第3章 智能秤的设计与制作
3.1 智能秤的各个模块
3.1.1 传感器
称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器茵先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。
电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成内部线路采用惠更斯电桥当弹性体承受载荷产生变形时输出信号电压可由式3.1给出。
电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变量一般为10 - 6~10 - 2，随之而产生的电阻变化率也大约在10 - 6~10 - 2数量级之间。这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。
电桥电路
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图3.1电桥电路
称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成内部线路采用惠更斯电桥当弹性体承受载荷产生变形时输出信号电压。R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。
若不考虑Rm，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为：
R4??R1V????e (3.1)
R1?R2R3?R4??由于桥臂的起始电阻全等，即R1 = R2 = R3 = R4 = R，所以V=0 。 当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+△R1、R+△R2、R+△R3、R+△R4时，电桥的输出电压变式子3.2为：
R??R1R??R4??V=???e（3.2）
R??R1?R??R2R??R3?R??R4??通过化简，上式则变式子（3.3）为： V=
e??R1?R2?R3?R4??????（3.3）
4?RRRR?也就是说，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。 如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同，且：
V=
eK(ε1 - ε2 + ε3 - ε4 ）（3.4） 4?R = Kε，则上式又可写式3.4成R式中K为应变片灵敏系数，ε为应变量。
上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，
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传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，△R1、△R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，△R2、△R4为负值。再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即
△R1 = △R3 = + △R或ε1 = ε3 = +ε △R2 = △R4= - △R或ε2 = ε4 = - ε
eK因此，V=4×4ε = e Kε。若考虑 Rm，则电桥的输出电压变成式（3.5）
：
R?R??RR??R???V=?????e
2R2RR?2Rm????=
R?RRe = K εe（3.5）
R?2RmRR?2Rm令SU =
RV ，则SU = K ε eR?2RmSU称为传感器系数或传感器输出灵敏度。
对于一个高精度的应变传感器来说，仅仅靠4个应变片组成桥式测量电路还是远远不够的。由于弹性梁材料金相组织的不均匀性及热处理工艺、应变片性能及粘贴工艺、温度变化等因素的影响，传感器势必产生一定的误差。为了减少传感器随温度变化产生的误差，提高其精度和稳定性，需要在桥路两端和桥臂中串入一些补偿元件。如：初始不平衡值的补偿、零载输出温度补偿、输出灵敏度温度补偿等。
3.1.2 测身高部分
超声波测距原理：
超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。它是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即
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123456停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。 D超声波测身高距系统的硬件电路设计 本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用AT89S52，经济易用。电路原理图如图8所示。 VCCS112345678131215143134置零键R9R11S3VCC开关键S2校准键P10/TP11/TP12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWRP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728R6CR7R8AR10C6VCCR12AC7LM5674AT89C528191812MHZC1130pFC1230pFR13C1310μF9171656712UCM40TUCM40RQ?2N930RP1RXDTXDALE/PPSEN10113029C8C9C10+5V B图3.2 超声波测身高示意图 （1）40kHz 脉冲的产生与超声波发射 测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生 DSH： MOV 14H, #12H；超声波发射持续200ms HERE： CPL P1.0 ；输出40kHz方波 A NOP ； Title NOP ； NOP ； 12345SizeBDate:File:NumberRevision11-Jan-2007E:\\设计\\我的定稿\\图.DdbSheet of Drawn By:6 DJNZ 14H，HERE； RET
电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。 （2）超声波的接收与处理
接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，
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经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C9决定其锁定带宽。调节Rp1在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，身高数据通过8脚送至单片机进行数据处理。电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高。 （3）计算超声波传播时间
在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。
3.1.3 A/D转换模块——ADC0808
AD转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。再此我们用ADC0808实现模数转换。下图为ADC0808芯片及各个管脚。
图 3.3 ADC0808
ADC0808各脚功能如下： D7-D0：8位数字量输出引脚。 IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。
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