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項(xiàng)目概述

質(zhì)量是物理學(xué)中的7個(gè)基本量綱之一。在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，我們都需要獲取一個(gè)物體的質(zhì)量，比如購(gòu)買某件商品時(shí)，需要確定其質(zhì)量大小，或者以質(zhì)量作為中間量以進(jìn)一步獲得物體的其他參數(shù)，如質(zhì)心、偏心等。

稱重傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置。按照轉(zhuǎn)換方法的不同，稱重傳感器分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動(dòng)式、陀螺儀式、電阻應(yīng)變式8類，其中，電阻應(yīng)變式的使用最為廣泛。

電阻應(yīng)變式稱重傳感器的工作原理：彈性體（彈性元件、敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成將外力變換為電信號(hào)的過程。

由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的組成部分，下面簡(jiǎn)述這三者的作用。

• 電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲均勻地分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片，其最重要的參數(shù)是靈敏系數(shù)K。

需要說明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān)，不同的材料的K值一般在1.7～3.6。其次K值是一個(gè)無因次量，即它沒有量綱。

• 彈性體

彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件，有兩個(gè)功能，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡。其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)(區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想地完成機(jī)械形變至電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

需要說明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部"情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均"狀態(tài)。

• 檢測(cè)電路

檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便地解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵消，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。

稱重傳感器的出線方式有4線和6線兩種，模塊或稱重變送器的接線也有4線和6線兩種，接線原則是：傳感器能接6線的不接4線，必須接4線的就要進(jìn)行短接。

一般的稱重傳感器都是六線制的，當(dāng)接成四線制時(shí)，電源線（EXC-，EXC+）與反饋線（SEN-，SEN+）就分別短接了。SEN+和SEN-是補(bǔ)償線路電阻用的，SEN+和EXC+是通路的，SEN-和EXC-是通路的。EXC+和EXC-是給稱重傳感器供電的，但是由于稱重模塊和傳感器之間的線路損耗，實(shí)際上傳感器接收到的電壓會(huì)小于供電電壓。

每個(gè)稱重傳感器都有一個(gè)mV/V的特性，它輸出的mV信號(hào)與接收到的電壓密切相關(guān)，SENS+和SENS-實(shí)際上是稱重傳感器內(nèi)的一個(gè)高阻抗回路，可以將稱重模塊實(shí)際接收到的電壓反饋給稱重模塊。在稱重傳感器上將EXC+與SENS+短接，EXC-與SENS-短接，僅限于傳感器與稱重模塊距離較近，電壓損耗非常小的場(chǎng)合，否則測(cè)量存在誤差。稱重傳感器實(shí)物如下圖所示：

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項(xiàng)目架構(gòu)

本篇博文將介紹使用應(yīng)變式稱重傳感器、HX711模塊、Arduino Uno和LabVIEW組成上下位機(jī)小量程電子稱重系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如下圖所示：

項(xiàng)目架構(gòu)

Arduino Uno作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)HX711的讀寫以及數(shù)據(jù)傳輸，LabVIEW編寫的顯示軟件作為上位機(jī)，上下位機(jī)利用USB-TTL接口實(shí)現(xiàn)通信。另外，還可以通過此系統(tǒng)對(duì)未知傳感器進(jìn)行標(biāo)定，以修正誤差，提高測(cè)量精度。

HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其他芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

HX711降低了電子稱重的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道A或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。

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硬件環(huán)境

將HX711模塊的VCC、GND、SCK和DOUT分別接至Arduino Uno控制器的5V、GND、D9和D10;并將HX711模塊的E+、E-、A+和A-分別接稱重傳感器的激勵(lì)電壓正、負(fù)，輸出電壓正、負(fù)（具體接線請(qǐng)查閱所使用的傳感器接線說明），最后將HX711模塊的B+和B-接GND。

為了減少干擾信號(hào)，HX711高精度A/D模塊與電阻式稱重傳感器之間的連接線應(yīng)盡量短，過長(zhǎng)的話會(huì)受到干擾，HX711高精度A/D模塊與Arduino Uno控制器之間的連接線也應(yīng)該盡量短。若一定需要延長(zhǎng)線，則最好使用帶電磁屏蔽的電纜線。效果如下圖所示：

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Arduino功能設(shè)計(jì)

Arduino下位機(jī)部分需要完成以下功能:讀取和傳輸稱重傳感器的輸出信號(hào)，Arduino Uno控制板通過USB-TTL電纜接收上位機(jī)發(fā)來的命令，完成稱重傳感器的數(shù)據(jù)讀取之后，并將數(shù)據(jù)回傳至LabVIEW上位機(jī)軟件。HX711模塊主要完成輸出信號(hào)的高精度A/D轉(zhuǎn)換和給稱重傳感器提供激勵(lì)電源。

另外，還需要查看具體傳感器的靈敏度，以計(jì)算滿量程電壓和增益倍數(shù)。滿量程電壓的計(jì)算公式為︰滿量程輸出電壓=激勵(lì)電壓×靈敏度。以靈敏度1.0mV/V為例，假設(shè)供電電壓為5V，則滿量程電壓為5mV。

通過實(shí)際測(cè)量，HX711高精度A/D模塊輸出的供電電壓為4V左右，則傳感器滿量程電壓為4mV。由于HX711高精度A/D模塊增益倍數(shù)為128或64對(duì)應(yīng)的滿量程差分輸入電壓分別為±20mV或±40mV。為了獲得更高的精度，選擇增益倍數(shù)為128倍。

Arduino Uno控制器負(fù)責(zé)讀取LabVIEW上位機(jī)發(fā)來的質(zhì)量測(cè)量命令，并通過HX71獲取稱重傳感器輸出的電壓值，通過串口發(fā)送回上位機(jī)LabVIEW軟件。Arduino Uno控制器的程序代碼如代碼如下所示：

#include <HX711.h>HX711 hx(9, 10,128);#define HX711_COMMAND  0x10   //采集命令字 byte comdata[3]={0};      //定義數(shù)組數(shù)據(jù)，存放串口接收數(shù)據(jù) void receive_data(void);      //接受串口數(shù)據(jù)void test_do_data(void);         //測(cè)試串口數(shù)據(jù)是否正確，并更新數(shù)據(jù)double sum = 0; void setup(){  Serial.begin(9600);       }void loop(){  while (Serial.available() > 0)   //不斷檢測(cè)串口是否有數(shù)據(jù)   {        receive_data();            //接受串口數(shù)據(jù)        test_do_data();               //測(cè)試數(shù)據(jù)是否正確并更新標(biāo)志位   }}void receive_data(void)       {   int i ;   for(i=0;i<3;i++)   {      comdata[i] =Serial.read();      //延時(shí)一會(huì)，讓串口緩存準(zhǔn)備好下一個(gè)字節(jié)，不延時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，       delay(2);   }} void test_do_data(void){  if(comdata[0] == 0x55)            //0x55和0xAA均為判斷是否為有效命令   {     if(comdata[1] == 0xAA)     {        if(comdata[2] == HX711_COMMAND)        {                        for (int i = 0; i < 10; i++){                sum += hx.read();}            Serial.println(sum/10,2);                  }      }   }}

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LabVIEW功能設(shè)計(jì)

LabVIEW上位機(jī)部分需要完成以下功能：

1、向下位機(jī)Arduino控制器發(fā)送電壓采集命令，Arduino控制器通過串口接收上位機(jī)命令，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集之后并將采集的數(shù)據(jù)回傳，LabVIEW軟件將回傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為質(zhì)量并顯示在前面板上。

2、通過使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)稱重系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，以獲得稱重傳感器的輸出電壓與質(zhì)量的關(guān)系，從而擬合出傳感器的輸出電壓與質(zhì)量的標(biāo)定系數(shù)，用于將傳感器的輸出電壓換算為所稱量的質(zhì)量，而且通過精確的砝碼對(duì)稱重系統(tǒng)進(jìn)行多次標(biāo)定，有利于提高整個(gè)稱重系統(tǒng)的測(cè)量精度。

5.1、前面板設(shè)計(jì)

LabVIEW前面板分為稱重和標(biāo)定兩個(gè)部分，稱重部分主要有讀取標(biāo)定系數(shù)、單次稱重、多次稱重取平均值。標(biāo)定部分主要有5階正反行程的標(biāo)定、計(jì)算擬合系數(shù)和保存擬合系數(shù)。同時(shí)，在標(biāo)定部分設(shè)有一個(gè)超時(shí)測(cè)量電壓的顯示框，以實(shí)時(shí)地顯示當(dāng)前稱重傳感器輸出信號(hào)值的變化情況。小量程電子稱重系統(tǒng)的LabVIEW上位機(jī)前面板，如下圖所示：

5.2、程序框圖設(shè)計(jì)

由于在LabVIEW上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)中需要多次調(diào)用電壓采集子程序，以向ArduinoUno控制器發(fā)送命令碼，并獲取Arduino Uno控制器返回的測(cè)量數(shù)據(jù)，所以將電壓采集子程序設(shè)計(jì)成子Vl，不僅可以簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，還便于調(diào)用。

電壓采集子程序的前面板和程序框圖，如下圖所示：

LabVIEW上位機(jī)主程序的結(jié)構(gòu)為順序結(jié)構(gòu)+While循環(huán)+事件結(jié)構(gòu)。首先，在順序結(jié)構(gòu)中的第一幀中，對(duì)所使用的數(shù)組、中間變量和顯示控件進(jìn)行初始化，在順序結(jié)構(gòu)的第二幀中，通過設(shè)置的串口號(hào)來初始化串口通信。然后，程序進(jìn)入While循環(huán)和事件結(jié)構(gòu)，不斷地檢測(cè)是否有事件得到響應(yīng)，并執(zhí)行，事件結(jié)構(gòu)有"測(cè)量_稱重”、“測(cè)量_讀取標(biāo)定系數(shù)”"、“測(cè)量_計(jì)算平均值"、“標(biāo)定_采集"、“標(biāo)定_擬合"、“標(biāo)定_保存"和“超時(shí)”。最后，關(guān)閉串口通信。

初始化程序框圖如下圖所示：

在“測(cè)量_稱重"事件結(jié)構(gòu)中，通過“采集子程序"讀取Arduino Uno控制器返回的數(shù)據(jù)，并利用標(biāo)定系數(shù)計(jì)算得到所稱量的重量，同時(shí)利用稱重計(jì)數(shù)器將重量數(shù)據(jù)循環(huán)顯示在測(cè)量數(shù)據(jù)中。“測(cè)量_稱重"值改變事件程序框圖如下圖所示：

在“測(cè)量_讀取標(biāo)定系數(shù)"事件結(jié)構(gòu)中，通過“文件對(duì)話框"的選擇來讀取稱重傳感器的標(biāo)定系數(shù)，以用于計(jì)算所稱量的重量，同時(shí)顯示當(dāng)前標(biāo)定系數(shù)，以表示當(dāng)前所使用的標(biāo)定系數(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)大了電子稱重系統(tǒng)的適用范圍，可以通過配置不同量程的稱重傳感器來實(shí)現(xiàn)不同范圍的稱重需求。“測(cè)量_讀取標(biāo)定系數(shù)"值改變事件程序框圖如下圖所示：

在"測(cè)量_計(jì)算平均值"事件結(jié)構(gòu)中，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)數(shù)組的5個(gè)元素累加并除以5，得到所稱量的重量，這種通過多次測(cè)量取平均值的方法可以提高稱重精度，滿足較高精度的稱重需求?！皽y(cè)量_計(jì)算平均值"值改變事件程序框圖如下圖所示：

在“標(biāo)定_采集"事件結(jié)構(gòu)中，通過“采集子程序"讀取Arduino Uno控制器返回的稱重傳感器輸出的電壓信號(hào)，并利用標(biāo)定計(jì)數(shù)器和條件結(jié)構(gòu)將所采集到的數(shù)據(jù)依次顯示在正行程和反行程上。“標(biāo)定_采集"值改變事件程序框圖如下圖所示：

在“標(biāo)定_擬合"事件結(jié)構(gòu)中，通過將正行程和反行程數(shù)組中的電壓數(shù)據(jù)求平均值，與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)組利用線性擬合函數(shù)計(jì)算出擬合系數(shù)，并顯示在標(biāo)定系數(shù)上?！皹?biāo)定_擬合”值改變事件程序框圖如下圖所示：

在“標(biāo)定_保存"事件結(jié)構(gòu)中，通過“文件對(duì)話框"來選擇標(biāo)定系數(shù)的保存路徑，并檢查是否存在相同文件名的文件，如存在則提醒是否替換文件，然后將標(biāo)定系數(shù)以配置文件的格式保存，后綴名為".ini"。“標(biāo)定_保存"值改變事件程序框圖如下圖所示：

當(dāng)2秒內(nèi)無事件被觸發(fā)，則事件結(jié)構(gòu)進(jìn)入“超時(shí)"分支。在“超時(shí)"事件結(jié)構(gòu)中，通過“采集子程序"讀取Arduino Uno控制器返回的稱重傳感器輸出信號(hào)，并將其顯示為前面板上的當(dāng)前電壓值?！俺瑫r(shí)"事件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

除了傳感器的非線性之外，電阻應(yīng)變式稱重傳感器溫度漂移的偏差值也不容忽視，可以在系統(tǒng)中加入溫度傳感器（例如DS18B20)，并在計(jì)算重量時(shí)進(jìn)行線性溫度漂移修正。

另外，選擇較高精度的稱重傳感器，還可以利用此小量程電子稱重系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物體的質(zhì)量質(zhì)心的測(cè)量，例如，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)。