电子秤及其检测系统设计制造调试报告.docx

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电子秤及其检测系统设计制造调试报告

电子秤及其检测系统设计制造调试报告

XXX：

单片机

XXX：

传感器及调理电路

XXX：

上位机接口及Labview

实习主要内容：

1、参观企业：

1）南京计量院2）南京熊猫机电技术有限公司等

2、电子秤及其检测系统的设计；

3、电子秤及其检测系统制作；

1）双孔梁应变传感器的制作；

2）传感器调理电路制作与调试；

3）51单片机程序调试，实现电压信号的采集（AD0832模/数转换器），RS232串口程序。

（要求先在Proteus仿真平台进行仿真和调试，再下载到单片机开发板运行程序）

4）上位机程序设计调试：

在PC机上利用LabView编写虚拟仪器程序，实现与单片机的通讯，完成校准和对传感器静态特性曲线的显示，计算传感器的线性度、重复误差等静态指标。

传感器理论分析

称重传感器性能要求：

1）线性好；2）迟滞小；3）重复性好；4）零漂、蠕变小；5）测量结果与力的作用位置无关；

称重传感器的主要参数：

1）量程（60kg）；2）线性度；3）重复性；4）迟滞误差；5）灵敏度（包括放大器，V/kg）

敏感元件及其材料

常用弹性敏感元件：

弹性柱、梁筒、膜片

常用弹性元件材料：

铬钢、合金钢、铬锰弹簧钢、铍青铜、铝合金

对于弹性元件的要求

强度高：

具有较强的抗压（或抗拉）强度,以便在高载荷下有足够的安全性能。

温度系数小且稳定、弹性滞后、弹性后效小、良好的机械加工和热处理性能、耐蚀性能好。

铝合金好处：

强度高：

具有较强的抗压（或抗拉）强度,以便在高载荷下有足够的安全性能。

温度系数小且稳定。

弹性滞后、弹性后效小良好的机械加工和热处理性能、耐腐蚀性能好。

按变形形式分类：

柱式力传感器、剪切式力传感器、弯曲式力传感器

三大类优缺点：

在称重和测力领域，经常采用拉压式和弯曲式应变传感器，该电路在精度和稳定性上已达到一定的水平，但由于拉压式称重测力传感器的高度直接影响精度和横向稳定性，而且力点移动对输出信号有影响，拉压对称性差，尤其是当安装条件和标准条件不一致时，引起的误差更难估计。

而双孔梁称重测力传感器有零弯矩区，高度小，对加载方式和受力点移动不敏感，且抗偏心、抗侧向力，所以我们选用的称重传感器内部采用双孔梁作为弹性元件。

而近年来发展起来的梁式剪切称重测力传感器虽然消除了受力点变化对输出的影响，性能优良，但弹性体结构复杂，贴片也较困难，故本设计没有采用。

弯曲式力传感器分析：

1）悬臂梁式

问题：

传感器的输出随载荷的位置而改变。

双孔平行梁式

为了改善悬臂梁的特性，在提高动特性的同时也增加灵敏度，将梁做成各种形状，以改变其应力分布并增强刚度，双孔梁就是其中有代表性的一种。

双孔梁的结构如图所示，在板状梁上有两个孔，在梁的端部有集中力作用时，孔内承受弯曲变形。

将应变片粘贴在如图所示处，应变片处于相反的应力区内，当R1和R2的变形为拉伸时，R3和R4为压缩变形，四个应变片组成差动电桥，输出特性的线性度好。

另外，这种梁的刚度比单梁好，故动态特性好，滞后小。

根据应力分布图可以看出，受力点位置变化时，一孔的弯矩增加，另一孔的弯矩减小，可在桥路内自动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置的要求也有所降低。

问题：

1）为什么开孔？

σ=E*ε=M/WW反应灵敏度。

开孔面积越小，W越小，灵敏度越大。

2）如何保证输出与载荷位置无关？

电桥输出为：

结论：

电桥输出与载荷位置无关！

适合量程：

小量程。

对于平行梁有最大允许应力[]

估计[]=

设材料h=55mm,L=30mm,H=20mm,直径D=15mm，则

m=

取材料应力[σ]=350×10Pa,可求得m=490.5kg，则对于这样一个悬臂梁最大可测大约490.5kg的物体，所以测量60kg物体完全可以。

贴片工艺

电阻式应变传感器的精度不仅仅与电阻应变片的应变输出精度有关，还与应变片的粘贴工艺密切相关，因此，正确的粘贴工艺对保证粘贴质量，提高测试精度关系很大。

正确的粘贴工序主要包括：

应变片检查、应变片表面处理、应变片的粘贴、应变片的粘贴质量检查、引出线的处理、应变片的防潮处理等。

粘贴工序的每一步均需认真处理、严格操作，这样才能保证粘贴质量。

1、应变片检查

根据要求而选用应变片，要做外观和电阻值的检查，对精度要求较高的需求，还应复测应变片的灵敏度系数和横向灵敏度。

（1）外观检查

检查线栅或箔栅的排列是否整齐均匀，是否有造成短路、断路的部位或有锈蚀痕迹，引出线是否焊接牢固，上下基底是否有破损等。

（2）电阻值检查

经过外观检查并合格的应变片，要逐个进行电阻值的测量，并精确到0.05Ω，配对桥臂的应变计电阻值应尽量相同。

2、应变片表面处理

为使应变片粘贴牢固，必须要使粘贴的应变片表面部分平整光洁、无锈斑、氧化层、油污、灰尘等。

一般采用细砂纸或细纱布对应变计和基底安装表面进行交叉打磨，使应变片表面呈现细致、均匀粗糙的毛面，基底的表面积要稍大于应变片的面积，如有条件可采用喷砂处理，严禁划伤需要粘贴的表面。

打磨后的表面应采用纯度较高的无水乙醇或丙醇、三氯乙烯等清洁剂反复清洗，以确保粘贴面的清洁。

3、应变片的粘贴

在处理好的粘贴位置和应变计基底上，各涂上一层薄薄的粘合剂，待粘贴剂变稠后，将应变片准确粘贴在预定位置上。

并在其上放一层玻璃纸或塑料袋薄膜，然后用手顺着应变计的轴向挤出多余的粘贴剂并派出其中的气泡，注意在整个操作过程中都不能用手碰应变计的两个表面。

对粘贴好的应变计，依照粘贴剂说明书要求的温度、时间、压力等进行固化处理。

4、应变片的粘贴质量检查

1）外观检查

观察应变片的位置是否粘贴正确，并用放大镜观察粘合层是否有气泡，整个应变片是否全部粘贴牢固，有无造成短路、断路等危险的部位等。

（2）电阻值检查

应变片的电阻值在粘贴前后不应有较大的变化。

（3）绝缘电阻检查

应变片电阻丝与应变计试件之间的绝缘电阻一般应大于200MΩ，用于检查绝缘电阻的兆欧表，其电压一般不应高于250V，而且检查时间不宜过长，以防止应变片击穿。

5、引出线的处理

粘贴好的应变片引出线与测量用导线焊接在一起，为了防止应变片电阻丝和引出线被拉断，可用胶布将导线固定在试件表面，但固定是要考虑使引出线有弯曲的余量和引线与试件之间的绝缘

6、应变片的防潮处理

为了防止粘贴好的应变计受潮或者腐蚀物的浸蚀，要对粘贴固化好应变片进行防潮处理，防止影响测试精度和减少试件的使用寿命。

可在应变片上涂上石蜡或蜂蜡融化后涂在应变片表面，或者用防水胶如803等涂抹在应变片表面，这样可以长时间防潮。

测量电路及矫正电路

理论设计了恒流源供电的信号放大滤波电路，电原理图如下：

根据传感器知识，设计采用恒流源对电桥供电（供电电流I=5~10mA）；放大线路采用了三运放结构的测量放大器，两个对称的同相放大器构成第一级，第二级为差动放大器。

在第一级两个放大器的同相端均通过一个电容接地，起到低通滤波的作用。

测量放大器第一级闭环放大倍数为

第二级的闭环放大倍数为

为了提高电路的抗共模能力和抑制漂移的影响，根据上下对称原则取R6=R7，R8=R9，R10=R11，则整个放大器的闭环放大倍数为

若取R8=R9=R10=R11，则放大电路放大倍数为

即放大器的增益为

此电路具有以下几项优点：

1、采用电流源对电桥供电，使电桥非线性误差减小一半，提高了电桥的测量精度。

2、改变电阻RG的大小，可以方便地调节放大器的增益。

3、测量放大器具有很高的共模抑制能力。

因为共模电压作用在RG两端不会产生电位差，从而RG上不存在共模分量对应电流，也就不会引起输出。

4、当运放A1和A2的参数匹配，失调误差大大减小，具体表现为由第一级两个运放失调电压

和

引起失调误差相互抵消，

折算到放大器输入端的值为

，等效失调参数很小。

电路对放大器的要求：

1、由上述分析可知，运放A1，A2的参数应当匹配，保证两者的失调误差抵消，而对运放A3的失调参数要求可以相对降低。

通常选取R6=R7，抵消运放A1和A2本身共模抑制比不等造成的误差和克服失调参数及其漂移的影响。

2、测量放大器虽然具有很高的共模抑制能力，但是对于交流工模电压，不能完全抑制。

一方面可以通过采用“驱动屏蔽”技术来抑制，由于实验限制，此处未采用此种方法；另一方面测量放大器的共模抑制能力还受到运放本身的共模抑制比的影响。

设计时通常将第一级的增益设得大些，而第二级的增益小些，把提高第二级的共模抑制比放在首位以提高整个放大器的共模抑制比。

但由于实验室不具备恒流源，在实际使用中，电桥仍是采用电压源供电。

整个信号放大电路如下：

关于电路的几点说明：

放大线路仍采用三运放结构的测量放大器，两个对称的同相放大器构成第一级，第二级为差动放大器，反馈电阻并联电容具有低通滤波的作用。

1、放大电路放大倍数及增益调节范围：

取R9=R10=5.1k，R12=R13=R14=R15=51k，放大电路放大倍数为

及放大器的增益为

当RG即R11电阻取值在（0~5）k变化，放大器的增益变化范围为（3.04~∞）

2、电桥调零参数选择依据

根据所学传感器知识，接成调零电路后，要求电桥处于平衡状态即电桥输出为0。

各个桥臂阻值变化为

，当R5接在R6最左端时

，当R5接在R6最右端时

R5/kΩ

5

10

20

50

100

200

/Ω

22.90

11.84

6.02

2.43

1.22

0.61

ΔR’max/R

0.065

0.034

0.017

0.007

0.0035

0.0017

由上两式可见，R5的大小决定了平衡范围，R5越小，调节平衡的范围就越大。

下表是电阻应变敏感元件的阻值R=350Ω，选用不同值的R5时，可调节的桥臂电阻值：

恒压电桥中的电阻平衡电路会引起电桥输出的变化并引起非线性误差。

由电桥电路分析可知两个极限位置的输出电压的差

由平衡电路造成的传感器的灵敏度误差

由上两式可知ΔR/R5和ΔR/R应尽可能小，由上面表格分析得

3、运放型号：

OP07

Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

特点：

超低偏移：

 150μV最大 。

低输入偏置电流：

 1.8nA 。

低失调电压漂移：

 0.5μV/℃ 。

最大  高电源电压范围：

 ±3V至±22V 

工作电源电压范围是±3V~±18V。

OP07可以用单电源供电，但是线性区间太小，单电源供电，模拟地在1/2 VCC。

建议电源最好>8V，否则线性区实在太小，放大倍数无法做大，一不小心，就充顶饱和了。

一般使用+12V，-12V双电源供电。

OP07是微电流放大器，和普通运放一样都用于放大电路。

但是OP07的输入灵敏度更高，不同型号后缀的OP07其输入的灵敏度不同，工作温度范围也不一样。

单片机部分

硬件部分

测试系统：

悬臂梁传感器测得的电压信号经过调理电路的滤波与

放大后由AD0832采集转换为数字量传入单片机进行处理，单片

机与上位机通过RS232协议进行通信。

具体硬件实现方式

软件部分

单片机程序：

单片机通过AD0832将传感器传过来的模拟电压量转换为数字量，然后经过一个低通滤波器滤除高频噪声。

滤波后的信号经过量纲转换转化为载荷量的输出，并通过数码管动态显示载荷量。

当PC机向单片机发出请求信号时，单片机与上位机进行通信，通信方式为8位异步串行通信方式，通过中断方式实现。

单片机主流程图

心得体会

这次实习我主要负责单片机部分。

刚开始拿到题目的时候我完全不知道该从何处下手，只能一遍又一遍的看题，然后一步步分析题目的具体要求。

根据测试系统的电路图，我知道需要一个A/D转换模块，之前在课本上我们学过A/D转换，所以在概念上比较好理解，只是这次用的芯片是AD0832，是之前没有学过的，于是我只能和同学们在网上查找一些资料，边学边用。

接下来便是滤波模块，这也是一个全新的东西，好在找到一份很详细的资料，易学易懂，所以这个模块很快就完成了。

我觉得我遇到的最大的难题大概就是量纲转换了，我知道第一个模块是将模拟的电压信号转换为数字量，但是如何将数字量再转换为模拟的电压值的大小输出却不知如何下手了。

书本上有数模转换的一个公式，但在这里却用不了，因为汇编语言不能识别小数，我查了许多资料都没能解决问题，最后还是在和其他组负责单片机的同学讨论之后才恍然大悟，完成了这个转换模块。

接下来的数码管显示及串口通信模块在单片机实验课上都有做过实验，所以就很快解决了。

将各个模块都写好之后便是仿真了，虽然一开始有点问题，但都不是很困难，很快就仿真成功了。

接下来便是拿到真正的单片机进行实际操作了，虽然仿真很成功，但不代表实际中也能成功。

刚开始的时候要求我们编一个小程序测试我们用到的四个数码管是否可用，因为之前考虑过这个问题，提前已经编过，所以直接拿过来用了，结果发现不行。

通过观察单片机板子的具体布局及连线后发现单片机的实际连线与我之前的设计电路的连线不一样，改过来之后就可以正确实现显示功能了。

完成了单片机调试部分之后，就要和悬臂梁传感器及上位机结合了。

这部分就需要我们三个人共同来完成，因为之前大家各自负责自己的，没有时间了解其他成员的情况，所以在实际使用时就要每个人把自己负责的模块调试好，最后完成整个传感器及其测试系统的调试。

通过这次实习，我学到了很多，提高分析问题和解决问题的能力，也学会了和同学们合作，这对我以后的学习和工作都会有很大的帮助。

程序清单

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0023H

LJMPCHUANKOU

MAIN:

ADCSBITP2.5;使能接口

ADCLKBITP2.4;时钟接口

ADDOBITP2.3;数据输出接口

ADDIBITP2.2;数据输入接口

MOVSP,#60H

MOVTMOD,#20H;设置定时器初值

MOVTL1,#0FDH

MOVTH1,#0FDH

MOVPCON,#00H

SETBTR1

MOVSCON,#50H;设置串行口工作方式

MOVIE,#90H

LCALLADC;调用ADC转化的数字量

LCALLFIR;调用低通滤波程序

MOVSBUF,38H

SJMP$

CHUANKOU:

;串行口中断服务程序

CLRTI

LCALLADC

LCALLFIR

LCALLLED

MOVSBUF,38H

RETI

;A/D转换子程序

ADC:

SETBADDI;初始化通道选择

NOP

NOP

CLRADCS;拉低/CS端

NOP

NOP

SETBADCLK;拉高CLK端

NOP

NOP

CLRADCLK;下降沿1

SETBADDI

NOP

NOP

SETBADCLK;拉高CLK端

NOP

NOP

CLRADCLK;下降沿2

CLRADDI

NOP

NOP

SETBADCLK;拉高CLK端

NOP

NOP

CLRADCLK;下降沿3

SETBADDI

NOP

NOP

MOVR7,#8;准备送下后8个时钟脉冲

AD_1:

;高位在前，低位在后

MOVC,ADDO;接收数据

MOVACC.0,C

RLA;左移一次

SETBADCLK

NOP

NOP

CLRADCLK;形成一次时钟脉冲

NOP

NOP

DJNZR7,AD_1;循环8次

MOVC,ADDO;接收数据

MOVACC.0,C

MOVB,A

MOVR7,#8

AD_13:

;地位在前，高位在后

MOVC,ADDO;接收数据

MOVACC.0,C

RRA;右移一次

SETBADCLK

NOP

NOP

CLRADCLK;形成一次时钟脉冲

NOP

NOP

DJNZR7,AD_13;循环8次

CJNEA,B,ADC;数据校验

SETBADCS;拉高/CS端

CLRADCLK;拉低CLK端

SETBADDO;拉高数据端,回到初始状态

RET

FIR:

;滤波子程序

MOV32H,A

MOV33H,#00H

MOVR3,#6

LOOP:

MOV30H,32H

MOV31H,33H

LCALLADC

MOVB,#8

MULAB

MOV32H,B

MOV33H,A

MOVB,#248

MOVA,31H

MULAB

RLCA

MOVA,B

ADDCA,33H

MOV33H,A

JNCFIR1

INC32H

FIR1:

MOVB,#248

MOVA,30H

MULAB

ADDA,33H

MOV33H,A

MOVA,B

ADDCA,32H

MOV32H,A

DJNZR3,LOOP

MOV38H,32H

RET

ZH:

;量纲转换子程序，量程为50Kg

MOVB,#50

DIVAB

MOV40H,A；十位放入40H

MOVA,B

MOVB,#5

DIVAB

MOV41H,A；个位放入41H

MOVA,B

MOVB,#10

MULAB

MOVB,#5

DIVAB

MOV42H,A；十分位放入42H

MOVA,B

MOVB,#10

MULAB

MOVB,#5

DIVAB

MOVR1,A

MOVA,B

CLRC

SUBBA,#3

JNCS

MOVA,R1

MOV43H,A；百分位放入43H

RET

S:

MOVA,R1；四舍五入

INCA

MOV43H,A

RET

LED:

;显示子程序

LCALLZH

MOVR0,#40H

MOVR3,#0FDH

LD3:

MOVP0,R3

MOVA,@R0

MOVDPTR,#DTAB

MOVCA,@A+DPTR

CJNER3,#0FBH,LD4

ADDA,#80H;在显示个位的时候显示小数点

LD4:

LCALLMOVE

LCALLDL1

INCR0

MOVA,R3

JNBACC.4,LD5

RLA

MOVR3,A

LJMPLD3

DTAB:

DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H

DB99H,92H,82H,0F8H

DB80H,90H;对应的是0-9的段码

LD5:

RET

MOVE:

MOVR7,#8;准备送下后8个时钟脉冲

AD1:

MOVC,ACC.7

MOVP0.6,C

RLA;左移一次

CLRP0.7

NOP

NOP

SETBP0.7;形成一次时钟脉冲

NOP

NOP

DJNZR7,AD1;循环8次

RET

DL1:

MOVR7,#10;延时子程序

DL:

MOVR6,#125

DL6:

DJNZR6,DL6

DJNZR7,DL

RET

END

上位机（labview）的设计

（1）、思路及原理设计

1、在Labview中根据传感器的各项指标的理论原理进行程序设计。

比如，采集数据是从resource中获取数据，一次可获取5组数据，可循环获取。

线性度的计算是根据输出电压值和输入砝码标定质量来计算。

采集正反行程的数据，从而计算重复度的计算。

2、先输入几组输出电压值和输入砝码标定质量，绘制输出电压值和输入砝码标定质量的曲线，并拟合成直线，记录斜率和截距，建立输出电压值和砝码质量之间的关系式；再校准标定测得质量与实际质量的实际关系。

3、利用VISA与单片机进行串口通信（查阅资料，VISA一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口，采用了VISA标准，就可以不考虑时间及仪器I/O选择项，驱动软件可以相互相容使用。

利用COM1与异步串行RS-232设备通信。

）

上位机与单片机的连接图：

4、设计主要原则：

a）前面板简单清晰。

b）有数据依赖关系的部分尽量使用自然顺序控制。

c）尽量利用Labview中已有的部件和算法。

（2）、上位机程序主要功能：

本电子秤校准表有四个基本功能：

初始化设置模块、读入电压和质量模块、拟合模块、标定模块。

功能一：

初始化设置模块

初始化VISAresourcename指定的串口的通讯参数，完成串口参数的设置,包括串口资源分配、波特率、数据位、停止位、校验位和流控等等。

这里设波特率为9600bps、数据位为8位、校验位为0，保证与单片机正常通信。

功能二：

读入电压和质量模块

获取电压值和标定质量，保存数据并画图。

功能三：

拟合模块

拟合输出电压值和输入砝码标定质量的曲线，并绘制成直线，记录斜率、截距和残差，建立输出电压值和砝码质量之间的关系式。

功能四：

标定模块

获取正反行程电压值，由功能三得到的关系式，得出砝码质量的测量值，计算出重复性，线性度、迟滞误差等静态特性指标。

具体的如循环中移位寄存器的使用，数组的构建，VISA模块的设置，XY图绘制，拟合直线绘制等。

（3）、上位机程序流程图

功能一

功能二

电子秤校准表

启动

配置串口资源，设置通信格式,显示接口连接情况

初始化设置模块

读入电压和质量模块

获取输出电压值

Labview获取数据流程

输入砝码标定质量

保存在相应数组中

以输出电压值数组为X轴，砝码标定质量为Y轴，绘制采样点

保存按钮按下

功能四

输入砝码标定质量（正、反行程）

由功能三中得到的斜率和截距，计算出砝码质量的测量值

计算静态特性指标

获取输出电压值

按下相应的正/反形成按钮

按下标定按钮

按下称重按钮

用正行程三次的理论值的平均值减去反行程三次的理论值的平均值来计算迟滞误差

标定模块

砝码标定质量与砝码测量质量的线性度，相当于以输出电压值与砝码标定质量的线性度

利用贝塞尔公式，

计算标准偏差和重复性

按下停止标定按钮

停止程序

单片机不断向串口发送更新的数据

Labview

获取数据流程

按下相应“接收数据”按钮

从串口读取数据

保存在相应数组中

功能三

拟合模块

（4）Labview前面板最终设计图：

实物图:

实物图：

（5）、部分程序

（6）、实验结果及分析

Labview的部分输入值及分析：

（1）功能二部分：

数码管显示质量，labview程序接收电压（经验收老师要求，labview数据保留两位小数）。

标准质量/kg

0

0.5

1.0

1.5

2.0

电压/v

0.00

0.05

0.09

0.14

0.19

数码管/kg

0.00

0.40/0.60

1.00

1.40/1.60

2.00

标准质量/kg

2.5

3.0

3.5

4.0

电压/v

0.24

0.29

0.34

0.39

数码管/kg

2.40/2.60

3.00

3.40/3.60

4.00

（2）功能四