称重在各行业的生产等领域生产、流通、销售、质量控制、分级等环节都起到非常重要的作用, 通常的做法是将称重传感器直接连接到称重仪表或者控制系统中。
由于传感器信号比较微弱,且环境条件通常比较恶劣,仪表必须就近安装,以避免长线传输引起的衰减和干扰; 而且不同称重条件下所用的传感器的量程和特性不同,所以传感器和称重仪表大多配套使用。称重系统中的模块化设计,使传感器信号数字化,可以在一定程度上解决上述两个问题。针对称重传感器信号长线传输过程的干扰问题和称重仪表的通用性问题, 设计了一种对传感器信号数字化。
1 工作原理
电阻应变式传感器以电阻应变计为传感元件, 以惠更斯电桥作为测量电路。它的优点是测量精度高、测量范围广、性能稳定可靠;结构简单、便于集成化;频响特性好,环境因素适应能力强等。因此广泛应用在称重系统中。在电阻应变式称重传感器中,R1, R2, R3, R4 4 个应变片电阻组成的桥式测量电路如图1 所示。E 为激励电压,Vo为传感器的输出电压。
由于桥臂的起始电阻都相等,即:R1=R2= R3= R4=R,若对传感器施加压力时应变片电阻的变化量都为△R 时, 由基尔霍夫定律,可知电桥的输出Vo
为:其中GF为应变片的应变系数。可见,电阻应变式称重传感器的输出电压与激励电压和应变片的形变量有关;
由于应变片的形变量与其所受的压力成正比, 因此当激励电压一定时, 电桥电路输出电压与传感器受物体的重量成线形关系。
2 电路的基本结构
系统采用STC89C52RC 作为控制器对A/D 采样数据进行处理, 并做键盘响应及显示输出;E2PROM 采用AT2402 来保存传感器的校正系数及其他相关参数; 采用MAX232 作为通讯接口芯片,通讯距离超过20m。系统的总体结构如图2 所示。
系统通过电源隔离技术形成相互独立的模拟电源和数字电源系统。5V 的模拟电源作为传感器的激励电压,由于传感器满量程输出为mV 级的微弱信号,极易受到噪声的干扰。
因此,如图3 所示,传感器信号在送入A/D 转换器之前必须对其进行滤波处理。为了避免使用集成运放带来的温度失调和温漂,本设计的滤波电路由两级滤波级联而成, 其中C1、C2、L2 组成型滤波电路,第二级则由R1 和C4 构成普通的低通滤波。A/D 转换器采用由深圳芯海科技生产的24 位高精度、低功耗的Sigma-Delta 模数转换芯片CS1180。CS1180 内部有一个1~128 倍可编程增益的放大器,且内部FIR 滤波器提供50HZ 和60HZ 陷波滤波,有效了芯片的抗干扰能力。如图所示,R3、R4 形成比例测量电路,激励电压经1/2 分压后作为CS1180 的参考电压,减小了激励波动对传感器信号输出的影响。A/D 转换的输出通过SPI 总线接控制器的P1 口。
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