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。
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、％测信号转换电路和显示电路组成， 如图1所示。
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：
式中：P—金属导体的电阻率（Q*cm2/m)，
S—导体的截面积（cm2)，L 一导体的长度(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。
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。
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涧的哑铃形，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350Q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。
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?士 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。
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lOOus、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和卓片机进行信号模数转换 的电路如图7所示。
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。
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 UVision V4编写和调 试。软件流程图如图9所示。
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。
