测控技术与仪器专业《传感器技术》课程设计任务书淮阴工学院电子与电气工程学院2014年06月专业方向课程设计课题：电阻应变式电子称班级测控1111学生姓名金梦磊学号 **********指导教师张青春淮阴工学院电子与电气工程学院目录1.系统方案设计1.1 概述1.2 检测原理1.3 系统原理框图2.系统硬件设计2.1 传感器选择及其特性2.2 测量电路2.3 信号采集电路2.4 单片机及外围电路2.5 总体电路图3.系统软件设计3.1 软件设计方法3.2 软件流程图3.3 软件清单及说明4.系统调试与验证4.1 调试过程4.2调试结果（仿真结果）截图4.3 误差分析5．课程设计体会与总结附录：1、参考资料 2、元器件表基于电阻式应变片式传感器的电子称设计`1.系统方案设计1.1概述随着时代的进步和科技的发展，电子称已经成为现代生活中不可或缺的一部分。

无论是做生意确定货物的重量，还是菜市场买菜看斤看两，还是没事减肥看看自己体重有没有减少，我们都需要使用称量道具，电子称以其便携，准确等优点占据着市场。

早期的电子称是通过模拟电路实现的，其抗干扰能力不足，准确也比较低。

现在的电子称都是通过微控制器，采用数字信号的方式，这样就克服了以前的缺点，还可以实现键盘控制以及超额报警等更能。

在学习了传感器，单片机，测控电路几门课程之后，我们可以自己设计出一个电子称了。

在我的设计中，我将采用电阻式应变片传感器进行测量，并采用放大器对传感器转换出的电压信号进行放大、达到A/D转换器输入电压的要求，采用8位A/D转换器将放大器产生的模拟信号转换成数字信号，单片机将接收到的数字处理后显示在4个数码管上（量程为0-1.999kg，所以只需要4个数码管），还需要蜂鸣器进行超量程报警，led灯显示电源的通断，两个拨位开关实现电源通断的控制，以及单片机的复位功能。

1.2检测原理电阻式应变片传感器是通过电阻的应变效应进行测量。

所谓的电阻应变效应就是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应的改变，这一物理现象称为“电阻应变效应“。

将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为测量电路。

电桥电路具有结构简单、灵敏度高，测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。

电桥电路的工作方分为单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小，线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能有所改善；全桥工作时的输出时单臂的四倍，性能最好。

因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或者全桥工作。

本课题采用全桥工作，其示意图如下：图1-1 应变片全桥实验原理图图中R1，R2，R3，R4为应变片，同侧应变片接在相对的两个桥臂上，异侧的应变片接在相邻的两个桥臂。

W1和r组成电桥调平衡网络，在没有压力的情况下电桥的输出理论为零，供电桥直流电源±4V。

传感器输出的电压范围为0-20mV，而A/D转换器的输入电压要求为0-2V,因此放大器需要有100倍左右的增益。

采用INA128放大器设计的调整电路如下图所示：图1-2基于INA128的共模抑制放大电路INA128的增益G=1+50KΩ/R G，确定R G的大小为500Ω左右。

图1-2的放大电路中，前级采用运放A1和A2组成并联型差动放大器。

阻容耦合电路放在前级放大器和后级放大器之间，这样可以为后级放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比。

同时由于潜质放大器的输出阻抗很低，又采用共模抑制技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称导致的共模干扰的情况发生。

后级电路采用价廉的仪器放大器，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，后级放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。

本课题采用精度高价格低廉、低功耗的12位A/D转换器来进行A/D转换。

因为要显示小数后3为，12位提供更高的分辨率。

1.3系统原理框图本课题设计的电子称由传感器、信号调整电路（放大电路）、模数转换电路、数码管显示电路、和超量程报警电路5个部分组成。

图1-3 电子称原理框图电子称的测量过程是把重量这种非电参数转换电参数即电压，并通过信号调节电路进行放大，把微弱的电压信号，mV级的转换成V 级的电压信号，再通过A/D转换器将电信号转换成数字信号送给单片机处理，单片机实现软件清零，软件调整，软件控制等功能，对A/D 转换器发送的信息进行处理，并作出判断，当小于最大量程时把数值显示在4个数码管上，当大于时蜂鸣器报警。

2.系统硬件设计2.1传感器的选择及其特性本课题采用电阻式应变片传感器，因为其在小重量的测量上具有较好的线性关系。

并且该传感器是我们最熟悉的一种，上课和实验都接触到，比较了解，设计起来比较容易。

我们选择具有过载保护的SP20C-G51，内部惠斯顿电桥具有抑制温度变化的影响，抑制干扰等特点。

其工作原理图如下图所示：图 2-1全桥应变式传感器其输出电压为：E out=R2×R4/(R2+R4)×（△R1/R1+△R2/R2+△R3/R3+△R4/R4）×E in在传感器实验课上，我们研究了电阻应变式压力传感器的输入和输出关系。

通过研究我们实验中测量的数据，我们发现：输入的重量和经放大器放大的电桥输出电压值成线性关系。

其结果如下表所示：表1-1应变片全桥特性实验数据重量20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 （g）从实验数据可以看出重量和电压的线性关系，我们只需要通过调整电路、运算电路、显示电路将测量的重量和显示的数值的线性系数求出来，就可以在数码管上显示出物体的重量。

2.2测量电路本设计中的测量电路是电阻应变片传感器，就是将被测物理量的变化转换成电阻的变化，在经相应的测量电路而最后显示或记录被测值得变化（显示电路时显示*.***）。

在这里，我们用电阻应变式传感器作为测量电路的核心，并根据设计书的要求，恰当地选择精度和范围度。

2.3 信号采集电路本课题的信号采集电路是由电阻应变片传感器、信号调整电路(放大器电路)和ICL7109组成。

传感器选择集成过载保护的SP20C-G501，内部含有电桥具有温度补偿的特点。

放大器需要提供100倍左右的增益，所以选择INA128放大器设计电路，并设置R G为500Ω。

物体的重量信号先被传感器采集并转换成电阻的变化，再通过电桥将电阻的变化转换成电压显示出来，因为传感器所产的电阻变化产生的电压信号微弱，需要经过放大才能达到A/D转换器的输入电压要求，经测量需要100倍左右的增益。

图2-2 信号采集电路中传感器和放大器通过调节Rg的阻值来改变放大倍数。

微弱信号Vi1和Vi2被分别放大后从INA128的第6脚输出。

A/D转换器ICL7109的输入电压变化范围是-10V～+10V，传感器的输出电压信号在0～20mv左右，因此放大器的放大倍数在500～600左右。

由于 ICL7109对高频干扰不敏感，所以滤波电路主要针对工频及其低次谐波引入的干扰。

因为压力信号变化十分缓慢，所以滤波电路可以把频率做得很低。

图2-3 ADC0804原理图经过放大电路的信号是模拟信号即模拟量，需要把它变成数字量才能送入单片机控制系统受理，所以需要有A/D转换电路。

由对传感器量程和精度的分析可知， A/D 转换器误差应在 0.03%以下：8位A/D精度： 2Kg/256=7.812克12 位 A/D 精度： 2Kg/4096=0.488g14 位 A/D 精度： 2Kg/16384=0.122g考虑到其他部分所带来的干扰 ,8位 A/D 无法满足系统精度要求。

作为一般小商品称重需求，我们只需要选择12位的A/D转换器就可以了。

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。

故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。

作为电子秤，系统对 AD的转换速度要求并不高，精度上12位的AD足以满足要求。

另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。

综合的分析其优点和缺点，我们最终选择了ICL7109。

ICL7109输出12位二进制码，且与微处理器有较好的兼容性，可与89C52直接相连，2.4 单片机及外围电路（1）电源电路系统没有能量的话还是不会工作的，所以还要有一个电源系统，单片机的标准电源是5V，可以有0.5V较大电压波动，传感器我用的是5V左右的电源，要求工作时电源要很稳定，所以我加了一个0805稳压芯片，它可以输出一个稳定的5V左右的电压。

INA118和OP07这连个运放都要求有+5V和-5V的双电源，所以我用了一个迪龙的DLM05-12D05，它可以实现输入12V电压输出+5V和-5V的两路电压。

图 2-4 电源模块原理图（2）数据处理系统数据处理系统核心就是单片机，单片机具有结构简单，实用方便，实现模块化，可靠性高，处理功能强，速度快,低电压，低功耗，控制功能强，环境适应能力强。

该智能电子秤采用P89C52X2BN作为CPU，它是一种低功耗高性能的八位CMOS微控制器，与MCS-51微控制器件兼容本设计的控制电路。

以单片机89C52为控制中心，负责接收数据和外接设备的信号，再处理数据，发出控制信号，以达到所需的要求。

单片机的P0口与A/D转换器的数据线、控制线直接相连。

键盘、显示器通过8279与单片机相接，单片机的P1口与8279的数据口相接，键盘的行线接8279的RL0—RL3， SL0—SL3经74LS138译码输出，连接键盘的列线， SL0—SL3又由74LS154译码输出，经7407驱动后到显示器LED 的各个位的公共阴极。

输出线OUTB0—OUTB3、OUTA0—OUTA3作为一个8位段选码数据输出端口，在连接32键以内的简单键盘时，CNTL、SHIFT输入端可接地。

图2-5数据处理系统（3）数据输出模块原理图数据输出模块由4个8位led数码管组成，实现电子秤输出重量数值的任务。

P1口做为数码管的段选数据的输出端口，输出数码管的段选信号，P22,P23，P24，P25作为数码管的位选端口，实现数码管的动态显示。

图 2-6 数码管显示3.系统软件设计3.1软件设计方法智能电子秤软件系统设计的基本思想是充分利用微机丰富的软件功能，实现称重过程一系列要求，提高系统可靠性，使得系统性能价格比达到最优。

智能电子秤作为一种实时性要求不是很高系统，用软件代替部分硬件功能很合算。