【摘要】本文介绍了一款基于应变片的数字显示电子秤实验系统的设计和制作，系统由传感器检测电路、检测信号放大电路、检测信号转换电路和显示电路组成。该设计是为了配合传感器相关教学来进行的，注重系统的模块化和输入输出的相对独立性。文中重点介绍了应变片传感器的制作过程和要点，以及针对应变片传感器的电路调试的步骤和要领。
【关键词】应变片;称重传感器;信号整理;A/D转换
Abstract：A strain-gauge-based electronic scale experimental system is introduced which is composed of sensor detecting circuit，signal amplifying and conditioning， signal converting and MCU with a LCD displaying modules.The aim of this design is to practice the project-oriented teaching section of strain-gauge sensor.The system is set into several modules with I/Os to enhance the practicing and understanding. The steps and key points to work out a weighting sensor with strain-gauges and load cell are emphasized.
Keywords：Strain Gauge;Weighting Sensor;Signal Conditioning;A/D Converting
为了配合面向电子信息工程技术专业学生的《传感器技术与测控》课程关于应变片传感器的项目式教学，设计了这个利用基于应变计的称重传感器构成的数字显示电子秤原型系统。
系统按照传感与检测系统的划分方法，分为传感器、传感信号调理、信号采集、信号数据处理及显示几个部分，帮助学生加深对传感器和处理系统的领会和理解。
电路由传感器检测电路、检测信号放大电路、检测信号转换电路和显示电路组成，如图1所示。
图1 系统组成框图
其中，①电阻应变式传感器由4只构成电桥电路的应变计组成的构成称重传感器，完成将压力转换为电压信号;②差动放大电路由较为成熟的由运算放大器构成的测量放大器（也称为仪表放大器）实现;③A/D转换电路简单地由一个8位并行A/D转换芯片来完成，便于调试和掌握该芯片的应用;④单片机实现系统的控制;⑤键盘由4x4矩阵键盘实现，利于学习者掌握键盘扫描的原理和实现;⑥LCD显示由LCD12864模块实现。
1.称重传感器的制作
称重传感器的核心元件是电阻应变式传感器，它是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，可用下式表示：
（1）
式中：―金属导体的电阻率（Ω・cm2/m），S―导体的截面积（cm2），L―导体的长度（m）。
为了检测应变引起的电阻的变化，并将电阻变化转换为电压的变化以利于信号采集，应变计通常构成如图2所示的电桥结构，并按照行业常规进行分颜色引线。
图2 电阻式应变传感器构成电桥电路
对于图3中的电子秤结构示意图，需要通过其核心的弹性悬臂结合应变计电路完成受力-即重量-的测量。这里，应变计的装贴是一个关键点。
图3 电子秤结构示意图
称重传感器的制作包括一下几个环节：1）设计和制作弹性悬臂。为了加强固定承重块和增加其的应变性，悬臂被设计成中间带孔洞的哑铃形，如图3中所示。2）选择电阻应变片。对应变片的电阻值和精度进行测量选择，并选用合适尺寸的应变片。这里选用的是阻值为350Ω的BF350型应变片。3）处理悬臂试件表面。去除油污锈迹等，并进行45°交叉纹打磨，并清洁。4）定位应变测点。应变片粘贴的位置及方向均对应变测量有非常大的影响，必须准确地粘贴在试件的应变测点上，并保证方向与应变方向一致。5）粘贴应变片。分清应变片的正反，上胶粘贴，注意如图4所示的定位对准。粘贴时用手进行滚压赶出气泡并检查是否贴合饱满。贴好后检查是否有短路、断路等现象。6）连接引线。应变片引线较细，必要时可配接接线柱。引线焊接时要快捷，免伤及应变片。注意检查引线是否与悬臂试件绝缘，且无断路。导线的最终引出用不同的颜色来表示，如图2和图5所示。7）进行保护和防潮处理。用硅胶或环氧树脂对试件表面进行贴敷，面积可适当扩大，覆盖应变片及其引线。
图4 应变测点的定位及应变片的粘贴
图5 悬臂应变片粘贴及引线颜色示意图
2.信号检测与调理
从电桥电路可以看出，称重传感器输出的是两路浮地的电压信号，适合使用运算放大器进行放大和调理。这里选用的是LM741构成的测量放大器电路。LM741电压适应范围较宽，可在±5～±18V范围内选用，且具有很高的输入共模、差模电压。内含频率补偿和过载、短路保护电路，可通过外接电位器进行调零。这样电路具有交、直流共模抑制大失真小等优点，且便于信号的调零、平衡等处理和调整。测量放大器电路如图6所示。
图6 测量放大器电路图
3.信号转换
检测信号经放大调理后，由A/D变换器转换为数字信号，送至由STC89S52构成的计算处理部件进行采集、处理和显示。为了便于在教学过程中进行调试和讲解，选用了较为简捷的并行输出A/D变换器ADC0804来完成信号的转换。ADC0804是一个8位、单通道、低价A/D转换器，主要特点是：模数转换时间大约100us、方便的TTL或CMOS标准接口、可满足差分电压输入、具有参考电压输入端、内含时钟发生器、单电源工作时（0V_5V）输入信号电压范围是0V_5V、不需要调零等。 利用ADC0804和单片机进行信号模数转换的电路如图7所示。
图7 ADC0804和单片机连接的电路图
使用过程中可以通过调节Vref/2所连接的电位器来调节称重传感器以及放大整理电路的零点。由于电子秤的信号变化是单向的，因此应将未承重时放大与整理电路的输出调到-2.5V，ADC0804的Vref/2设为0V，称重时输出电压上升，A/D转换可以获得28=256的动态范围。
4.计算处理及显示
计算处理的部件由单片机STC89S52来实现，承担着采集A/D变换输出数据、扫描键盘输入、输出显示数据、完成设定单价及计算金额等电子秤功能。另外，在系统硬件标定的基础上，也可通过这一部分来进行系统的非线性拟合、误差补偿以及清零等功能。
电路设计上，单片机与周围部件的连接及端口分配情况如图8所示。
图8 单片机布局和端口使用示意图
其中，键盘采用了定制的4x4矩阵薄膜键盘模块，采用了CM12864-12液晶模块，设计了相应的接口。
5.软件
系统软件使用Keil μVision V4编写和调试。软件流程图如图9所示。
图9 系统软件流程图
系统软件状态分为常规显示、称重显示、设定单价、标校几个状态，通过对键盘事件的处理进行转换。
6.结语
上述数字显示电子秤系统设计完成了基本的称重和显示功能。在实际的应用中，还需要考虑几个工程和工艺的问题。
6.1 温度对应变测量的影响
不论是试件还是应变片传感器，在温度发生变化的时候，会发生线膨胀，都会产生性能的变化。要实现高精度称重测量，必须对其温度误差进行补偿。
补偿的方法有应变片自补偿的方法，就是选用特定的敏感栅材料，使其电阻温度系数、灵敏系数以及线膨胀系数在温度变化时，能够使电阻的变化率为0，达到温度补偿的目的。在非全臂测量电桥的情况下，也可以采用线路补偿法。
6.2 引线过长时进行导线电阻补偿
非全桥检测电路的情况下，如果称重传感器导线过长，则需要对长导线电阻引起的误差进行补偿，通常用三线制或四线制的连接方法来完成。
6.3 测量误差的校正和补偿
应变片构成称重传感器，从原理、材料、制作工艺和温度影响的情况下，会存在一定的非线性特性，会对测量结果产生一定的误差，对这个误差的校正和补偿是高精度称重系统必不可少的内容。一种方法是对系统进行标称，再利用系统的可编程部分进行拟合校正和补偿。
参考文献
[1]Temperature Compensation for Strain Gauges：Theory and Practical Implementation.
[2]王来志.基于电阻应变片式传感器的电子秤设计[J].物联网技术，2014（02）.
[3]崔艳坤.基于单片机的电子秤的设计[J].黑龙江科技信息，2014（01）.
[4]李巧真.电阻应变片的实验与应用[J].实验室研究与探索，2011（04）.
作者简介：葛东旭（1965―），男，硕士，高级工程师，副教授，现供职于职应天职业技术学院，承担电子信息工程技术专业、通信专业的专业和信息管理与信息系统专业课程教学和科研工作;指导学生参加全国和江苏省电子类技能竞赛，多次获奖，研究方向：电子工程。
【摘要】本文介绍了一款基于应变片的数字显示电子秤实验系统的设计和制作，系统由传感器检测电路、检测信号放大电路、检测信号转换电路和显示电路组成。该设计是为了配合传感器相关教学来进行的，注重系统的模块化和输入输出的相对独立性。文中重点介绍了应变片传感器的制作过程和要点，以及针对应变片传感器的电路调试的步骤和要领。
【关键词】应变片;称重传感器;信号整理;A/D转换
Abstract：A strain-gauge-based electronic scale experimental system is introduced which is composed of sensor detecting circuit，signal amplifying and conditioning， signal converting and MCU with a LCD displaying modules.The aim of this design is to practice the project-oriented teaching section of strain-gauge sensor.The system is set into several modules with I/Os to enhance the practicing and understanding. The steps and key points to work out a weighting sensor with strain-gauges and load cell are emphasized.
Keywords：Strain Gauge;Weighting Sensor;Signal Conditioning;A/D Converting
为了配合面向电子信息工程技术专业学生的《传感器技术与测控》课程关于应变片传感器的项目式教学，设计了这个利用基于应变计的称重传感器构成的数字显示电子秤原型系统。
系统按照传感与检测系统的划分方法，分为传感器、传感信号调理、信号采集、信号数据处理及显示几个部分，帮助学生加深对传感器和处理系统的领会和理解。
电路由传感器检测电路、检测信号放大电路、检测信号转换电路和显示电路组成，如图1所示。
图1 系统组成框图
其中，①电阻应变式传感器由4只构成电桥电路的应变计组成的构成称重传感器，完成将压力转换为电压信号;②差动放大电路由较为成熟的由运算放大器构成的测量放大器（也称为仪表放大器）实现;③A/D转换电路简单地由一个8位并行A/D转换芯片来完成，便于调试和掌握该芯片的应用;④单片机实现系统的控制;⑤键盘由4x4矩阵键盘实现，利于学习者掌握键盘扫描的原理和实现;⑥LCD显示由LCD12864模块实现。
1.称重传感器的制作
称重传感器的核心元件是电阻应变式传感器，它是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，可用下式表示：
（1）
式中：―金属导体的电阻率（Ω・cm2/m），S―导体的截面积（cm2），L―导体的长度（m）。
为了检测应变引起的电阻的变化，并将电阻变化转换为电压的变化以利于信号采集，应变计通常构成如图2所示的电桥结构，并按照行业常规进行分颜色引线。
图2 电阻式应变传感器构成电桥电路
对于图3中的电子秤结构示意图，需要通过其核心的弹性悬臂结合应变计电路完成受力-即重量-的测量。这里，应变计的装贴是一个关键点。
图3 电子秤结构示意图
称重传感器的制作包括一下几个环节：1）设计和制作弹性悬臂。为了加强固定承重块和增加其的应变性，悬臂被设计成中间带孔洞的哑铃形，如图3中所示。2）选择电阻应变片。对应变片的电阻值和精度进行测量选择，并选用合适尺寸的应变片。这里选用的是阻值为350Ω的BF350型应变片。3）处理悬臂试件表面。去除油污锈迹等，并进行45°交叉纹打磨，并清洁。4）定位应变测点。应变片粘贴的位置及方向均对应变测量有非常大的影响，必须准确地粘贴在试件的应变测点上，并保证方向与应变方向一致。5）粘贴应变片。分清应变片的正反，上胶粘贴，注意如图4所示的定位对准。粘贴时用手进行滚压赶出气泡并检查是否贴合饱满。贴好后检查是否有短路、断路等现象。6）连接引线。应变片引线较细，必要时可配接接线柱。引线焊接时要快捷，免伤及应变片。注意检查引线是否与悬臂试件绝缘，且无断路。导线的最终引出用不同的颜色来表示，如图2和图5所示。7）进行保护和防潮处理。用硅胶或环氧树脂对试件表面进行贴敷，面积可适当扩大，覆盖应变片及其引线。
图4 应变测点的定位及应变片的粘贴
图5 悬臂应变片粘贴及引线颜色示意图
2.信号检测与调理
从电桥电路可以看出，称重传感器输出的是两路浮地的电压信号，适合使用运算放大器进行放大和调理。这里选用的是LM741构成的测量放大器电路。LM741电压适应范围较宽，可在±5～±18V范围内选用，且具有很高的输入共模、差模电压。内含频率补偿和过载、短路保护电路，可通过外接电位器进行调零。这样电路具有交、直流共模抑制大失真小等优点，且便于信号的调零、平衡等处理和调整。测量放大器电路如图6所示。
图6 测量放大器电路图
3.信号转换
检测信号经放大调理后，由A/D变换器转换为数字信号，送至由STC89S52构成的计算处理部件进行采集、处理和显示。为了便于在教学过程中进行调试和讲解，选用了较为简捷的并行输出A/D变换器ADC0804来完成信号的转换。ADC0804是一个8位、单通道、低价A/D转换器，主要特点是：模数转换时间大约100us、方便的TTL或CMOS标准接口、可满足差分电压输入、具有参考电压输入端、内含时钟发生器、单电源工作时（0V_5V）输入信号电压范围是0V_5V、不需要调零等。 利用ADC0804和单片机进行信号模数转换的电路如图7所示。
图7 ADC0804和单片机连接的电路图
使用过程中可以通过调节Vref/2所连接的电位器来调节称重传感器以及放大整理电路的零点。由于电子秤的信号变化是单向的，因此应将未承重时放大与整理电路的输出调到-2.5V，ADC0804的Vref/2设为0V，称重时输出电压上升，A/D转换可以获得28=256的动态范围。
4.计算处理及显示
计算处理的部件由单片机STC89S52来实现，承担着采集A/D变换输出数据、扫描键盘输入、输出显示数据、完成设定单价及计算金额等电子秤功能。另外，在系统硬件标定的基础上，也可通过这一部分来进行系统的非线性拟合、误差补偿以及清零等功能。
电路设计上，单片机与周围部件的连接及端口分配情况如图8所示。
图8 单片机布局和端口使用示意图
其中，键盘采用了定制的4x4矩阵薄膜键盘模块，采用了CM12864-12液晶模块，设计了相应的接口。
5.软件
系统软件使用Keil μVision V4编写和调试。软件流程图如图9所示。
图9 系统软件流程图
系统软件状态分为常规显示、称重显示、设定单价、标校几个状态，通过对键盘事件的处理进行转换。
6.结语
上述数字显示电子秤系统设计完成了基本的称重和显示功能。在实际的应用中，还需要考虑几个工程和工艺的问题。
6.1 温度对应变测量的影响
不论是试件还是应变片传感器，在温度发生变化的时候，会发生线膨胀，都会产生性能的变化。要实现高精度称重测量，必须对其温度误差进行补偿。
补偿的方法有应变片自补偿的方法，就是选用特定的敏感栅材料，使其电阻温度系数、灵敏系数以及线膨胀系数在温度变化时，能够使电阻的变化率为0，达到温度补偿的目的。在非全臂测量电桥的情况下，也可以采用线路补偿法。
6.2 引线过长时进行导线电阻补偿
非全桥检测电路的情况下，如果称重传感器导线过长，则需要对长导线电阻引起的误差进行补偿，通常用三线制或四线制的连接方法来完成。
6.3 测量误差的校正和补偿
应变片构成称重传感器，从原理、材料、制作工艺和温度影响的情况下，会存在一定的非线性特性，会对测量结果产生一定的误差，对这个误差的校正和补偿是高精度称重系统必不可少的内容。一种方法是对系统进行标称，再利用系统的可编程部分进行拟合校正和补偿。
参考文献
[1]Temperature Compensation for Strain Gauges：Theory and Practical Implementation.
[2]王来志.基于电阻应变片式传感器的电子秤设计[J].物联网技术，2014（02）.
[3]崔艳坤.基于单片机的电子秤的设计[J].黑龙江科技信息，2014（01）.
[4]李巧真.电阻应变片的实验与应用[J].实验室研究与探索，2011（04）.
作者简介：葛东旭（1965―），男，硕士，高级工程师，副教授，现供职于职应天职业技术学院，承担电子信息工程技术专业、通信专业的专业和信息管理与信息系统专业课程教学和科研工作;指导学生参加全国和江苏省电子类技能竞赛，多次获奖，研究方向：电子工程。