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基于單片機(jī)的簡易電子秤
系統(tǒng)主要由單片機(jī)、應(yīng)變片傳感器模塊、差動放大模塊(由IN333構(gòu)成的)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(HX711AD采集芯片)、顯示模塊、電源模塊組成。通過系統(tǒng)軟硬件調(diào)試，可以測量從1g～500g的重量，且誤差較小，可滿足設(shè)計要求。
1 方案論證
處理器模塊：采用STC公司的STC12C60S2，此單片機(jī)*加密、高速，高可靠、低功耗，*、強(qiáng)抗靜電，強(qiáng)抗干擾，且具有內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換接口不需要外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換PWM，操作也較為簡單，性價比較高。
傳感器模塊：采用臂全橋傳感器電路，該電路具有零點(diǎn)補(bǔ)償，消除了溫度帶來的誤差，測試結(jié)果誤差大大減小，靈敏度很高，可以用于微小物體的測量。
差動放大模塊：采用TI公司的IN333芯片構(gòu)成差動放大器模塊電路。IN333為集成運(yùn)放芯片，只需要給其電，并接入個相應(yīng)大小的電阻就可以很好的控制器放大倍數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，引入干擾較小且更為。
本系統(tǒng)先通過四臂全橋電路將應(yīng)變片的電阻變化量轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，但輸出的電壓信號過小單片機(jī)無法檢測，因此該信號需經(jīng)IN333放大電路放大后再接入A/D采集模塊，后送單片機(jī)進(jìn)行計算，并顯示當(dāng)前的重量。
2 理論分析與計算
2.1 應(yīng)變片的貼法和粘貼位置
應(yīng)變片的粘貼：應(yīng)變片只有與試件同伸縮，才能較好的反映試件的應(yīng)變，所以應(yīng)變片必須粘貼在試件上粘貼要牢固。粘貼的位置對的測量起到至關(guān)重要的作用，位置不對測試的結(jié)果也很難準(zhǔn)確。
2.1.1 應(yīng)變片的粘貼
1)粘合劑的選用：選用粘合劑時，要根據(jù)應(yīng)變片的基片材料、工作溫度、潮濕程度、穩(wěn)定性要求、有無化學(xué)腐蝕、粘貼時間等多個因素合力選擇粘合劑。常用有502、環(huán)氧樹脂，703硅膠等。
2)試件處理：為了保證定的粘合強(qiáng)度，必須將試件表面處理干凈，清除雜質(zhì)、油污及表面氧化層等。粘貼表面保持平整，表面光滑。
2.1.2應(yīng)變片的位置
粘貼應(yīng)變片的位置很重要，對試件進(jìn)行分析計算找出試件的應(yīng)變區(qū)將應(yīng)變片良好的粘貼在應(yīng)變區(qū)才會得到較準(zhǔn)確的測量數(shù)值。
軸向拉伸試驗(yàn)，粘貼在應(yīng)變區(qū)后粘貼角度也會影響的測量。假設(shè)軸向應(yīng)變?yōu)锳，橫向變形系數(shù)為U，橫向應(yīng)變?yōu)?UA，粘貼角度偏差為X。則實(shí)際應(yīng)變?yōu)椤?/p>
2.2 四臂全橋
四臂全橋在實(shí)驗(yàn)過程中四個橋臂的電阻阻值都會發(fā)生變化，且四臂電橋相比于單臂和雙臂電橋測量準(zhǔn)確性大大提高，也更加靈敏，具有零點(diǎn)補(bǔ)償，和溫度補(bǔ)償在惡劣環(huán)境中也可以較好工作。并且在橋式電路中相鄰應(yīng)變片應(yīng)該接相反電阻變化的(即拉伸的應(yīng)變片與壓縮的應(yīng)變片必須都相鄰)。電橋電路如圖1所示：
2.3 輸入輸出數(shù)據(jù)擬合方程
通過A/D采集模塊后，單片機(jī)會接收到電壓值所對應(yīng)的數(shù)字量，必須找到該數(shù)字量與砝碼重量的對應(yīng)關(guān)系。因此將1g～500g砝碼依次放入托盤，測量10次加砝碼和減砝碼的數(shù)據(jù)，通過excel表格，找出多次測試數(shù)據(jù)之間的擬合方程，依據(jù)該擬合進(jìn)行程序設(shè)計。
2.4 懸臂梁選擇
懸臂梁在試驗(yàn)中起著至關(guān)重要的作用，應(yīng)變片粘貼在上面，主要的受力體與形變體。懸臂梁的形狀是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性決定性因素，懸臂梁材料選用鋁合金或其他合金其形變性更好，對應(yīng)變力的測量更為準(zhǔn)確，其他材料也可以作為懸臂梁的材料但測量結(jié)果與合金相比還是有定差距。市面上的懸臂梁都是合金材料，不含鐵，無法滿足設(shè)計要求。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計確定用兩片鋼條(含鐵，可被磁鐵吸附)來作為懸臂梁。
3 電路與程序設(shè)計
3.1系統(tǒng)組成
系統(tǒng)主要由應(yīng)變片傳感器模塊、差動放大模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、電源模塊組成。應(yīng)變片傳感器模塊主要由傳感器橋式電路構(gòu)成;差動放大模塊主要由IN333構(gòu)成差動放大電路;A/D采集模塊主要由HX711AD采集芯片來實(shí)現(xiàn);顯示模塊采用顯示較為全面直觀的12864作為顯示器件;電源模塊用的是整流橋加三端穩(wěn)壓管構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源。
3.2硬件電路設(shè)計
硬件電路設(shè)計部分主要是差動放大電路，差動放大電路是由TI公司的芯片IN333、基準(zhǔn)源構(gòu)成。IN333是TI公司生產(chǎn)的款自歸零的儀表放大器，具有軌到軌輸入輸出特性，同時其內(nèi)建的射頻干擾濾波器可以有效減少空中電磁波對儀表放大器輸入的影響，并且芯片的REF引腳可以使輸出含有個固定的直流偏置，方便后端運(yùn)放或ADC電路的設(shè)計，同樣的需要個低阻抗的電壓進(jìn)行驅(qū)動。