一种智能化应变式称重传感器的设计

于雷

（闽南理工学院电子与电气工程系，福建 石狮 362700）

一种智能化应变式称重传感器的设计

于雷

（闽南理工学院电子与电气工程系，福建 石狮 362700）

智能化称重传感器具有精度高，稳定性强、数字式输出以及非线性补偿等优点，在衡器制造行业中的应用越来越广泛，但国内相关产品的研发尚处起步阶段。提出一种数字式智能化应变式称重传感器，介绍了其硬件和软件设计，并给出了实验结果。通过实验数据可以证明，本设计的称重传感器样机整体精度较高，满足设计指标，具有一定的推广价值。

称重传感器；高精度；数据采集

0 引言

随着物联网技术的飞速发展，很多国内外知名企业都开始关注这块极具潜力的“大蛋糕”，而作为数据采集的起始端，传感器所起到的重要作用是不言而喻的，因此传感器行业的发展势头是非常令人看好的。在传感器产业链之中，其核心部件是智能的化数字式称重传感器，但由于我们国家在这个领域的硬实力较之国外发达国家确实存在差距，国内自主研发的相关产品在市场中也是凤毛麟角。所以，对智能化的数字式称重传感器进行研发，既能在技术方面有所积累和提升，又符合市场的发展需求。本设计是在模拟式电阻应变称重传感器的基础上，研发了一种以RS-485作为通信接口，具备自补偿能力、1/300000分辨率、60000分度数综合精度、具有模块化结构的智能化应变式称重传感器。

1 系统硬件设计

1.1设计原理

电阻应变片是硬件设计中的核心，其作用是把被测物体重力转为电信号。电阻应变片通常都结成电桥结构，为保证其输出精度，设计中采取低噪声放大器和高精度模/数转换器对电桥产生的微弱信号进行调理，然后再发送到处理器。此外，温度传感器对测量环境的温度息进行采集后也发送至处理器，以便称重传感器进行有效的温度补偿。最后，称重所得数据在通信接口以数字化形式输出，再通过滤波、补偿等软件处理之后经由RS-485通信接口发至主机。

1.2称重信号采集电路设计

称重信号采集电路的性能高低对数字传感器的测量精度起到至关重要的作用，因此，设计中采用SP4MC6MR的电阻应变片，并采取压控恒流源的方式供电以实现比例称重的测量方式，从而保证其输出电流和模/数转换器参考电压成比例的进行变化。图1是应变片电桥供电电路。

图1　应变电桥供电电路Fig.1 Strain bridge power supply circuit

应变电桥由于信号输出幅度仅为10mV，无法直接进行模/数转换，因此必须将其放大。数/模转换器采取了2.5V大小的参考电压，所以放大电路需要将电桥输出信号放大250倍。考虑到传统放大器的噪声影响，为保证传感器的称重精度，本设计采取斩波放大器搭配低通滤波器构成放大电路，既可消除噪声干扰，也有效避免了频谱混叠的情况出现。设计中选取OPA2227运放，其特点是信噪比较高；各个电阻都采用的是温度特性良好的金属膜电阻，能够有效抑制增益漂移误差［1］；采用ADG820构成模拟开关，仅10ns的切换时间足以将误差控制在最小范围内。

1.3高精度模/数转换器设计

作为采集信号的核心构件，模/数转换器的转换精度对采集数据的精度有着至关重要的影响。设计中采用了CS5532低噪声、双通道24位模/数转换器，其内部包括多路开关、程控多阶数字滤波器、可编程增益放大器、SPI接口、四阶Δ-Σ调制器、时钟发生器以及校准控制系统等，24位数据输出，含自校准系统，对转换器自身增益误差、系统误差都能起到很好的消除作用，还可提供输入差分信号的共模反馈来确保信号完整性。高精度模/数转换器电路如图2所示。

图2　高精度模/数转换器电路Fig．2 High precision A/D converter circuit

1.4MCU管理单元设计

本设计的称重传感器需实现的功能包括采集信号、通信以及处理数据等，对处理器的要求比较高，其功耗也要尽量低，所以设计中采用了的STM32F103C8处理器，在运行速度、运行可靠性方面都满足设计需求，可以实现PWM输出等应用，通信接口非常丰富，价格也非常便宜。

1.5温度采集电路设计

设计中选用TMP275数字温度传感器测量温度。该传感器的分辨率高达0.0625℃，准确度为0.5℃；采用I2C协议的二线制通信接口，工作温度为-40℃至25℃，具备报警模式，便于精度选择和温度报警门限的设置。

1.6信息存储电路设计

本设计需实现对补偿算法的参数、通信地址、传感器本身序列号等信息进行存储的功能，因此选用AT24LC02芯片，作为非易失存储器，其在设计中作为I2C接口E2PROM存储器。

1.7通信接口电路设计

由于称重传感器自身并不具备数据显示和状态指标装置，称重所得数据以及状态信息都必须经通信接口发至目标主机，同时也必须通过接受目标主机所发命令来执行相应动作［2］。所以本设计中选用了RS-485接口来实现通信，所选收发器芯片为MAX485。为加强电路的抗干扰能力和提升工作的可靠性，采用了将工作电源与RS-485通信电源隔离的通信方式［3］。其电路连接如图3所示。

图3　通信接口电路Fig.3 Communication interface circuit

2 系统软件设计

本设计的软件开发过程是在MDK平台实现，该平台是面向基于ARM的嵌入式应用程序开发工具。限于篇幅，这里只介绍在数据采集部分当中，A/D转换和温度采集程序的设计。

2.1A/D转换设计

在硬件电路中经过放大、补偿等处理过程的信号要想保证数据采集正确，需要微处理器经由软件控制A/D转换器操作方可实现，否则将会对后级的信号处理产生影响。本设计中的A/D转换程序流程如图4所示。

图4　A/D转换流程Fig.4 A/D conversion process

2.2温度采集设计

考虑到测量环境的温度变化较为缓慢，因此本设计采取1次/秒的速度对数据进行更新，每1秒对环境温度进行一次采集，同时将温度信息发至消息邮箱。此任务程序代码详见文献［4］。

3 试验与结论

3.1检定试验条件

（1）试验装置：主要包括一个产生系统以及用于对传感器输出信号进行测量的仪表。测试时，将本设计的称重传感器固定，加装托盘后加载砝码产生重力，在上位机软件中即可查看测试输出的数据结果。

（2）试验条件影响因素：主要包括环境条件、温度条件、重力加速度等［5］。

3.2检定试验程序

（1）对重复性误差、传感器误差以及最小静载荷输出温度影响进行测试。

（2）对蠕变误差进行测试。

（3）对加装电子线路的传感器进行附加测试。

3.3试验过程与试验结果

试验中使用恒温箱对环境温度进行模拟，共取15℃、20℃和30℃三个温度点进行测试，测试过程中恒温箱温度设定在测试点温度±1℃范围以内［6］。具体结果如表1所示。

表1　试验结果Tab.1 Test results

从试验测试结果不难看出，不同温度和不同载荷条件下，其最大绝对误差值都不超过0.0004kg，温度变化对称重结果的影响不大，满足B级称重传感器指标。

4 结论

本设计提出的称重传感器所采用的信号调理方法精度较高，通信接口的可靠性强，能对测量误差进行有效的补偿，各项称重指标均达到行业要求，能够很好的应用于各类衡器，具有广阔的应用前景。

［1］谢惠玲．应变式称重传感器技术动向和发展趋势［J］．科技创新导报，2009，14.

［2］杨骁，齐骋，黄炜炜．一种适用于心电信号检测的放大器设计［J］．华侨大学学报，2011，6.

［3］何峥嵘．运算放大器的噪声分析和设计［J］．微电子学，2006，2.

［4］方安平，武永谊．基于MDK RTX的Cortex-M3多任务应用设计［J］．单片机与嵌入式系统应用，2008，12.

［5］尹霞，王东辉．称重传感器蠕变补偿算法研究［J］．安阳工学院学报，2009，4.

［6］郭怀天，李宝华，赵玉侠．基于电阻应变式传感器的电子天平的研制［J］．微计算机信息，2007，6.

Design of Intelligent Strain Gauge Load Cell

YU Lei
（Minnan University of Science and Technology Department of Electrical and Electronic Engineering，Shishi Fujian 362700，China）

The intelligent weighing sensor has many advantages，like high precision，strong stability，digital output，nonlinear compensation and so on，the application is more and more widely in the weighing apparatus manufacturing industry，but the research and development is still in the early stage in our country.This paper proposes a digital intelligent strain type weighing sensor，introduces its hardware design and software design，gives the experimental results.The experiment data proves this weighing sensor prototype has high integral precision，meets the design requirements，so it has popularization value.

intelligent load cell；high precision；data collection

TH715

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.018

1002-6673（2015）02-048-03

2015-02-15

福建省中青年教师教育科研项目资助（JA13351）

于雷（1982-），男，吉林辽源人，工程硕士，讲师。从事电子、电气方面的教学与研究工作。