系統(tǒng)主要由單片機(jī)、應(yīng)變片傳感器模塊、差動(dòng)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(cè)量從lg~500g的重量，且誤差較小，可滿足設(shè)計(jì)要求。

1.方案論證

處理器模塊:采用STC公司的STC12C5A60S2，此單片機(jī)超 強(qiáng)加密、高速，高可靠、低功耗，超低價(jià)、強(qiáng)抗靜電，強(qiáng)抗十?dāng)_，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(jiǎn)單，性價(jià)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(cè)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(cè)量。

差動(dòng)放大模塊:采用TI公司的IN333芯片構(gòu)成差動(dòng)放大器 模塊電路。IN333為集成運(yùn)放芯片，只需要給其供電，并接人一 個(gè)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(jiǎn)單，引人十?dāng)_較小且更為精確。

木系統(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(hào)輸出，但輸出的電壓信號(hào)過小單片機(jī)無法檢測(cè)，因 此該信號(hào)需經(jīng)IN333放大電路放大后再接人A/D采集模塊，最 后送單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，并顯示當(dāng)前的重量。

2.理論分析與計(jì)算

2.1應(yīng)變片的貼法和粘貼位置

應(yīng)變片的粘貼:應(yīng)變片只有與試件一同伸縮，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(duì)最終的測(cè)量起到至關(guān)重要的作用，位置不對(duì)測(cè)試 的結(jié)果也很難準(zhǔn)確。

2.1.1 應(yīng)變片的粘貼

粘合劑的選用：選用粘合劑時(shí)，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(shí)間 等多個(gè)因素合力選擇粘合劑。常用有502、環(huán)氧樹脂，703硅膠等。

試件處理：為了保證一定的粘合強(qiáng)度，必須將試件表面 處理十浄，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(duì)試件進(jìn)行分析計(jì)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(huì)得到較準(zhǔn)確的測(cè)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(huì)影響最終的 測(cè)量。假設(shè)軸向應(yīng)變?yōu)?/span>A，橫向變形系數(shù)為U，橫向應(yīng)變?yōu)?/span>- UA，粘貼角度偏差為X。則實(shí)際應(yīng)變?yōu)椤?/span>

2.2四臂全橋

四臂全橋在實(shí)驗(yàn)過程中四個(gè)橋臂的電阻阻值都會(huì)發(fā)生變 化，且四臂電橋相比于單臂和雙臂電橋測(cè)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(huì)接收到電壓值所對(duì)應(yīng)的數(shù) 字量，必須找到該數(shù)字量與砝碼重量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此將1g? 500g砝碼依次放人托盤，測(cè)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(cè)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(jì)。

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，懸臂梁材料最好選用鋁合金或其他合金其形變 性更好，對(duì)應(yīng)變力的測(cè)量更為準(zhǔn)確，其他材料也可以作為懸臂 梁的材料但測(cè)量結(jié)果與合金相比還是有一定差距。市面上的 懸臂梁都是合金材料，不含鐵，無法滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過多次 實(shí)驗(yàn)，木設(shè)計(jì)最終確定用兩片鋼條（含鐵，可被磁鐵吸附)來作 為懸臂梁。

3.電路與程序設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由應(yīng)變片傳感器模塊、差動(dòng)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(dòng)放大模塊主要由IN333構(gòu)成差動(dòng)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。系統(tǒng)框圖如圖2 所示：

3.2硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)部分主要是差動(dòng)放大電路，差動(dòng)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 一款自歸零的儀表放大器，具有軌到軌輸人輸出特性，同時(shí)其 內(nèi)建的射頻十?dāng)_濾波器可以有效減少空中電磁波對(duì)儀表放大 器輸人級(jí)的影響，并且芯片的REF引腳可以使輸出含有一個(gè)固 定的直流偏置，方便后端運(yùn)放或ADC電路的設(shè)計(jì)，同樣的需要 一個(gè)低阻抗的電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。差動(dòng)放大電路圖如圖3所示：

在圖3中1、8腳連接電阻R1和5腳連接基準(zhǔn)源TL431，電 阻R1控制增益的大小，基準(zhǔn)源為放大提高靜態(tài)工作點(diǎn)做基 準(zhǔn)。IN333增益大小為：