力传感器
力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但运用最为广泛的是电阻应变片压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性，市场上大部分称重工具，比如电子秤，都采取这种压力传感器。本文先容的制作方案也采取电阻应变式称重传感器，而且笔者会为大家供应两种环绕电阻应变式称重传感器的旗子暗记调理电路。
电阻应变式称重传感器的特性在进入电路剖析前，我们有必要先理解一下电阻应变式传感器的特性。电阻应变片是一种将被测物件上的应变量转换成一种电旗子暗记的敏感器件。图25.1为电阻应变片的构造示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔片、绝缘保护片和引出线等组成。
当基体受力发生形变时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变革。这种应变片在受力时产生的阻值变革常日较小，一样平常这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大。为了提高丈量精度，常日把4片应变片组合玉成桥丈量电路，图25.2所示为电阻应变片全桥丈量电路的电路模型。4个臂R1、R2、R3、R4都用电阻应变片代替。
图25.1 电阻应变片的构造示意图
图25.2 应变片全桥丈量电路模型
在实际的运用中，常日将4片电阻应变片通过分外的材料紧密粘合在能产生力学应变的基体上。图25.3所示为笔者利用到的梁式电阻应变片称重传感器，类似于横梁，个中央常日留有一些孔或槽，高下两面各贴有电阻应变片。全体传感器由全桥电阻应变片和基体构成，当梁受力发生机器形变时，电阻应变片也会发生形变，直接导致了电阻值的变革。在全体传感器电路中，电阻值的变革会被直接转换成输出电压值的变革。
光有梁式称重传感器还不能制作成电子秤，还须要为梁式称重传感器打造一套可以称重的托盘构造，图25.4所示是电子秤的本体机器图，包含称重托盘、传感器-桥臂和底座。实物如图25.5所示。
图25.3 梁式电阻应变片称重传感器
图25.4 电阻应变片称重传感器工为难刁难象示意图
图25.5 电子称托盘实物
分立件旗子暗记调理电路图25.6 分立件旗子暗记调理电路
桥臂式传感器的旗子暗记调理电路，采取仪表放大器进行放大。仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点，这些特点适用于桥臂式传感器的旗子暗记调度放大。运算放大器只有事情在双电源情形下才能对称地进行零点调节，因此不得不为电路设计双路输出电源。这个分立件组成的旗子暗记调理电路事理图如图25.6所示，实物电路见图25.7。传感器事情电压由HT7550-5.0V的LDO芯片供电，个中RP2用于电路零点调节，RP1是放大倍数调节，也便是常说的量程。
图25.7 供电电路实物与旗子暗记调度放大电路实物
每一款传感器的出厂性能都不一致，因此想得到准确的质量与输出电压值，必须对电路进行调试，首先是电路输出调零。所谓调零，便是电子秤接入传感器旗子暗记电路后，空载的输出电压必须为0V。当然，这并不是大略调节一下RP2电位器就能校准输出电压的。真正有效的校准这个旗子暗记调理电路输出为0V的方法如下。
这里利用了称重传感器标称值为5kg，若称重物体为100g，输出电压为0.1V;若称重物体为1kg，输出电压为1V。由此，理论上可以得到一个比较好的线性关系：y = kx + b，个中y表示电压，x表示质量。因此，对电路校准输出0V必须在电子秤空载的情形下先对RP2进行调度，用万用表丈量出IC6第6脚输出电压为0V时完成第一步;然后将一个1kg的物体置于电子秤上，丈量输出电压值可能会偏离1V，此时调度RP1进行量程核准，使输出电压为1V;末了将1kg物体移走，再用万用表丈量输出电压值，若不为0V，重新微调RP2。以上步骤可以多重复几次，或改换不同重量的物体丈量，使电路担保输出准确的0V。测试连接如图25.8所示，个中电源部分利用万能板焊接，由双路输出变压器供电，掌握器利用C51/AVR/Arduino主板的Arduino部分。
校准结束后，可以取两种不同重量的物体，进行人工丈量，求出线性关系中的斜率和截距，方便后面的调度。笔者丈量725g和100g两个物体，实际丈量输出电压值分别为714mV和107mV，两点坐标值可以求出斜率k值为0.9712，通过公式代入一个坐标值即可得出截距b值为1.04552。有了这个线性关系，可以利用线性函数关系式实时丈量传感器的输出电压，进而打算出测试的称重物体的重量。
接下来就可以丈量一下实际物体重量，进入电子秤的详细系编制作环节。Arduino内置了10位精度的ADC转换功能，利用Arduino处理干系旗子暗记调理电路，可以加速全体调试开拓过程。大略单纯的电子秤实现流程如图25.9所示。
图25.8 旗子暗记调理电路系统
利用Arduino板的A0接口采集输出电压值，用Arduino板上的调试窗口直接不雅观察称重物体的重量。Arduino演示代码如下，程序中利用了人工标定后打算出的线性函数关系因子数，并利用多次采样取均匀值的滤波方法。
图25.9 电子秤的实现流程图
void setup()
{
//initialize serial communication at 9600 bits per second:
Serial.begin(9600);
}
// 算术均匀滤波法
#define FILTER_N 10
float Filter()
{
int i;
float filter_sum = 0;
for(i=0;i
{
int sensorValue = analogRead(A0); // read the input on analog pin 0
//Convert the analog reading (which goes from 0 - 1023) to avoltage (0 - 5V):
float voltage = sensorValue (5.0 / 1023.0);
filter_sum += voltage; // read the input on analog pin 0:
delay(1);
}
return (float)(filter_sum / FILTER_N);
}
// the loop routine runs over and over again forever:
void loop()
{
float k = 0.9712;//人工标定打算出的斜率
float b = 1.04552;//人工标定打算出的截距
// 得到滤波器输出值
float Wei = ((Filter()1000) - b) / k;// 线性函数
Serial.print(Wei,3);// print out the value you read:
Serial.print(‘g’);
Serial.print(“ “);
Serial.print(Wei/1000,3);//print out the value you read:
Serial.println(“kg”);
delay(500);
}
集成化数字电路模块接下来将要先容的是用数字电路模块采集称重传感器的输出动态电压。此款模块中有一个电子秤专用仿照/数字转换器芯片——HX711，其内部具有24位A/D高精度转换器，可输入两通道差分旗子暗记，个中通道A的增益可编程128倍和64倍。事情电压范围在2.6～5.5V，图25.10所示为官方供应的参考电路。
图25.10 HX711 模块参考运用电路
由于将旗子暗记调理电路已集成为芯片，以是就没有了外围调节校准等事情，也不存在标定和打算线性关系因子的环节了。接下来，利用STC89C52RC单片机对模块进行通信，并将利用4×4矩阵键盘对称重物体进行计价操作，LCD1602显示模块显示质量、单价和支付金额，同时在程序设计中增加负压力和过压力检测报警动作。
图25.11 微量物称重
图25.12 称量计价
图25.11所示是对1g重的跳线进行称重示意，其结果很稳定，默认显示的单位是千克(kg);图25.12所示是对称重物体进行单价99元输入后的打算，搪塞金额为3.5元。由于称重传感器会丈量到托盘的重量，存在一定的毛重，以是电子称在进入初始化事情时必须对电子称进行一次毛重打算，正常事情后，当前称重的数据须要减去毛重，这样称出来的重量值才是实物的重量。此款电子秤的实现流程基本和Arduino板一样，只是大部事情均由HX711芯片赞助处理了，单片机只须要连续发送脉冲给HX711，直接读取出HX711已经转换好的称重数据即可。
单片机电子称参考代码如下所示。程序中Weight_Maopi变量便是电子称上电后对托盘称重的毛重。个中转换后的数据除以100是用来缩小数据，为后续打算出的数值能以克计，即4位有效值。而打算实物重量时除以4.22，不同的称重传感器特性曲线不一样，每一个传感器都会有一个纠正值，以是这个数值也随之不同，这里取值为4.22。当创造测试出来的重量偏大时，可加大这个数值，反之减小，该数值一样平常在4.0到5.0之间。打算式末了补加0.05是担保丈量结果以四舍五入百分位打算。完全的驱动程序读者可移步qq群下载。
void Get_Weight()
{
HX711_Buffer = HX711_Read();
HX711_Buffer = HX711_Buffer / 100;
Weight_Shiwu = HX711_Buffer;
Weight_Shiwu = Weight_Shiwu - Weight_Maopi;//获取实物的AD采样数值
Weight_Shiwu = (unsigned int)((float)Weight_Shiwu / 4.22 + 0.05);//打算实物的实际重量
if(Weight_Shiwu < -300)//称重小于毛皮值解释负重300g的漂移值
{
Buzzer = 0;//负重量报警
}
else if(Weight_Shiwu > 5000)//压力传感器上总质量大于5kg的最大量程，报警
{
Buzzer = 0;
}
else if(Weight_Shiwu > -200) //正常丈量{
Buzzer = 1;//关闭警报
}
}
总结通过两种称重传感器旗子暗记处理电路的剖析和实测，可总结出：分立件仪表放大器电路构造繁芜，电源供电繁芜、调试步骤繁多，虽然线性度比较好，但若电源不稳定，温度上升，事情韶光过长，会影响输出电压，发生漂移，在运算上增加了繁芜的打算难度。而电子秤专用集成化芯片，具有供电大略、功耗低、线路精简、转换精度高、无调试步骤、无温漂等优点。希望笔者在电子称制作项目中的比拟履历能为读者在力传感器的运用场置方面供应一些帮助。