，操作简单，方便。3、中文液晶显示所称量的物品重量、单价、计算总价、存储常用单价、清楚错误输入等功能。本设计内容如下：制作一个电子秤（1）电路由传感器，放大器，A/D转换电路和显示电路组成（2）调试电路（3）掌握电路的设计，焊接与 调试的方法（4）总结设计的过程并写好论文 第二章 系统工作原理和总体方案设计电子秤的应用系统是由硬件和软件所组成。

19、硬件指单片机、扩展的存储器、扩展的输入输出设备等部分；软件是各种工作程序的总称。硬件和软件只有紧密配合、协调一致，才能提高系统的性能价格比。从一开始设计硬件时，就应考虑相应软件的设计方法，而软件设计是根据硬件原理和系统的功能要求进行的。2.1 实验原理及设计基本思路2.1.1 系统工作原理电子秤的工作原理。首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。2.1.2 系统设计基本思路按照设

20、计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。 2.2 系统总体设计方案比较与论证在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种：方案一 数码管显示方案结构简图如下图所示： 图2.1 数码管显示方案此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易

21、于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现电子秤基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示商品单价，总价的要求。又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。方案二 在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使电子秤实现称重计价的功能。 结构简图如下图所示：图2.2 带有键盘输入的结构简

22、图此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。方案三 前端信号处理时，选用放大、A/D转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物单价、总价等相关内容。结构简图如下图所示： 图2.3 LCD显示的方案目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根

23、据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。由于系统需要的按键较多，且需要有清除、存储单价功能因此要加一个键盘显示管理芯片（AT24CO1）。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。图2.4 单片机实现方案原理框图方案四 采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心，利用EDA软件编程，下载烧制实现。系统集成于一片Xilinx公司的Spartan系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用

24、范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。采用FPGA测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。从下图中可以看到系统的基本工作流程和各单元电路所用到的核心器件。其中控制器采用Xilinx公司可编程器件FPGA为核心，基于ISE软件平台，采用VHDL编程实现数据处理、LED和LCD驱动、时钟芯片的I2C通讯、键盘控制等模块。 图2.5 电子秤系统的组成结构图FPGA的逻辑容量密度大，集成度高，可大大减少印刷电路板的空间，减低系统功耗，同时还可以提高设计的工艺性和产品的可靠性。虽然以FPGA为核心的电子秤系统很优化，

25、但只有在大规模和超大规模集成电路中其高集成度才能更好得以体现。其主要在PC机接口卡的总线接口、程控交换机的信号处理与接口、雷达声纳系统的成像控制与数字处理、数控机床的测试系统等方面有广泛应用。鉴于本电子秤的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第三种设计方案。第三章 系统硬件设计3.1 单片机的选型单片机模块是整个系统的核心部分，承担了信号处理、键盘扫描、按键处理、显示控制、显示输出等至多重要的工作。最大限度地利用好单片机的资源，是一个系统性价比的关键所在在单片机的选择的出发点有以下两个方面：1：市场货源与价格：单片机的选用最好是作为产品大批量生产的，所选的型号必须

26、有稳定，充足，价格实惠的货源。2：单片机的研制周期在考虑单片机型号的时候，必须考虑单片机的类型是否熟悉，是否能马上进行系统设计。熟悉的单片机可以加快研制的进程本次设计我选择了STC89c52这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。3.1.1 STC89C52单片机性能介绍STC89C52RC单片机是宏晶公司推出的一款完全兼容MCS51的单片机，单片机片内集成了8K的FLASH程序存储器，512字节的RAM数据存储器，至少1K的E2PROM，2个数据指针，1个UART，8个中断源，4个中断优先级，3个定时器。单片机可通过32个I/O口与外部电路连接。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制

27、造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在线可编程，也适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程闪烁存储单元，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8K字节闪烁存储器，256字节读写存储器，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许读写存储器、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电

28、保护方式下，读写存储器内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。STC89C52单片机引脚功能VCC：电源。GND：地。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在闪烁编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”

29、时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送“1”。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在闪烁编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

30、P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。RST：复位输入。当晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接Vcc。在闪烁编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出

31、端。图3.1 STC89C52引脚图复位电路单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位。外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压与Vcc上的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压与Vcc上的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压就随着下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。电容C1可取1033F，R取10k，充电时间常数为1010-6

32、10103=100ms。晶振电路STC89C52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C2、C3构成并联谐振电路。当外接石英晶体时，电容C2、C3选30pF10pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C2、C3选40pF10pF。STC89C52系统中晶振频率一般在1.212MHz选择。外接电容C2、C3的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在设计电路板时，晶振和电容应靠近单片机，以便减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。在本系统中，选择了12MHz石英晶振，电容C1、C2为30p

33、F。其电路图如图2.7所示。图3.2 STC89C52单片机复位、晶振电路3.2 数据采集部分的方案确定3.2.1 传感器传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取

34、的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。方案一 压电传感器压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。 方案二 电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应

35、好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。 电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为 （2.1）式（2.1）中两极板间的距离； A两平行极板相互覆盖的有效面积；介质的相对介电常数；真空中介电常数。若被测量的变化使式中、A、三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素：（1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器

36、的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。因C太小，故容抗=1/C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率P=C ，C很小，则P也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 方案三 电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转

37、换为R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。下图为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源E： 图3.3 传感器结构原理图当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。当忽略电源的内阻时，由分压原理有： = （2.2）当满足条件R1R3=R2R4时，即（2.3）=0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡

38、条件。应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。若差动工作，即R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（2.2），则电桥输出为 (2.4) 应变片式传感器有如下特点：（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。（3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。题目要求称重范围010Kg，重量误差不大于0.005Kg，我

39、选择的是HL-8型电子称专用传感器，量程10Kg，精度为 0.05%，满量程时误差0.005Kg，完全满足本系统的精度要求。其内部示意图和接线图如下图3.4 图3.4技术参数表： 图3.53.2.2 弹性体物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后，物体能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。将弹性元件加上一些其他材料制作成一个有特殊形状的结构件，就是弹性体。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变区，使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变转换任

40、务。当被施加压力是，弹性体梁的上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。当今社会上采用的电阻应变式称重传感器的弹性体一般采用的是双孔平行梁式结构。双孔平行梁式弹性体正面图如图3所示。因为传感器弹性元件的尺寸应根据所需测量的最大量程而定，所以在设计电子秤时，是由其量程的需要而来设计弹性体的尺寸，其可参照如下推论。图3.6 双孔平行梁式弹性体正面图检测点应变值为 （29）式中，为检测点弯矩；E为材料弹性模数；为检测点抗弯模数。检测点抗弯模数为 （210）由根据相似三角形有 （211）所以

41、 （212）式中，b为弹性元件宽度；h为检测点截面厚度；为弹性元件两端最大弯矩；为最大称重；为双连孔的中心矩；L为弹性体长度。可推得检测点截面厚度h为 （213）开圆孔直径为 （214） （215）则刚度比K为 （216）K值可作为校验值，估计弹性体刚度是否足够。弹性体的尺寸按上述原则确定，其加工按常规工作规范，经热处理、线切割开孔、磨削等过程。图3.7应变式传感器安装示意图3.2.3 信号放大电路由称重传感器所传播的电压信号是以毫伏计，很难能够被A/D采集，所以要在传感器和A/D转换器之间加上一个放大电路放大电路方案选择放大电路的方案有以下几种方案方案一 利用普通低温漂运算放大器构成多级放大

42、器。普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以不宜采用。方案二 由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放做成一个差动放大器。但是，实际测量，每一级运放都会引入较大噪声。对精度影响较大。方案三 采用内置放大电路的AD转换IC，HX711。方案四：采用三极管构成的放大电路。 放大电路有3种基本形式：共射极放大电路，共基极放大电路和共集电极放大电路。在放大电路设计中，往往采用了几种不同的放大电路形式相互辅助。采用方案三。3.2.4 A/D转换的基本原理在

43、A/D转换器中，输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散量。所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间对模拟信号采样，然后再把该取样值用二进制数表示出来。由于将采样值再用二进制表示出来需要一定的时间，因此，采样后的模拟量还必须要保持、量化和编码等过程。所以，A/D转换过程一般要四步：采样、保持、量化和编码。（1）、采样和保持采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入的模拟量。 图3.8 采样电路 图2.13就是在一系列选定的时间瞬间对输入模拟信号进行采样的电路。电路中S是理想的模拟开关，CH是保持电容，S开关有采样脉冲信号VS控制。当VS高电平时，开关闭合VI(t)对电容CH充电（采样）；当VS低电平时，电容器上采样的电压保持。进而可画出采样后的波形，如图2.14所示。 图3.9 采样保持波形图为了能使采样后的信号不失真地再现原采样前的输入信号，由此，对采样的信号频率就有一定的要求。由采样定理得：，式中为输入模拟信号频谱中的最高频率成分。在实际的A/D转换中，允许存在一定的误差下，采样脉冲频率常按下式选取： 由于每次把采样得到的电压转换为数字量都需要一定的时间，所以采样以后必须再将采样电压保持一段时间。因此