1.       設(shè)計思路  

本實驗采用懸臂梁傳感器，所稱物體產(chǎn)生的壓力由稱重傳感器檢測，并由傳感器測量電路轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬電信號輸出。稱重傳感器輸出的模擬量，數(shù)值一般很小，達(dá)不到A/D轉(zhuǎn)換接收的電壓范圍。所以送A/D轉(zhuǎn)換之前要對其進(jìn)行前端放大、整形濾波等處理。然后輸出信號再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量。由于本實驗采用的ICL7107是3位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，能直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管，故不需要使用單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換，ICL7107將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后直接將其轉(zhuǎn)化成七段LED顯示所需的字型碼，輸入到相應(yīng)的信號電極就實現(xiàn)了所稱物重數(shù)字量的輸出。

2.設(shè)計方案

將電阻絲應(yīng)變片粘貼到懸臂梁上合適的位置，并接入全橋測量電路，相對的橋臂受力相同，相鄰的橋臂受力相反，其中一對受拉力作用，另一對受壓力作用。由于電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值發(fā)生變化，從而引起電壓發(fā)生變化，即電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。利用電橋傳感器測應(yīng)力的變化，可以間接的測量物體的質(zhì)量。傳感器測出的信號經(jīng)過放大電路放大處理成為符合A/D輸入范圍的電信號后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，通過芯片內(nèi)部電路將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為LED可識別的七段字型碼送交LED顯示器顯示。   壓力測量儀的原理在該稱重系統(tǒng)的設(shè)計中有著極大的應(yīng)用。其大概的原理框圖主要由以下五個部分組成：傳感器、傳感器專用電源、信號放大系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及顯示器等組成。其原理框圖如圖1所示：

2.1稱重式傳感器

選擇合適的滿足要求的傳感器是實驗成功的關(guān)鍵，本實驗選擇CZL-1R稱重傳感器，其量程為3.0Kg，而要求的量程是0 ～ 1.999Kg，可見該傳感器的超載能力為：150%，在一定范圍內(nèi)的超載情況下具有保護(hù)作用；靈敏度:1mV/V；溫度靈敏度漂移：0.002%℃；輸入阻抗：405±15，輸出阻抗：350±15；激勵電壓：10V；工作溫度范圍：-20～+60℃。

2.2傳感器測量電路

懸臂梁傳感器的測量電路通常使用電橋測量電路，它將應(yīng)變電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，這就是可用的輸出信號。電橋電路由四個電阻組成，如圖2所示：橋臂電阻R1，R2，R3和R4，其中兩對角點AC接電源電壓VUSL10=，另兩個對角點BD為橋路的輸出USC，橋臂電阻為應(yīng)變電阻。

沒有外界壓力作用時，電橋平衡，則測量對角線上的輸出USC為零。當(dāng)傳感器受到外界物體重量影響時，電橋的橋臂阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，則測量對角線上有輸出，即0≠USC。

2.3傳感器供電電源

參考圖2，設(shè)四個橋臂的初始電阻相等且均為R，當(dāng)有重力作用時， 兩個橋臂電阻增加R△，而另外兩個橋臂的電阻減少，減小量也為R△。由于溫度變化影響使每個橋臂電阻均變化RT△。這里假設(shè)R△遠(yuǎn)小于R，并且電橋負(fù)載電阻為無窮大，則電橋的輸出為：

USC= E*(R+R+RT)/( R△△-R+RT +R+R+RT)△△△△- E*( R-R+RT)/( R+R+RT △△△△+R-R+RT) = E*R/△△△（R+RT△）

即  USC= E*R/△（R+RT△）

說明電橋的輸出與電橋的電源電壓E的大小和有關(guān)，還與溫度有關(guān)。如果0≠∆RT，則電橋的電源電壓E恒定時，電橋的輸出與△R/R成正比。當(dāng)△RT≠0時，即使電橋的電源電壓E恒定，電橋的輸出與R/R△也不成正比。這說明恒壓源供電不能消除溫度影響。

另外，使用電壓表監(jiān)測傳感器的供電電源(用數(shù)字萬用表電壓擋測量輸出電壓)，必須保證供給傳感器的電壓是恒定值，才能保證傳感器的輸出信號與被測量呈線性關(guān)系。

2.4放大系統(tǒng)

首先，壓力測量儀的放大系統(tǒng)是把傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大，放大的信號應(yīng)能滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的要求。該系統(tǒng)使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換是3位半A/D轉(zhuǎn)換，所以放大器的輸出應(yīng)為0V ～ 1.999V。要求靈敏度為1mV/V，其輸出信號只有0 ～10mV左右；而A/D轉(zhuǎn)換的輸入應(yīng)為0V ～ 1.999V，對應(yīng)顯示0 ～ 1.999Kg，當(dāng)量為1mV/g，因此要求放大器的放大倍數(shù)約為200倍，一般運算放大器的放大倍數(shù)為100左右，故采用二級放大器阻容連接組成。

其次，為了準(zhǔn)確測量，放大系統(tǒng)應(yīng)保證輸入級是高阻，輸出級是低阻，系統(tǒng)應(yīng)具有很高的抑制共模干擾的能力。在電路設(shè)計過程中需要考慮電路抗干擾環(huán)節(jié)及穩(wěn)定性。盡量選擇低失調(diào)電壓，低漂移，穩(wěn)定性高，經(jīng)濟(jì)性好的芯片。電源電壓為±12V。

，考慮到溫漂，失調(diào)電壓，秤盤重量，稱重過程中可能產(chǎn)生的電路沖擊和震蕩等影響測量的實際因素，電路中還應(yīng)有調(diào)零和調(diào)增益的環(huán)節(jié)，在稱重前對電子天平進(jìn)行反復(fù)調(diào)零，以保證電子天平在沒有稱重時顯示零讀數(shù)；并且測壓力時讀數(shù)正確反映被測壓力。

2.5模數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)

傳感器的輸出信號放大后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，本實驗中采用ICL7107三位半雙積分型AD轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，芯片型號：ICL7107CPL；芯片封裝：DIP40；該芯片的基本特點如下:

① ICL7107是31/2位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，屬于CMoS大規(guī)模集成電路，它的顯示值為士1999，分辨率為100uV，轉(zhuǎn)換為0.05士1 個字。

② 能直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管，不需要另加驅(qū)動器件，使整機(jī)線路簡化，采用士5V兩組電源供電，并將第21腳的GND接第30腳的IN 。

③ 在芯片內(nèi)部從V+與COM之間有一個穩(wěn)定性很高的2.8V基準(zhǔn)電源，通過電阻分壓器可獲得所需的基準(zhǔn)電壓VREF 。

④ 能通過內(nèi)部的模擬開關(guān)實現(xiàn)自動調(diào)零和自動極性顯示功能。

⑤ 輸入阻抗高，對輸入信號無衰減作用。

⑥ 整機(jī)組裝方便，無需外加有源器件，配上電阻、電容和LED共陽極數(shù)碼管就能構(gòu)成一只直流數(shù)字電壓表頭。

⑦ 噪音低，溫漂小，具有良好的可靠性，壽命長。

⑧ 芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。

⑨ 設(shè)有一個專門的小數(shù)點驅(qū)動信號。使用時可將LED共陽極數(shù)碼管公共端接V+。

⑩ 可以方便的進(jìn)行功能檢查。

因為ICL7107轉(zhuǎn)換器能直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管，不需要另加驅(qū)動器件，使整機(jī)線路簡化，所以只要在該芯片上配接LED共陽極數(shù)碼管就能構(gòu)成滿足要求的數(shù)字顯示表。

1.       課程設(shè)計小結(jié)

通過這個課題設(shè)計，我基本掌握了金屬應(yīng)變片組成的懸臂梁傳感器的正確使用方法；了解了壓力測量儀的工作原理及其在電子天平中的應(yīng)用。在設(shè)計初期，沒有一個整體的合理思路，包括要用到些什么器件也比較模糊。在對電子天平進(jìn)行了詳細(xì)的了解后，對設(shè)計中涉及到的原理有了一定的認(rèn)識和理解。明確了整體思路以后，就開始著手單元模塊的具體設(shè)計。這是設(shè)計成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在構(gòu)思好能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能的電路模塊后，要根據(jù)課題要求，認(rèn)真計算相關(guān)參數(shù)，根據(jù)實用性和經(jīng)濟(jì)性原則，選擇抗干擾能力強，工作效率高，經(jīng)濟(jì)實惠的元器件來實現(xiàn)電路設(shè)計。其中傳感器，運算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器以及LED顯示器的選擇是很關(guān)鍵的，要從眾多同類芯片中篩選出經(jīng)濟(jì)實用的型號器件來是個破費力氣但很必要的一個過程。

根據(jù)具體的設(shè)計要求，結(jié)合實際的使用環(huán)境，通過查閱相關(guān)資料，選擇合適并且經(jīng)濟(jì)的元器件，計算相關(guān)參數(shù)，設(shè)計單元電路等環(huán)節(jié)，一步一步向設(shè)計課題接近，這期間遇到了許多實際問題，都是在理論學(xué)習(xí)中接觸不到的，通過對這些問題的認(rèn)識和解決，我學(xué)到了許多知識技能，提高了自己的動手能力，分析問題、解決問題的能力以及對各元器件的的選擇篩選能力 

更多有關(guān)懸臂梁傳感器的資訊請參考：http://www.hbjingang.com/product/searchfile/11949.html