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力傳感器之電子枰的制作

時間:2017-06-10 05:40:56   點擊數:

人類認識和研究力的歷史很長, 對于力的正確認識和研究時間卻并不 ,因為力這個物理量既無法直接觀察, 也無法直接測量。從亞里士多德認為力 是維持物體運動的原因到伽利略認識到 力是改變物體運動的原因中間經歷了 兩千多年。正因為力無法直接觀察和測 必須借助力傳感器將其轉換為其它 物理量后進行測量。

感器

力傳感器的種類繁多如電阻應變 片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感 器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳 感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力 傳感器及電容式加速度傳感器等。但應 用最為廣泛的是電阻應變片壓力傳感 ,它具有極低的價格和較高的精度以 及較好的線性特性,市場上大部分稱重 量具比如電子枰都采用電阻應變式壓力 傳感器。咱們今天用電阻應變式稱重傳 感器開展兩套信號調理電路并針對其 特性進行物體重量的測量和顯示,最后 完成實用電子秤的制作。

儀表1.jpg

電阻應變式稱重傳感器的特性

在進入電路分析前有必要先了解下 電阻應變式傳感器的特性。電阻應變片 是一種將被測件上的應變量轉換成一種 電信號的敏感器件。如圖1所示為電 阻應變片的結構示意圖,它由基體材料、 金屬應變絲或應變箔片、絕緣保護片和 引出線等部分組成。

儀表2.jpg

當基體受力發生形變時電阻應變 片也一?產生形變使應變片的阻值發 生改變從而使加在電阻上的電壓發生 變化。這種應變片在受力時產生的阻值 變化通常較小,一般這種應變片都組成 應變電橋,并通過后續的儀表放大器進行放大。為了提高測量精度通常把四片應變片組合成全橋測量電路 如下圖2所示為電阻應變片全橋測量電路的電路模型。四個臂R1 R2R3R4都用電阻應變片代替。

在實際的生產應用中通常將四片電阻應變片通過特殊的材料緊 密的粘合在能產生力學應變的基體上。圖3所示為后續被使用到的 梁式電阻應變片稱重傳感器。類似于橫梁其中間通常留有一些孔 或槽上下兩面各貼有電阻應變片。整個傳感器由全橋電阻應變片 和基體構成當梁受力發生機械形變時電阻應變片也發生形變直接導致了電阻值的變化。在整個傳感器電路中會把 電阻值的變化直接轉換成輸出電壓值的變化。

儀表3.jpg

光有梁式稱重傳感器還不能制作成電子枰, 需要為梁式稱重傳感器打造一套可以稱重的拖盤結 如圖4所示,是電子秤的本 體機械圖包含稱重托盤、傳感 -橋臂和底座。

儀表4.jpg

分立件信號調理電路

橋臂式傳感器的信號調理電 采用儀表放大器進行放大。 儀表放大器是一種高增益、直流 耦合放大器它具有差分輸入、 單端輸出、高輸入阻抗和高共模 抑制比等特點。電路特點決定了 適應橋臂式傳感器的信號調理放 而運算放大器只有工作在雙 電源情況下才能對稱的進行零點 調節。因此不得不為電路設計雙 路輸出電源如圖5所示。傳感 器工作電壓由HT7550-S.0V LDO芯片供電,其中W2用于 電路零點調節,W1是放大倍數 調節也就是常說的量程。

儀表5.jpg

每一款傳感器的出廠性能都 不一致因此欲想得到準備的質 量與輸出電壓值必須對電路加 以調試首先是電路輸出調零。 所謂調零就是電子枰接入傳感 器信號電路后電子秤空載的輸出電壓必須為0V如果是簡易的調節W2電位器能就校準 輸出電壓,那么你的想法就錯了。真正能有效的校準這個信 號調理電路輸出為0V的方法如下。

這里使用了稱重傳感器標稱值為5Kg ,若稱重物體為 100g ,輸出電壓為0.1V ;若稱重物體為1kg ,輸出電壓為 IV。由此可以理論得到一個交好的線性關系y = k x + b ,其中y表示電壓x表示質量。因此對電 路校準輸出0V必須在電子秤空載的情況下先 W2進行調整用萬用表測量U66腳輸 出電壓為0V時完成第一步;然后將_lKg 的物體置于電子枰上測量輸出電壓值可能會 偏離IV ,此時調整W1進行量程核準使輸 出電壓為IV ;最后將lKg物體移走,再用萬 用表測量輸出電壓值若不為0V ,重新微調 W2以上步驟可以多重復幾次或更換不同 重量的物體測量使電路保證輸出準確的0V 測試連接如圖6所示其中電源部分使用萬能 板焊接的由雙路輸出變壓器供電控制器使  C51/AVR/Arduino 主板的 Arduino 部分。

儀表6.jpg

校準結束后可以取兩種不同重量的物體, 進行人工測量。求出線性關系中的斜率和截距, 方便后面的開發使用。筆者測量725g100g 兩個物體實際測量輸出電壓值分別為714mv 107mv ,兩點坐標值可以求出斜率k值為 0.9712 ,通過公式代入_個坐標值即可得出截 距b值為1.04552。有了這個線性關系可以 利用線性函數關系式實時測量傳感器的輸出電 壓進而計算出測試的稱重物體的質量。

接下來就可以測量下實際物體重量開始 進入電子枰制作工作中。使用Arduino芯片處 可以加速整個調試開發過程。Arduino 置了 10位精度的ADC $專換功能其簡易的電 子枰實現流程如圖7所示。

使用ArduinoA0接口采集輸出電壓值, Arduino調試窗口直接觀察稱重物體的質 量。圖8所示為測量725g物體的顯示的質量 從顯示數據上看其測量的輸出電壓值有漂移 浮動,使得計算出來的質量隨之跳動。

Arduino演示代碼如下:程序中使用了人 工標定后計算出的線性函數關系因子數和多次 采樣取平均值的濾波方法。 void setupQ9600 bits per second:

Serial.begin(9600);

}

//_平均濾波法 #define FILTER_N 10 float Filter()

{

int i;

float filter_sum = 0; for(i = 0; i < FILTER_N; i++)

{

int sensorValue = analogRead(AO);

// read the input on analog pin 0 // Convert the analog reading (which goes from 0 -1023) to a voltage (0 - 5V):

float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0); filter_sum += voltage;

II read the input on analog pin 0: delay(l);

}

return (float)(filter_sum / FILTER_N);

}

// the loop routine runs over and over again for-ever:

void loop()

{

float k = 0.9712; II人工標定計算出的斜率float b = 1.04552; //人工標定計算出的截距 II獲得濾波器輸出值

float Wei = ((Filter()*1000) - b) / k; // 線性函數 Serial.print(Wei,3); // print out the value you

read:

Serial.print( 'g');

Serial.print(" ");

Serial.print(Wei/1000,3); // print out the value you read:

Serial.println( "Kg"); delay(500);

}

-集成化數字電踣模塊

故名思義接下將要介紹的是用數字電路模塊用來采集 稱重傳感器的輸出動態電壓。此款模塊為電子秤專用模擬I 數字轉換器芯片,HX711其內部具有24A/D高精度 轉換器可輸入兩通道差分信號,其中通道A的増益可編 12864倍。工作電壓范圍在2.6V5.5V ,9為官 方提供的參考電路。

儀表7.jpg

由于將信號調理電路已集成為芯片所以就沒有了外圍 調節校準等工作也不存在標定和計算線性關系因子。接下 來將使用STC89C52RC單片機對模塊進行通信并將使用 4X4矩陣鍵盤對稱重物體進行計價操作,LCD1602顯示模 塊顯示質量、單價和支付金額同時在程序設計中増加負壓 和過壓檢測報警動作。

10是對lg的跳線進行稱重示意,其結果很穩定, 默認顯示的單位的Kg ;11是對稱重物體進行單價99

儀表8.jpg

元輸入后的計算應付金額為3.5 元。因為稱重傳感器會有受到托 盤的重力存在一定的毛重所以電子稱在進入初始化工作時必須對電子稱進行一次毛重計算 直接正常工作后當前稱重的數 據需要減去毛重這樣稱出來的 重量值才是實物的重量。此款電 子秤的實現流程基本和Ard u i - no版一樣只是大部工作均由 HX711芯片輔助處理了C51 只需要連續發送脈沖給HX711 后直接讀取出HX711已經轉換圖9 HX711模塊參考應用C51電子稱參考代碼如下所示:程序中Weight_Mao- pi變量就是電子稱上電后的對托盤稱重的毛重。其中轉換 后的數據除以100是用來縮小數據將后續計算出的單位 化為g ,4位有效值。而計算實物重量時除以4.22 , 個數值因不同的稱重傳感器特性曲線不一樣,每一個傳感器 都會有一個矯正值這里取值為4.22。當發現測試出來的 重量偏大時可加大這個數值反之減小該數值一般在4.0 5.0之間,計算式最后補加0.05是保證測量結果以四舍 五入百分位計算。完整驅動程序讀者們從《電子制作》雜志 社網站下載。

void GetWeight()

{

HX711_Buffer = HX711 Read();

HX711_Buffer = HX711 Buffer /100;

Weight_Shiwu = HX711_

Buffer;

Weight_Shiwu = Weight_

Shiwu - Weight_Maopi; // 取實物的AD采樣數值

Buzzer = 0; //負重量報警 }

else if(Weight_Shiwu > 5000) II壓力傳感器上總質量 大于5Kg的最大量程報警 {

Buzzer = 0;

}

else if(Weight_Shiwu > -200) //正常測量

Buzzer = 1; //關閉警報Weight_Shiwu (unsigned int)((float)Weight_

Shiwu / 4.22 + 0.05); // 算實物的實際重量

if(Weight_Shiwu < -300)

//稱重小于毛皮值說明負重 300克的漂移值

總結

通過兩種稱重傳感器信號處理電路的分析和實測,可總 結出。分立件儀表放大器電路結構復雜,電源供電復雜、調 試步驟繁多雖然線性度還是比較好但會存在若電源不穩 定、溫度上升、工作時間過長會影響輸出電壓發生漂移, 運算上增加了復雜的計算難度。而電子秤專用集成化芯片 供電簡單、功耗低、線路精簡、轉換精度高、無調試步驟、 無溫漂等影響

 

 


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