本文介紹了一款基于應變片的數字顯示電子秤實驗系統的設計和制作，系統由傳感器檢測電路、檢測信號放大電路、檢測信號轉換電路和顯示電路組成。該設計 是為了配合傳感器相關教學來進行的，注重系統的模塊化和輸入輸出的相對獨立性。文中重點介紹了應變片傳感器的制作過程和要點，以及針對應變片傳感器的電路調試的 步驟和要領。

為了配合面向電子信息工程技術專業學生的 《傳感器技術與測控》課程關于應變片傳感器的 項目式教學，設計了這個利用基于應變計的稱重 傳感器構成的數字顯示電子秤原型系統。

系統按照傳感與檢測系統的劃分方法， 分為傳感器、傳感信號調理、信號采集、信 號數據處理及顯示幾個部分，幫助學生加深 對傳感器和處理系統的領會和理解。

電路由傳感器檢測電路、檢測信號放大 電路、％測信號轉換電路和顯示電路組成， 如圖1所示。

其中，①電阻應變式傳感器由4只構成電橋 電路的應變計組成的構成稱重傳感器，完成將壓 力轉換為電壓信號；②差動放大電路由較為成熟 的由運算放大器構成的測量放大器（也稱為儀表 放大器）實現；③A/D轉換電路簡單地由一個8位 并行A/D轉換芯片來完成，便于調試和掌握該芯 片的應用；④單片機實現系統的控制；⑤鍵盤由 4x4矩陣鍵盤實現，利于學習者掌握鍵盤掃描的 原理和實現；⑥LCD顯示由LCD12864模塊實現。

1.稱重傳感器的制作

稱重傳感器的核心元件是電阻應變式傳感 器，它是一種利用電阻應變效應，將各種力學 量轉換為電信號的結構型傳感器。以金屬絲應 變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度 和截面積都會發生變化，可用下式表示：

式中：P—金屬導體的電阻率（Q*cm2/m)，

S—導體的截面積（cm2)，L 一導體的長度(m)。

為了檢測應變引起的電阻的變化，并 將電阻變化轉換為電壓的變化以利于信號采 集，應變計通常構成如圖2所示的電橋結構， 并按照行業常規進行分顏色引線。

對于圖3中的電子秤結構示意圖，需要通過 其核心的彈性懸臂結合應變計電路完成受力-即重 量-的測量。這里，應變計的裝貼是一個關鍵點。

稱重傳感器的制作包括一下幾個環節：1)設 計和制作彈性懸臂。為了加強固定承重塊和增加其 的應變性，懸臂被設計成中間帶孔澗的啞鈴形，如圖3中所示。2)選擇電阻應變片。對應變片的 電阻值和精度進行測量選擇，并選用合適尺寸的 應變片。這里選用的是阻值為350Q的BF350型應 變片。3)處理懸臂試件表面。去除油污銹跡等， 并進行45°交叉紋打磨，并清潔? 4)定位應變測 點。應變片粘貼的位置及方向均對應變測量有非 常大的影響，必須準確地粘貼在試件的應變測 點上，并保證方向與應變方向一致。5)粘貼應變 片。分清應變片的正反，上膠粘貼，注意如圖4 所示的定位對準。粘貼時用手進行滾壓趕出氣泡 并檢查是否貼合飽滿。貼好后檢查是否有短路、 斷路等現象。6)連接引線^_應變片引線較細，必 要時可配接接線柱。引線焊接時要快捷，免傷及 應變片。注意檢查引線是否與懸臂試件絕緣，且 無斷路。導線的最終引出用不同的顏色來表示， 如圖2和圖5所示? 7)進行保護和防潮處理^用硅 膠或環氧樹脂對試件表面進行貼敷，面積可適當 擴大，覆蓋應變片及其引線。

2.信號檢測與調理

從電橋電路可以看出，稱重傳感器輸出的是 兩路浮地的電壓信號，適合使用運算放大器進行 放大和調理。這里選用的是LM741構成的測量放大 器電路^ LM741電壓適應范圍較寬，可在±5?士 18V范圍內選用，且具有很高的輸入共模、差模電 壓。內含頻率補償和過載、短路保護電路，可通 過外接電位器進行調零。這樣電路具有交、直流 共模抑制大失真小等優點，且便于信號的調零、 平衡等處理和調整。測量放大器電路如圖6所示。

3.信號轉換

檢測信號經放大調理后，由A/D變換器轉換 為數字信號，送至由STC89S52構成的計算處理部 件進行采集、處理和顯示。為了便于在教學過程 中進行調試和講解，選用了較為簡捷的并行輸出

A/D變換器ADC0804來完成信號的轉換。ADC0804 是一個8位、單通道、低價A/D轉換器，主要特點 是：模數轉換時間大約lOOus、方便的TTL或CMOS 標準接口、可滿足差分電壓輸入、具有參考電壓 輸入端、內含時鐘發生器、單電源工作時(0V_5V) 輸入信號電壓范圍是0V_5V、不需要調零等。

利用ADC0804和卓片機進行信號模數轉換 的電路如圖7所示。

使用過程中可以通過調節Vref/2所連接的 電位器來調節稱重傳感器以及放大整理電路的 零點。由于電子秤的信號變化是單向的，因此應 將未承重時放大與整理電路的輸出調到-2. 5V， ADC0804的Vref/2設為0V，稱重時輸出電壓上 升，A/D轉換可以獲得28=256的動態范圍。

4.計算處理及顯示

計算處理的部件由單片機STC89S52來實 現，承擔著采集A/D變換輸出數據、掃描鍵盤 輸入、輸出顯示數據、完成設定單價及計算 金額等電子秤功能。另外，在系統硬件標定 的基礎上，也可通過這一部分來進行系統的 非線性擬合、誤差補償以及清零等功能。

電路設計上，單片機與周圍部件的連接 及端口分配情況如圖8所示。

其中，鍵盤采用了定制的4x4矩陣薄膜鍵 盤模塊，采用了CM12864-12液晶模塊，設計 了相應的接口。

5.軟件

系統軟件使用Keil UVision V4編寫和調 試。軟件流程圖如圖9所示。

系統軟件狀態分為常規顯示、稱重顯示、 設定單價、標校幾個狀態，通過對鍵盤事件的 處理進行轉換。

6.結語

上述數字顯示電子秤系統設計完成了基 本的稱重和顯示功能。在實際的應用中，還 需要考慮幾個工程和工藝的問題。

6. 1溫度對應變測量的影響

不論是試件還是應變片傳感器，在溫度 發生變化的時候，會發生線膨脹，都會產生 性能的變化。要實現高精度稱重測量，必須 對其溫度誤差進行補償。

補償的方法有應變片自補償的方法， 就是選用特定的敏感柵材料，使其電阻溫度 系數、靈敏系數以及線膨脹系數在溫度變化 時，能夠使電阻的變化率為0，達到溫度補償 的目的。在非全臂測量電橋的情況下，也可 以采用線路補償法。

6.2引線過長時進行導線電阻補償 非全橋檢測電路的情況下，如果稱重傳 感器導線過長，則需要對長導線電阻引起的 誤差進行補償，通常用三線制或四線制的連 接方法來完成。

6.3測量誤差的校正和補償 應變片構成稱重傳感器，從原理、材料、制 作工藝和溫度影響的情況下，會存在一定的非線 性特性，會對測量結果產生一定的誤差，對這個 誤差的校正和補償是高精度稱重系統必不可少的 內容。一種方法是對系統進行標稱，再利用系統 的可編程部分進行擬合校正和補償。