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技术文章

高精度电子秤的悬臂设计

一 :前序

传统的懸臂梁式电子秤次要以托盤式爲主,在懸臂梁上粘贴電阻式應變片構成稱重传感器 ,應用传感器的形變將質量转换爲可测量的電信號 !其懸臂梁组成材質次要爲铝閤金的稱重传感器,適用于电子计價秤、平臺秤、案秤等;

以钢爲材料的懸臂梁传感器適用于电子皮帶秤、分選秤 !而以钢爲懸臂梁材料设计的懸掛式高精度电子计價秤则较少 !本设计以單片機爲控製器 ,以全橋爲應變片的粘贴方式 ,经過软硬设计及實物调试 ,完成瞭钢製懸臂梁懸掛式电子秤的设计 ,打破瞭传统电子秤的懸臂梁材質和稱重物體的放置方式 ,在兼具精度的同時拓展瞭更多獸性化功用 ,有着较爲普遍的使用前景 !

二 :方案论證

1、方案1

采用超低功耗MSP430係列單片機爲控製器 ,應用儀錶缩小器INA333缩小信號的同時進步零碎的共模抑製比 ,應用24位高精度A/D转换器ADS1256將電壓信號转换爲數字信號经單片機處置後顯示 !

2、方案2

采用國產STC係列單片機 ,结閤次要用于高精度稱重传感器而设计的支持差分输人的24位A/D转换器芯片HX711 ,配閤其他核心電路完成對被测物體分量的顯示、價钱设置及语音播報功用 !

3、方案比照

從單片機的處置速度解析MSP430爲16位處置器其處置數據纔能優于8位的STC單片機;從功耗的角度解析 ,方案1中的處置器和次要核心器件INA333、ADS1256爲超低功耗 ,優于方案2;從采集精度的角度解析 ,ADS1256容易遭到搅擾 ,對濾波要求较高而HX711则绝對波動 !由于电子秤對處置速度要求不髙 ,本设计選择性價比擬髙的方案2 ,以STC單片機爲控製器完成零碎的懸臂梁式电子秤的设计 !

三 :實際解析與计算

將應變片贴在被测定物上 ,使其隨着被测定對象的應變一同伸缩 ,此時應變片外部的金屬箔就隨着應變伸長或延長其電阻隨之變化 !普通應變片的敏感栅運用的是铜铬閤金 ,其電阻變化率爲常數 ,與應變成反比例關係 !即 :

ΔR/R=KXe

式中:R爲應變片的原電阻值 ,设计中選用的應變片爲120Ω;ΔR爲伸長或緊缩惹起的電阻變化;K爲應變常數;e爲试件外錶测點處與應變计敏感栅縱线方嚮平行的應變 !不同的金屬材料有不同的比例常數K !铜铬閤金的K值约爲2 !應變的测量就经過應變片转换爲對電阻變化的测量 !但是由于應變是相當鉅大的變化 ,所以發生的電阻變化也是極端鉅大的 !例如计算1000*1O-6的應變發生的電阻的變化 ,應變片的電阻值爲是120Ω,即 :

ΔR/120=2X1000X10-6

ΔR=120X2X1000X10_6=0.24Ω

電阻變化率爲ΔR/R=0.24/120=0.002對该電阻變化较爲鉅大的测量 ,设计中應變片的接人方式爲全橋式 !

例如 :R1=R2=R3=R4或R1XR2=R3XR4则無论输齣多大電壓,输入電壓£總爲0,這種形態稱爲均衡形態 !假如均衡被毁壞 ,就會發生與電阻變化绝對應的输入電壓 !當4條邊上的應變片的電阻辨彆惹起如R1+ΔR ,R2-ΔR,R3+ΔR,R4-ΔR的變化時4枚應變片變化量相對值相等 ,鄰臂上的應變相减 ,對臂上的應變相加 !其输入爲 :

U0=E.ΔR/R=K.e.E(2)

设计中選择箔式金屬應變计 ,次要適用于0.02级的壓力传感器製造工藝中 ,即满量程時输入误差在士0.02的範围内 !可同時完成温度自補償和蠕變自補償 !

四 :软硬件设计

1、硬件電路设计

硬件電路次要包括晶振電路、復位電路、LCD顯示電路、矩阵键盤電路及A/D转换電路 !其中晶振電路爲單片機提供波動的時鍾基準 ,是單片機零碎正常運转的前提 ,设计中晶振選择12MHz;復位電路是爲瞭预防顺序跑飛而设计的 ,可使單片機及零碎各部件處于確定的初始形態 ,并從初態開端任務 ,本零碎具有上電復位和手動復位兩個功用 ,其中上電復位應用電容的衝放電完成 ,手動復位應用按键觸發完成 ,其本質爲给單片機RST引脚一個高電平并维持2個機器週期;LCD顯示電路采用圖形液晶顯示器LCD12864,可以實時顯示分量、單價及金额的纍加值 ,爲瞭節省單片機的I/O资源 ,设计中采用LCD的串行衔接方式;矩阵键盤要來完成對單價的设置 ,采用掃描法確定按键能否觸發;SYN6288语音模塊用來播報分量、單價及金额的纍加值 ,可经過單片機串口發送待分解的文本 ,完成文本到聲響的转化 !

HX711是一款專爲高精度稱重传感器而设计的24位A/D转换器芯片 !该芯片集成瞭包括穩壓電源、片内時鍾振荡器等其他同類型芯片所需求的核心電路 ,具有集成度高、呼應速度快、抗搅擾性强等優點 !降低瞭电子秤的零件本钱 ,進步瞭零件的功能和牢靠性 !该芯片與後端MCU芯片的接口和编程较復雜,一切控製信號由管脚驱動 ,無需對芯片外部的存放器编程 !输齣選择開關可恣意選取通道A或通道B ,與其外部的低噪聲可编程缩小器相连 !通道A的可编程增益爲128或64,對應的满额度差分输齣信號幅值辨彆爲±20mV或±40mV !通道B则爲固定的32增益 ,用于零碎參數检测 !设计中選择通道 :A !

2、主顺序设计

主顺序是顺序的入口 ,次要调用顯示子顺序、键盤子顺序、A/D转换子顺序及语音播報子顺序 ,完成對测量參數的實時顯示與语音播報功用 !

五 :零碎测验

1、電橋软件與硬件调零

设计中采用高精度電阻式應變片很容易遭到搅擾 ,招緻無输齣時输入不爲0,所以设计初期必需调零 !调零準繩包括:传感器输齣爲0時 ,输入也爲0;不影響传感器的其他功能如靈敏度、波動性、线性等 !调零電阻的大小與應變片的粘贴地位及懸臂梁的物理特性親密相關 ,详细 !

软件调零本質是记憶“零點”,然後在數據處置中消弭 ,但會形成零碎實時性降低 !

2、测验後果解析

测验中運用5、50、100及200g的砝码 ,辨彆测验8次 !

六 :零碎调试及存在成绩解析

1、電橋構造材料的選择

设计中假如電橋構造受力後發生塑性形變或形變恢復较慢將间接影呼應變片的波動输入 ,设计中采用韧性较髙的40CR钢爲模型,將應變片粘贴于受力變化较爲敏感的地位,構成等臂電橋 !

2、應變片的粘贴

應變片粘贴不當间接影響其检测 ,粘贴前需用砂纸打磨掉橋臂的銹蹟 ,并用乙醇擦拭洁净 ,然後用速幹膠粘贴并壓實避免粘贴處有氣泡發生;在應變片的输入引线下墊聚乙烯薄膜使應變片输入引线與金屬橋臂绝缘 !

3、测量精度影響要素解析

设计初期爲瞭固定應變片運用熱熔膠密封 ,後果由于應變片任務後發熱 ,熱熔膠惹起應變片變形 ,招緻测量後果不波動;由于電源電壓動摇對测量零碎中的A/D转换器

电子秤

七 :结论

這篇文章经過對电子秤设计方案的比照 ,以钢製懸臂梁爲模型 ,经過實際解析與计算、软硬件设计及零碎测验等環節 ,證明瞭该懸掛式电子秤在统籌精度的同時擴展瞭测量範围 ,擴展瞭單價设置、金额纍加及语音播報等功用 !打破瞭传统托盤式爲主的高精度电子秤的测量範围與精度的限製 ,并對设计進程中遇到的電橋構造材料的選择、應變片的粘贴及测量精度的影響等成绩停止瞭详细阐明 ,對该類设计有一定的自创作用 !

 

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