簡(jiǎn)易數(shù)位化彈簧秤

1、.簡(jiǎn)易數(shù)位化彈簧秤組員：林聖展、王佳勳、李昭典、劉韋逸德霖技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系日五專0922指導(dǎo)老師：諶其騮摘要力的量測(cè)是常見的科學(xué)活動(dòng)及交易行為。彈簧秤雖然平價(jià)，但不易讀取測(cè)值。本專題有鑑於單晶片功能日益增強(qiáng)而價(jià)格愈加便宜，因此想開發(fā)一種體積小，方便攜帶保管、需求電力小、能顯示數(shù)位化秤值的彈簧秤，方便數(shù)據(jù)讀取。並提供數(shù)位化傳輸界面，供主控端擷取數(shù)據(jù)。對(duì)於教學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的進(jìn)行更為方便。本專題成品稱為”簡(jiǎn)位化彈簧秤”，其實(shí)用度、普及性、準(zhǔn)度以及價(jià)位適於中等學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)及學(xué)生專題、科學(xué)專題之研究活動(dòng)。致謝我們要感謝孕龍科技公司借給我們邏輯分析儀器，還要感謝諶其騮老師每天留下來指導(dǎo)我們，以及假日辛苦到學(xué)

2、校指導(dǎo)。謝謝！*;一、 前言1.1 創(chuàng)作動(dòng)機(jī)日常所見的彈簧秤雖然平價(jià)，但不易讀取測(cè)值。本專題有鑑於單晶片功能日益增強(qiáng)而價(jià)格愈加便宜，因此想開發(fā)一種體積小，方便攜帶保管、需求電力小、能顯示數(shù)位化秤值的彈簧秤，方便數(shù)據(jù)讀取。1.2 創(chuàng)作目的我們創(chuàng)作的目的是為了開發(fā)一個(gè)低價(jià)位，功能簡(jiǎn)單，可以提供數(shù)位化界面的彈簧秤。除了上面有七段顯示器方便使用者讀取秤值外，另提供I2C界面供主控端(電腦)擷取數(shù)據(jù)。中小學(xué)物理實(shí)驗(yàn)時(shí)用的彈簧秤，其刻度約為總秤量的2%。因此我們暫定本作品的精確度在1%1.3 作品功能本作品的功能是一種體積小，方便攜帶保管、需求電力小、能顯示數(shù)位化秤值的彈簧秤，方便數(shù)據(jù)讀取。並提供數(shù)位化傳

3、輸界面，供主控端擷取數(shù)據(jù)。對(duì)於教學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的進(jìn)行更為方便。1.4 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力方面，本專題成品之功能、準(zhǔn)度及價(jià)位適於中小學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)及科學(xué)專題研究活動(dòng)。目前中小學(xué)物理實(shí)驗(yàn)用的拉力彈簧秤精度為：最小的彈簧秤滿刻度200g時(shí)感度為5g，最大的彈簧秤滿刻度5000g時(shí)感度為100g。二、 工作原理2.1 本作品之工作原理參考本作品結(jié)構(gòu)圖9，將磁性元件(磁鐵)固定在彈簧秤的負(fù)荷端，霍爾元件固定不動(dòng)。當(dāng)負(fù)荷將彈簧變形使磁性元件移動(dòng)至平衡位置時(shí)，霍爾元件會(huì)感應(yīng)到不同的電壓。在某一小範(fàn)圍內(nèi)，此電壓和位移成線性關(guān)係。把霍爾電壓訊號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路，將訊號(hào)放大並適度偏壓後把電壓校準(zhǔn)好，送入單晶片的A/D轉(zhuǎn)

4、換器，即可得到數(shù)位化之量值。將此值透過七段顯示器對(duì)外顯示。只要在訊號(hào)處理部份，把電壓校準(zhǔn)好，數(shù)位值即可直接代表所需單位之秤值。我們使用老師介紹我們的一個(gè)磁鐵模擬軟體Vizimag 3.15，這個(gè)模擬軟體可以模擬出各種情形的磁力線和磁力強(qiáng)度，還可以知道每一點(diǎn)的磁力強(qiáng)度，我們用這些數(shù)據(jù)Excel算出各種情形的強(qiáng)度及方向,算出他的實(shí)際數(shù)值，再計(jì)算畫出水平分量圖,如圖1所示。再用Excel畫出的水平分量圖取出中間較直的一個(gè)線段，在用找出的線段兩點(diǎn)算出直線分量，再用實(shí)際分量和直線分量算出各種情形的線性度就拿來做比較，看哪一種情形的線性度較好，參考圖2，做為研討。我們想到物理實(shí)驗(yàn)時(shí)用到的彈簧秤，非常傳統(tǒng)，

5、雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，但擷取數(shù)據(jù)就不能自動(dòng)化。如果把彈簧秤受負(fù)荷後的位移量用位移感測(cè)器加以檢測(cè)並輸出數(shù)位化的數(shù)據(jù)，不但方便判讀，也可以把量測(cè)工作數(shù)位化，由電腦讀取實(shí)驗(yàn)資料。由於彈簧秤本來就不是很貴的器材，考量?jī)r(jià)格因素，我們捨棄電感式(LVDT)。光電式在我們的測(cè)試中，線性度不太理想，也暫時(shí)不考慮。目前計(jì)畫採(cǎi)用霍爾元件和磁鐵作為彈簧秤位移量的感測(cè)器。圖1 磁鐵模擬軟體得到的磁力和位移的關(guān)係，可以見到中間有一段線性範(fàn)圍，可利用它來作位移感測(cè)，也可以藉此感測(cè)彈簧的受力變形。2.2 霍爾元件工作原理霍爾效應(yīng)是指當(dāng)固體導(dǎo)體有電流通過，且放置在一個(gè)磁場(chǎng)內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產(chǎn)生

6、電壓。電場(chǎng)力會(huì)平衡洛倫茲力。霍爾感測(cè)元件及圖2 不同形態(tài)的組裝位置對(duì)磁力和線性度的比較。藉此決定比較適宜的組裝位置。2.3 其它方式的優(yōu)缺點(diǎn)感測(cè)器部份，電感式(LVDT)線性度、靈敏度都很高。通常感測(cè)器內(nèi)部有超過兩組以上的線圈，位移變化會(huì)被轉(zhuǎn)化為線圈的磁阻變化。此類感測(cè)器中最常見的是LVDT（線性差動(dòng)變壓器），因具有靈敏度高、精確度高、體積小、質(zhì)量輕，與耐用等優(yōu)點(diǎn)，且沒有溫、溼度之限制，故常被應(yīng)用於許多工業(yè)品管的場(chǎng)合中，其作用原理與變壓器類似，讓導(dǎo)磁磁蕊在線圈中移動(dòng)進(jìn)而改變線圈電壓感應(yīng)量，其電訊號(hào)輸出量正比於可動(dòng)磁蕊的位置。但本身價(jià)格高，而其驅(qū)動(dòng)電路也很貴。不適用於簡(jiǎn)易的彈簧秤。光電式，利用遮

7、蔽片的位移決定遮蔽光線的多少，而產(chǎn)生不同的電壓。在我們的測(cè)試中，線性度不太理想，也暫時(shí)不考慮。另外，也可考慮光學(xué)編碼器、電容式、渦電流式等位移感測(cè)器。但礙於時(shí)間經(jīng)費(fèi)的限制，在本專題中，暫不考慮。2.3 本作品的技術(shù)來源霍爾元件的感測(cè)器基本技術(shù)來自上一屆學(xué)長(zhǎng)的專題經(jīng)驗(yàn)。而磁性元件部份的模擬，是本學(xué)期初本組同學(xué)用老師給我們的一個(gè)模擬軟體探討的成果。單晶片的知識(shí)，來自上學(xué)年的8051程式設(shè)計(jì)課程，以及盛群半導(dǎo)體辦理的講習(xí)和指導(dǎo)老師的教導(dǎo)。圖3磁鐵模擬軟體Vizimag模擬磁鐵的磁力線三、 作品結(jié)構(gòu)3.1 硬體部分本作品結(jié)構(gòu)如圖9，將磁性元件(磁鐵)固定在彈簧秤的負(fù)荷端，霍爾元件固定不動(dòng)。當(dāng)負(fù)荷將彈簧

8、變形使磁性元件移動(dòng)至平衡位置時(shí)，霍爾元件會(huì)感應(yīng)到不同的電壓。在某一小範(fàn)圍內(nèi)，此電壓和位移成線性關(guān)係。把霍爾電壓訊號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路，將訊號(hào)放大並適度偏壓後把電壓校準(zhǔn)好，送入單晶片的A/D轉(zhuǎn)換器，即可得到數(shù)位化之量值。將此值透過七段顯示器對(duì)外顯示。為節(jié)省電源，可以按鈕選擇進(jìn)入省電模式。在省電模式下，要顯示量測(cè)值時(shí)，要按一下量測(cè)按鈕，則七段顯示器可顯示約二十秒的讀值。實(shí)際設(shè)計(jì)的裝置，如圖4所示。圖4 彈簧秤硬體結(jié)構(gòu)圖。彈簧在內(nèi)側(cè)，牽動(dòng)圓柱形的磁鐵移動(dòng)?；魻柛袦y(cè)器(前面方形部份)不動(dòng)，在不同荷垂下，可以測(cè)出不同霍爾電壓3.2 軟體部分主程式MAIN：INITIALIZESEC01_UP = 0TIM

9、E_UP = 1SW_MS = 0SW_SAVE= 1WHILE(1)IF SEC01_UP=1 (每隔0.1秒), THENIF SW_SAVE= 0 OR TIME_UP = 0 (非節(jié)電或單次量測(cè)進(jìn)行中)THENCALL MS(MS為基本量測(cè)副程式)ENDIFSEC01_UP=0ELSE (DO NOTHING)ENDIFEND WHILE中斷程式MS_SW：中斷因素量測(cè)按鈕被按下。程式動(dòng)作：設(shè)定旗標(biāo)SW_MS為，設(shè)TIME_UP為0返回中斷程式SAVE_SW：中斷因素省電模式按鈕被按下。程式動(dòng)作：將旗標(biāo)SW_SAVE反向(0變1或1變0)返回中斷程式TIICKED：中斷因素計(jì)時(shí)器溢位。

10、程式動(dòng)作：將時(shí)基計(jì)數(shù)器TICKS加1，IF TICKS > SEC_01 (0.1秒)：設(shè)SEC01_UP為1設(shè)TIME_01SEC = TIME_01SEC + 1設(shè) SHOW_01SEC = SHOW_01SEC + 1TICKS = 0ENDIFIF SHOW_01SEC > 200 (二十秒)，設(shè)TIME_UP為1SHOW_01SEC= 0ENDIF返回基本量測(cè)副程式MS：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換功能執(zhí)行延遲副程式，等待電路穩(wěn)定得到轉(zhuǎn)換值，存到量值變數(shù)METER將METER值線性化處理，以提高準(zhǔn)確度，再存回量值變數(shù)METER依METER值，更新七段顯示器返回四、測(cè)試方法4.1 測(cè)試程

11、序我們測(cè)量磁鐵在不同位移下的霍爾電壓值。再用測(cè)量出來的數(shù)據(jù)，用Excel畫出如圖5、我們?cè)儆眠@個(gè)圖取他中間比較線性的區(qū)域，作 為設(shè)計(jì)範(fàn)圍。圖6的中間部份數(shù)據(jù)即是我們採(cǎi)用的設(shè)計(jì)範(fàn)圍。圖5霍爾電壓和位移關(guān)係圖4.2 測(cè)試結(jié)果取上述測(cè)後，中間比較線性的區(qū)域，作 為設(shè)計(jì)範(fàn)圍。圖中我們比較的結(jié)果顯示，在線性部份，其誤差在百分之一以下，如表1之relative error一欄所示。符合我們簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)的需求目標(biāo)。圖6霍爾電壓和位移線性圖表1 線性區(qū)域相對(duì)誤差表位移電壓迴歸值errorrelative error-0.4-0.0144-0.01492-0.000520.0138 -0.3-0.0119-0.01

12、215-0.000250.0066 -0.2-0.0096-0.009380.0002220.0059 -0.1-0.0069-0.00660.0002950.0078 0-0.0043-0.003830.0004680.0123 0.1-0.0013-0.001060.0002410.0063 0.20.00150.0017140.0002140.0056 0.30.00440.0044878.67E-050.0023 0.40.00760.00726-0.000340.0090 0.50.01020.010032-0.000170.0044 0.60.0130.012805-0.000190.0051 0.70.01580.015578-0.000220.0058 0.80.01840.018351-4.9E-050.0013 0.90.02120.021124-7.6E-050.0020 10.02360.0238970.0002970.0078 5. 參考文獻(xiàn)1HT46xx微控制器理論與實(shí)務(wù)寶典，鍾啟仁著，全華科技圖書，2004年。2感測(cè)器，陳瑞和著，全華科技圖書，2000年。 3實(shí)用電子電路實(shí)作應(yīng)用，舒福壽著，臺(tái)