基于单片机的电子称设计(4)

电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分所以在设计完电路要对各种原件的特性进行了解和论证下面就 R P3 14 对电阻应变片、弹性体和检测电路逐一介绍： 1 电阻应变片

电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。灵敏度系数 K 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K 值一般在1.7—3.6 之间。电阻应变片能把感受到的力转换为电阻变化，再通过测量电路把电阻变化转化为电压变化。 2 弹性体

弹性体是一个有特殊形状的结构件。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场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务。

4.2.2 提高传感器灵敏度的措施

为提高应变传感器的测量灵敏度，可采用8 片相同的应变片，其中4 片沿着轴向粘贴，另外4 片沿着环向粘贴. 采用8 片应变片组成应变式测力传感器，相比4 片应变片组成的电桥结构，可提高灵敏度1 倍左右，还可以提高传感器测量的线性特性。

要想提高传感器的灵敏度，可以在满足使用要求的情况下减小横截面积。但要考虑横截面积减小时，其抗弯能力减弱，对横向干扰的敏感程度增加。为了解决这一矛盾，在测量小集中力时，可以采用空心圆筒或承弯膜片，因为与实心圆柱体相比，空心圆筒在相同横截面积的情况下，横向刚度大，横向稳定性好。 另外，弹性圆柱体的高度对传感器的精度和动态特性都有影响，当高度与外径的比值大于1 时，沿其中间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的载荷性质和接触条件无关，在实际应用中，一般采用圆柱体的高度为外径的 2 倍。 使用应变式传感器测量力时，可以采用轮辐结构弹性元件来减小非线性误差，提高灵敏度。轮辐式测力传感器由轮圈、轮轱、轮辐条和应变片组成。轮辐条成对且对称地连接轮圈和轮轱，当外力作用在轮轱的上端面或者下端面时，矩形轮辐条就产生平行四边形变形，形成与外力成正比的切应变。8 片应变片与辐条水平中心成45°角，分别粘贴在4 根辐条的正反两面，并接成差动全桥测量电路，当被测力作用在轮轱端面上时。沿辐条对角线缩短方向的应变片受压，电阻值减

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小，沿辐条对角线伸长方向的应变片受拉，电阻值增加，并且电桥的输出电压与被测力之间具有良好的线性特性。且由于是按照剪切力作用原理设计的，力作用点位置的精度对传感器测量精度影响不大。轮辐和轮圈的刚度很大，因此过载能力很强，线性测量范围比较宽。 4.3 差动放大电路设计

一个差动放大电路，主要的元件就是差动放大器。在许多需要用A/D 转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足 A/D 转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。为了实现信号的放大，设计的差动放大电路结构图如图4-4：

图4-4 采用INA128设计的放大电路

1 前级采用运放A1 和A2 组成并联型差动放大器。理论上不难证明，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。更值得一提的是，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。

2 阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称（匹配）导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。

3 后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。 从理论上计算整个电路的共模抑制比为：

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CMRTotal?CMR1?CMR2??或CMRRTotal?20lgA1d?CMR2A1dA2d?A1cA2cA1d?CMR21

（4.2）

式中：CMR Total 或CMRRTotal－放大器的总共模抑制比；CMR1－第一级放大器的共模抑制比；CMR2 或CMRR2－第二级放大器的共模抑制比；A1d、A1c、A2d 和A2c－分别为第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。 经过实际测量，图4-4 所示的电路采用图中所给出的参数时，电路的共模抑制比在 120dB 以上。 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。 4.4 AD574的应用

AD574的软件设计流程图如图4-9所示。

图4-5 AD574软件流程图

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4.4.1 AD574介绍

AD574是12位逐次比较型A/D转换器，内部包含有与微型计算机接口的逻辑电路，可以很方便地与多种微型计算机系统相连，AD574内部具有参考电压源和时钟电路，给用户提供了方便。再加上其转换速度快，只有25ps，具有良好的性能价格比等优点，使得AD574成为目前在国内外应用较多的器件之一。 AD574芯片及引脚功能简介

AD574芯片是一种有28个引脚双列直插式的芯 片，其功能管脚图如图4-6所示。

图4-6 AD574芯片功能管脚图 各管脚的功能可以分成以下几部分来说明。 1 电源

AD574需要三种电压即士15V及+5V，其数字量输出为0一5V的TTL电平，而其D/A转换用的+10V参考电压，在芯片内部由+l5V经过降压电阻和一个带温度补偿的齐纳二极管产生。为了对参考电压进行微调，以调整D/A转换器的比例常数，从而达到微调A/D转换器的转换比例常数的目的。此10V参考电压并不是在内部直接引向D/A转换器，而是先从U*。uT(8脚)端引出，以便在外部经一个100。的微调电位器RZ再从UR工、(10脚)端接入，供给内部D/A转换器。 另外AD574内部还包括了一个偏置电压，如果待转换信号为双极性信号，而A/D

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芯片只能转换单极性信号，为了把双极性信号变换为单极性信号，在输入信号上迭加一个偏置电压，设信号最大输出电压为士SV(指峰一峰值)，对AD574芯片，应迭加一个十5V的偏置电压，这样即可使双极性信号变为单极性信号，如图4.7所示。

在用于双极性信号时可将+l0V的参考电压呱uT经过一个100。电位器Rl后接至U偏端，以便对偏置电压微调，实现零点调整。如果待转换信号为单极性信号时，可将U偏接地。

图4-7 双极性信号变换为单极性信号 2 模拟量输入Usr

AD574有两个模拟量输入端子，单极性输入时，10脚与8脚之间接电位器RZ，12脚接地。模拟输入电压在0一+l0V时，由13脚和9脚输入;在0一+20V时，由14脚和9脚输入端。若不需要满度校准，可将R2电位器换成50Ω士1%的电阻。双极性输入时，在8脚与10脚，8脚与12脚之间各接一个电位器Rl和R2。模拟输入电压为士5V时，由13脚和9脚输入;为士IOV时，由14脚和9脚输入。不需要满度调整时，将电位器R1和R2各换成50Ω士l%的电阻。 3 数字量输出

AD574为12位输出。内部有寄存器和三态门，因而允许将此12位输出线直接接至CPU的数据总线。平时AD574的12根输出线均呈高阻状态，在需要读数时由相应控制端的控制才能输出供CPU读取。 4 控制和状态线

AD574设有五个控制输入端(CE，CS，R/C,12/8和A。)和一个状态输出端STS，使其应用非 常灵活。

（1） CS:芯片选择线。CS=0，芯片被选中。

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