基于单片机的电子称设计(3)

公式（3.1）可知：

C＝1.25×1×1.03×1×（20＋1.9）／1＝9.01205 （3.2）

为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。在实际工作中，要求称重传感器的有效量程在 20%～80%之间，线性好，精度高。重量误差应控制在±0.01Kg，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，根据式2.1 的计算结果，所以我们确定传感器的额定载荷为7.5Kg，允许过载为150%F.S，精度为0.05%，最大量程时误差 ±0.01kg，可以满足本系统的精度要求. 综合考虑,本设计采用 电阻应变式传感器（SP20C-G501）,其最大量程为7.5 Kg.称重传感器由组合式S 型梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置。由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，所以该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点，广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秤的一次仪表。 3.3 放大电路选型

称重传感器输出电压振幅范围0～20mV。而A/D 转换的输入电压要求为0～2V，因此放大环节要有100 倍左右的增益。对放大环节的要求是增益可调的（70～150 倍），根据本设计的实际情况增益设为100 倍即可，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。按照输入电压20mV，分辨率20000 码的情况，漂移要小于1uV。由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（±1uV），从而保证了放大环节对零点漂移的要求。残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。

根据称重传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成Δ R/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120Ω ，灵敏系数 K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000ε ，应变电阻相对变化量为：

Δ R/R = K×ε = 2×1000×10 －6 =0.002 （3.3）

由式（3.3） 可以看出电阻变化只有0.24Ω ，其电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的Δ R/R 变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A/D 转换芯片接收的信号。在前级处理电路部分，我们考虑可以采用以下几种方案： 方案一、利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路； 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

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毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。 方案二、主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路；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(如OP07)做成一个差动放大器。

方案三：采用专用仪表放大器，如：INA126，INA121 等构成前级处理电路。下面举例用INA128 仪用仪表 放大器来实现。一般说来，集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器。然而，绝大多数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。而集成化仪器放大器作为心电前置放大器时，由于极化电压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。有学者试图在前置放大器的输入端加上隔直电容（高通网络）来避免极化电压使高增益的前置放大器进入饱和状态，但由于信号源的内阻高，且两输入端不平衡，隔直电容（高通网络）使等共模干扰转变为差模干扰，结果适得其反，严重地损害了放大器的性能。

有以上分析以及基于电子秤的要求精确度不是很高，所以选择由普通放大器所组成的差动放大器作为本设计的信号放大电路。

3.4 A/D 转换器的选型

A/D 转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。目前，世界上有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC，也有近年来新发展起来的∑-Δ 型和流水线型ADC，多种类型的ADC 各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。目前， ADC 集成电路主要有以下几种类型：

（1）并行比较A/D 转换器：如ADC0808、 ADC0809 等 。并行比较ADC 是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1GSPS 以上，通常称为“闪烁式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的ADC 所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。缺点是：并行比较式 A/D 转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8 位，因此并行比较式 A/D 只适合于数字示波器等转换速度较快的仪器中，不适合本系统。

（2） 逐次逼近型A/D 转换器：如：ADS7805、ADS7804、AD574等。逐次逼近型ADC 是应用非常广泛的模/数转换方法，这一类型ADC 的优点：高速，采样速率可达 1MSPS；与其它 ADC 相比，功耗相当低；在分辨率低于12 位时，价格较低。缺点：在高于14 位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。 （3）积分型A/D 转换器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433 等。积分型 ADC 又称为双斜率或多斜率ADC，是应用比较广泛的一类转换器。它

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的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D 转换。积分型ADC 两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压VR。此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减小到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。这类ADC 主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。

其优点是：分辨率高，可达22 位；功耗低、成本低。缺点是：转换速率低，转换速率在12 位时为100～300SPS。 （4）压频变换型ADC：

其优点是：精度高、价格较低、功耗较低。

缺点是：类似于积分型ADC，其转换速率受到限制，12 位时为100～300SPS。 考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合，精度要求不是很苛刻，转换速率要求也不高，而双积分型A/D 转换器精度高，具有精确的差分输入，重要的是输入阻抗高（），可自动调零，有超量程信号输出，全部输出于TTL 电平兼容。且双积分型A/D 转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50Hz 的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。 根据系统的精度要求以及综合的分析其优点和缺点，本设计采用了12 位A/D 转换器 AD574 。

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第四章 系统前端硬件设计

4.1 电子称前端总体介绍

对于前端设计主要有三个方面： 一、电路由测量电桥，二、差动放大电路，三、A/D 转换电路。

从总的方面来考虑，传感器的使用应该尽量选用稳定性能高、使用寿命长、结构简单，但是又必须能使称重准确。控制电路要根据选用的传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。控制系统应简单实用，并且在称重时能够快速反应、准确计量。总体控制要考虑环境、所称重物体对电路的影响，在确保计量准确的情况下能够提高称重效率。前端设计电路示意图4-1如下所示：

图4-1 前端设计电路示意

电子称前端的工作原理：首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，以模拟信号的方式传送到 A/D 转换器。其次，由 A/D 转换电路把由差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送 A/D 转换电路中。再由 A/D 转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号送至单片机中。

4.2 电阻应变式传感器的应用 4.2.1传感器模块电路设计

电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1 欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。 桥式测量电路有四个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压E，另一个对角线为输出电压 Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变

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化。测量电桥如图4-2：

图4-2 桥式测量电路图

它由箔式电阻应变片电阻R 1 、R 2 、R 3 、R 4 组成测量电桥，测量电桥的电源由稳压电源 E 供给。物体的重量不同，电桥不平衡程度不同，指针式电表指示的数值也不同。滑动式线性可变电阻器R P1 作为物体重量弹性应变的传感器，组成 10 零调整电路。

SP20C-G501称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，其工作原理如图4-3 所示：

图4-3 电阻应变式传感器（SP20C-G501）原理图

其测量原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。由于内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出：

（4.1）

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