面包板上的電子秤

2020-08-10 11:54 作者:硬木課堂 0人讀過 | 我要投稿

背景知識(shí)：電子秤在生活中用到的地方很多。體重秤，購(gòu)物秤，首飾店的精密秤。電子秤里的三大件，壓力傳感器，放大器和顯示。量程不同可以選擇不同的壓力傳感器，放大器倍數(shù)。電子秤是學(xué)習(xí)運(yùn)放電路的很好模型。如果配上單片機(jī)做后續(xù)控制顯示，可以實(shí)現(xiàn)多種功能。例如稱重計(jì)數(shù)量，稱重算價(jià)格。本文使用電壓表頭來顯示，適合沒有單片機(jī)基礎(chǔ)的讀者。內(nèi)容包括壓力傳感器，三運(yùn)放儀表放大器，正向放大器，調(diào)零和定標(biāo)。

視頻鏈接：https://www.bilibili.com/video/BV18a41177dd/

關(guān)鍵字：惠斯通電橋，壓力傳感器，儀表放大器

方案分析：

????????用儀表放大器將傳感器信號(hào)放大，然后經(jīng)過正向放大器定標(biāo)后對(duì)應(yīng)到電壓表頭的0-5V。也就是0-50g重量對(duì)應(yīng)0-5V。

????????壓力傳感器是使用應(yīng)變電阻片貼在鋁合金梁臂上構(gòu)成。鋁合金梁臂上根據(jù)量程來調(diào)制鉆孔大小。量程越小，孔越大。重力使鋁合金梁臂產(chǎn)生彈性形變，應(yīng)變電阻片貼合在孔的上下面，用來將形變轉(zhuǎn)化為電壓變化。本文砝碼盒最大砝碼50g，所以選擇了1Kg滿量程的傳感器

????????惠斯通電橋。應(yīng)變電阻片按照惠斯通電橋方式來組成電路。鋁合金梁臂形變后，應(yīng)變片電阻方式變化，則A和B點(diǎn)電壓差發(fā)生變化。

????????儀表放大器：壓力傳感器后面接儀表放大器進(jìn)行放大。1Kg壓力傳感器在5V激勵(lì)下，最大1Kg壓力時(shí)A和B電壓差2mV左右。50g壓力下只有0.1mV左右。非常小的電壓，所以需要用儀表放大器進(jìn)行放大。儀表放大器結(jié)構(gòu)如下。（使用了一片 LM324 四路運(yùn)放）

????????U1A的輸出 = UA*（1+R3/（0.5*R5））

????????U1B的輸出 = UB*（1+R6/（0.5*R5））

????????U1D的輸出 = -1*U1A *（R1/R4）+ U1B*0.5*（1+R1/R4）

????????R3=R6=RG，R1=R4=R7=R8 帶入上式可以得到

????????U1D = （UB-UA）*（1+ 2*RG/ R5）

????????RG=51KΩ，R5=100Ω，則U1D = 1021*（UB-UA）。

????????對(duì)傳感器的差分信號(hào)放大了1021倍。

????????調(diào)零信號(hào)加入后 U1D= 1021*（UB-UA）+ TP3 （信號(hào)源內(nèi)阻50Ω，相對(duì)于51KΩ，誤差小于0.1%）

電壓表頭和ADC的對(duì)應(yīng)關(guān)系

????????電子秤的顯示部分，即可以用電壓表頭也可以用ADC采樣后交給單片機(jī)計(jì)算顯示在數(shù)碼管上。電壓表頭跟ADC有對(duì)應(yīng)關(guān)系，幫助有單片機(jī)基礎(chǔ)的讀者使用ADC來完成電子秤。

整體電路實(shí)物

增益分配

????????增益的作用是使壓力傳感器在50g砝碼情況下，輸出電壓經(jīng)過各級(jí)運(yùn)放增益放大后對(duì)應(yīng)到5V。儀表放大器的增益1021在前面已經(jīng)計(jì)算過。下面看后兩級(jí)的增益分配。先測(cè)試一下50g砝碼加上后儀表放大器的輸出電壓。

????????開啟電源給運(yùn)放和傳感器供電。運(yùn)放使用正負(fù)12V供電，傳感器使用5V供電。

????????開啟萬用表測(cè)試儀表放大器輸出電壓。測(cè)試時(shí)先調(diào)零。就在不放砝碼時(shí)，使用信號(hào)源調(diào)節(jié)直流，使儀表放大器輸出小于1mV。萬用表的COM接GND，萬用表的VΩ接儀表放大器輸出U1D（原理圖TP1）。信號(hào)源S1選擇直流輸出，接硬件電路中接原理圖中的TP3位置

????調(diào)零后，測(cè)試50g砝碼時(shí)的儀表放大器輸出。在秤盤上放置50g砝碼

????????儀表放大器輸出108mV，要放大到5V則需要增益 46倍。將46倍增益分配在后面兩級(jí)上，末級(jí)推動(dòng)級(jí)是固定增益11倍，所以中間級(jí)增益為4.1倍。這里中間級(jí)增益先調(diào)節(jié)到這個(gè)初始值，后面定標(biāo)時(shí)細(xì)調(diào)。

????????增加末級(jí)741放大器作為推動(dòng)級(jí)的原因：由于LM324是集成四路運(yùn)放，其中三路作為儀表放大器，第四路作為正向放大器。如果用這一路來帶電壓表頭，則它輸出1mA電流時(shí)，會(huì)導(dǎo)致儀表放大器的零偏發(fā)生變化。因?yàn)樗鼈兊碾娫春虶ND是內(nèi)部共用的，芯片內(nèi)部存在一定耦合。所以用741放大器隔離一下，這樣才能保證儀表放大器精密的工作。

????????定標(biāo)：細(xì)調(diào)中間級(jí)增益，使放置50g砝碼對(duì)應(yīng)到電壓表頭5V。需要注意的是，儀表放大器連接上中間級(jí)和末級(jí)后，還需要看電壓表頭再調(diào)零一次。然后才可以定標(biāo)，因?yàn)樵黾恿?6倍增益。