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基于电阻应变片传感器的数字电子秤设计
作者：卢丽君
来源：《工业设计》2016年第09期
摘 要：本设计以MSP430F5529单片机为控制核心，由电阻应变片检测电路、仪表放大电路等组成。以电阻应变片为传感器装置，将压力转换为电压信号，经过仪表放大器INA333放大后，输入含有16位AD转换精度的MSP430单片机，进行数据处理。电子秤称重范围为5.00g～500g，误差小于0.5 g，实现了金额累加、查询、去皮功能。
关键词：电阻应变片；MSP430F5529单片机；INA333放大器
基于电阻应变片的电子秤设计首要问题是如何通过电桥电路将电阻应变片产生的微小变化转换为电压的变化 ，并且在放大差模信号的同时又能有效的抑制共模信号。为此，选择共模抑制比较高的器件INA333，为了达到精度控制在1%，在称重传感器量程范围内，使用 12位的模数转换器，同时采用3.3V线性稳压电源，就可以测得较为精确的数据。为防止电冲击，白噪声，工频干扰或者射频干扰对测量的电压值产生干扰，适当添加滤波电路，确保测试数据的准确性。
1总体设计框图
本设计利用电阻应变片传感器检测被测物体的重量，再由放大电路把来自传感器的微弱信号进行放大，传给单片机进行A/D转换和数据处理，最后由红外键盘输入单价和功能选择，12864液晶屏显示重量和金额。总体设计框图如下图1所示。
2应变片的理论分析与计算
电阻应变片传感器是将被测物体的重量变化转换成电阻值的变化，其电阻变化范围为0.0005～0.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中最常用的是桥式测量电路。桥式测量电路有四个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压E，另一个对角线为输出电压Ug，由公式1计算。其特点是，当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。
基于电阻应变片的压力传感器设计
一、设计初衷：随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛
地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微
处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已
成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等
重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料
系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传
感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。
本设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性元件
的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定力的大
小，进而求得产生作用力的物体的质量。应变片阻值的变化可以通过后
续的处理电路求得。
传感器的设计主要包括弹性元件的设计和处理电路的设计。由于传
感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理；由于传感器输
出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波；由于传感器输出
的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压），故需要设计共
模抑制电路。除此之外，还要设计调零电路。
二、初始条件：采用电阻应变片设计测量力、压力、加速度、位移等
物理量的传感器，设计时自行确定被测变量及测试范围，并根据测量的
需要选择应变片的型号、数量、粘贴方式以及弹性元件的结构形式、相
关测试电路等。
三、方案的选择
此次传感器课程设计选用应变式拉压传感器。设计中只要把应半片
贴在承受负载的弹性元件上，通过测量弹性元件的应变大小即可求出对应的负载大小，而弹性元件的应变大小可以通过应变片电阻大小的变化
量来求得。故可以通过选择不同的弹性元件和测量电路来提出不同的方案。
四、方案的制定
1、根据弹性体的结构形式的不同可分为：轮辐式，梁式，环式，柱
式等。在测量拉/压力上主要用到的是柱式传感器。柱式传感器的弹性
元件分为实心和空心两种，如图1.1所示。（a是实心，b是空心）
1.1 柱式传感器
的弹性元件
181工业技术与实践丨学术平台
丨基于电阻应变片的电子秤设计首要问题是如何通过电桥电路将
电阻应变片产生的微小变化转换为电压的变化 ，并且在放大差模信
号的同时又能有效的抑制共模信号。为此，选择共模抑制比较高的器
件INA333，为了达到精度控制在1%，在称重传感器量程范围内，
使用 12位的模数转换器，同时采用3.3V线性稳压电源，就可以测得
较为精确的数据。为防止电冲击，白噪声，工频干扰或者射频干扰对
测量的电压值产生干扰，适当添加滤波电路，确保测试数据的准确性。
总体设计框图1
本设计利用电阻应变片传感器检测被测物体的重量，再由放大电
路把来自传感器的微弱信号进行放大，传给单片机进行A/D转换和数
据处理，最后由红外键盘输入单价和功能选择，12864液晶屏显示重
量和金额。总体设计框图如下图1所示。
应变片的理论分析与计算2
电阻应变片传感器是将被测物体的重量变化转换成电阻值的变
化，其电阻变化范围为0.0005～0.1欧姆。所以测量电路应当能精
确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中最常用的是桥式测量
电路。桥式测量电路有四个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压E，
另一个对角线为输出电压Ug，由公式1计算。其特点是，当四个桥
臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，可利
用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。
公式2是全桥式电路的输出，也就是由压力转换而来的电信号,计算验证， 全桥电路的灵敏度是单臂电桥的四倍。
电路分析与设计3
电阻应变片检测电路3.1
当应变片受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着应变片一
起变化，从而发生电阻变化， 全桥电路灵敏度高，其电路连接如下
图2所示。
放大电路3.2
采用的集成运放INA333，输出端加入C1、C2是为了进一步去
掉纹波，R1为反馈电阻，其电路设计如下图3所示。
软件设计4
本设计的主流程图如图4所示，称重子程序流程图如图5所示。基于电阻应变片传感器的数字电子秤设计
武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书
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1. 绪论
1.1相关背景
传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉 和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感 元件、色敏元件和味敏元件等十大类。
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的 茫茫宇宙，微观上要观察小到fm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到秒的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书
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超强磁场、超 弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难， 而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
