燕山大学课程设计说明书
第三章 电阻应变式电子称的设计
3.1电阻应变式电子秤系统设计
整个系统包含四臂差动式电桥电路、信号放大器、A/D转换器电路及LED显示电路。
图一 基于应变式称重电子称系统框图
电阻应变式电子称选用120Ω的标准电阻应变片，选用等强度梁做弹性敏感元件，这样不用考虑电阻贴片的位置，而简化的设计，为了提高电子称的灵敏度，本系统选用四臂差动电桥电路。采用AD620为放大器设计放大电路，用AD7705作为模数转换器采样输出电压，并利用AT89C52单片机进行软件较零，最后输出到LED数码管显示数据。
所设计电子称应具有2kg的量程和1g的分辨率。同时，在使用时因为采用软件较零，要求上电初始条件为空载。
3.2等强度梁结构设计 等强度梁的结构如图2所示，是一种特殊的悬臂梁。其特点是：沿梁的长度方向的截面按一定规律变化，集中力F作用在两端三角顶点上时，距作用力任何距离截面的应力相等，故在对L上黏贴应变片位置要求不严。梁的固定端宽度为
b0，自由端的宽度为b，梁长为L，梁厚为H。
根据悬臂梁的特性，当重力作用在自由端是，最大弯曲应力为
图 二 等强度悬臂梁
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??6lb0h2w
?E (1)
6l 则应变为：
???b0hE2w (2)
式中，
W---------被测物体重力 H-----------梁的厚度 b0---------固定端宽度 L-------------梁长
E -------------弹性模量
根据式（1）和弹性强度理论，课写出强度条件：
??6lb0h2w?[?] (3)
3.3测量电桥的设计及应变片参数的选取 为了消除非线性误差及温度误差对测量结果的影响，设计的
称重电阻应变式传感器采用四壁差动式电桥测量电阻。距固定端较近的表面顺着亮的长度方向分别贴上R1,R4，和R2，R3(R2，R3在底部)的哥电阻应变计。若R1，R4承受拉力，则R2，R3承受压力，则两者应变相等，极性相反，如图3.所示。
设R1 =R2=R3=R4，
?R1??R4??R,?R2??R3???R,则差动全桥输出电压公式为：
U0?US?RR图三 差动全桥
(4)
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?R 因此，电桥输出电压U0与 R 成严格的线性关系，消除了电桥非线性的影响，也消除了温度误差的影响。输出比单单臂电桥增大四倍，灵敏度也提高四倍。
应变片的选取120Ω的标准阻值，它的阻值的变化与应变之间的关系如下：
?R R??E? （5）
π---------纵向压阻系数 E----------弹性模量 ε----------应变
设应变灵敏度系数k0=πε，则
?RR=K0ε （6）
因此，电桥的输出电压为：
UO?Us?RR?USK0? （7）
3.4 被测压力—电压转换公式的推导 由式（2）和（7），可得
U0KUSU0??6LWb0hE2 （8）
6LWKU0Sb0hE2 （9）
U0是（9）就是传感器的输出电压
U0?W与重力W之间的对应函数
关系。一旦系统设计完成，等式右边W前面部分就是一个常数，
U0?0.5mV/20g ，二者为线性关系。由实验条件计算知：
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第四章 电阻应变式电子秤电路结构设计
4.1 放大电路的设计 放大电路的要求：四臂电桥选用120Ω的应变片，当采用正
负9v电源供电时，输出的电压约为0.025mv，是非常微弱的电压信号。放大器必须不失真的放大该信号，以供A/D转换器采样到准确的模拟信号。 本次设计选用AD620差动放大器，它的原理图如图四所示，它是一款单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。通过调整片内电阻的绝对值，用户只需一个电阻便可实现对增益的精确编程（G=100时精度可达到0.15%）。
输入晶体管Q1和Q2提供一路高精度差分对双极性输入如图四，同时由于采用Super?eta。因此输入偏置电流减小十倍。反馈环路Q1-A1-R1和Q2-A2-R2使输入器件Q1和Q2的集成电极电流保持稳定，从而可将输入电压作用于外部增益设置电阻RG上。这样就可以从输入至A1/A2输出的差分增益其计算公式
图四 AD620原理示意图
为G=(R1+R2)/RG+1。单位增
益减法器A3用来消除任何共模信号，以获得折合到RET引脚电位的单端输出。
RG值还可以决定前置放大器级的跨导。当减小RG以获得更大增益石，该跨导将渐近增大到输入晶体管的跨导。这会带回来三大好处（a）开环增益提升以提供更大的编程增益，从而减小与增益相关的误差；（b）增益带宽积随着编程增益的提高而增大，从而优化频率响应（c）输入电压噪声降低，他主要是由输入器件的集电极电流和基极电阻决定。
内部增益电阻R1和R2已同时调整至绝对值24.7kΩ，因此利用一个外部电阻便可实现对增益的精确编程。 增益公式：
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G?49.4K?RG?1 （10）
RG?49.K4?G?1 （11）
其中，RG选择499Ω的阻值，所以 增益G=100。
AD620差分放大器电路连接图如图五，
SV?图五 AD620差动放大电路
和SV?是输入分
别接四臂差动电桥电路的输出端的负、正两端，
VOUT 为输出端接
A/D转换器的输入端。
4.2 A/D转换电路的设计 A/D转换器的要求：
由于差动输出电压灵图六 AD7705内部结构 敏度为2.5mv/g。因此，
选用的A/D转换器必须能够实现0-2.5v的模数转换和2.5mv的分辨率。 AD7705是完整的16位A/D转换器，内部结构如图六，它采用了成本较低但能获得极高分辨率的 –A转换技术。可以获得16为无误码数据输出。它的增益可以编程AD7705包括两个全差分模拟输入通道。片内的增益可以编程放大器可以选择1、2、4、8、32、64、128八种增益之一，能将不同的摆幅范围的各类输入信号放大到接近A/D转换器的满标度电压在进行A/D转换，这样有利于提高转换质量。模拟质量由 -?调制器变换为占空比被模拟电压调制的数字脉冲串，然后在片内使用低通数字滤波器将其解释成16位二进制数码并滤去噪声，以完成A/D转换。
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