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人体电子秤单片集成压力传感器弱信号处理研究

时间:2017-11-24 13:45   来源:http://www.shzrhq.com   访问量:

随着人们生活质量的不断提升,以及生活需求多元化的日益发展,在满足了衣食住行之后,人们更加注重合理饮食与身体 保健,体重成为人们日益关注的重要身体健康指标。在这种背景下,设计高智能化、低成本的人体电子秤具有广阔的市场。本文针对 智能人体电子秤的设计,对单片集成压力传感弱信号的处理方法进行分析研究。

在智能人体电子秤设计中,将集成电路与微机电系统进 行单片集成具有突出的意义和价值,能够有效的降低生产成 本,提升传感器性能,而且还易于电子秤轻便、个性化设计, 能够为人体秤设计提供更多的选择。但单片集成的压力传感 器压阻电桥输出较小,不易检测,这就需要对压力传感器信 号进行适当的处理,使其在人体秤数据输出时更加精确。

一、压力传感弱信号处理思路

在基于单片集成的智能人体秤工作时,人体站上电子秤 时,其自身重量会通过人体秤的秤体传递到内部的压力传感 器,压力传感器感受到压力之后产生电阻应变效应,将阻值 变化转变为电压信号,进而实现人体体重按照一定函数关系 转换为电信号。在单片集成下,产生的这个电信号较弱,需 要通过放大电路将此弱信号放大,然后经滤波再由A/D转换 器进行转换。转换后的数字信号经过人体秤CPU的各种运算, 最终将结果显示在LCD显示器上,进而完成了压力传感弱 信号的处理过程。

二、压力传感器敏感单元结构

1、弹性膜片。应用于智能人体秤的压阻式微型压力传 感器的敏感单元通常是由压阻电桥与弹性膜片构成,其中对 秤体压力变化起到感应与信号输出功能的是弹性膜片,其原 理是当人站上人体秤之后,弹性膜片感受到外界带来的压力, 在压力的作用下产生对应性的变形,并由其上力敏电阻构成 的惠斯通电桥将变形转换为电信号输出。在人体电子秤设计 中,压力传感器的弹性膜片通常采用正方形的平面形状,这 种形状有利于得到较高的灵敏度。

2、压阻晶向在膜片上的位置。在智能人体秤的压力传 感器中,硅材料通常选择P型压阻,这种P型硅以剪切压阻 效应为主,忽略横向与正向压阻效应。当硅薄膜受到压力变 形时,内部产生应力,电阻值发生变化,变化率为:

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式中,为压力,T为压阻系数,为/表示纵向,,表 示横向。对于P型硅而言,通过实验分析可知,当压阻围绕 晶面水平和竖直中心线对称放置时,其压阻敏感性不如折叠 放置,因此从压阻信号输出敏感性层面考虑,采取折叠放置 方式。

三、压力传感器弱信号处理电路

3.1放大电路组成结构

由于人体秤设计中压力传感器产生的信号交弱,需要 通过放大电路进行转换,因此放大电路是人体秤的重要组成 部分。首先,在放大电路的前级,采用TS-2型放大器对弱 信号进行第一次转换,压力传感器输出的毫伏级电压转换成 4-20mA电流;其次,在放大电路的中间,加装零位校正电路, 用以完成电流级别的转换,即将4-20mA电流迁移到0-16mA 抑制零点飘移;最后,在放大电路的后级,为了将电流信号 转换为电压信号输出,同时节约成本,采用成本较低的仪器 放大器,提高人体秤精度。

3.2线性放大器电路

在智能人体秤设计中,压力传感信号的放大过程是由放 大电路来完成的,其中放大器的选择至关重要。在本文的研 究中,综合比较了仪表放大器中两运放仪表放大器和三运放 仪表发达器的优劣,最终选取三运放结构的放大器。此外, 对于智能人体秤的压力传感器而言,其对放大电路的转换速 率要求不高,而且传感信号输出也较小,其对放大电路的漂 移、失调、共模抑制比等要求较高,因此仪表放大器的运放 采用双极型放大器。此外,为了实现压力传感弱信号的放大, 放大电路则由单运放电路和偏置电路组成,在电路中可通过 引人电阻,并调整电阻来实现对传感器零点漂移的补偿。

3.3 A/D转换电路

在放大电路中,A/D转换电路采用ADC0809引脚,共 28脚,双列直插式封装。在A/D转换电路中的ADC0809 脚主要实现功能包括:8路模拟信号输人、8位数字量输出、 控制8路模拟通道的切换,此外引脚还包括控制信号端、输 出允许端、启动信号输人端、时钟信号输人端、参考电压输 人端等。在A/D转换电路的ADC0809结构中,0809完成1 次转换需100左右,可对0-5V信号进行转换。

在上述结构完成之后,采用SISC标准双极型模型库与 Cadence软件,对放电器电路进行模拟仿真,结果表明在正 常情况下,该信号放大系统能够稳定运行,其运行的稳定性 良好。在仿真模拟中发现,对于智能人体秤的压力传感弱信 号的放大处理,采用对称结构的放大器结构具有良好的输出 线性度,对基于单片集成的压阻式压力传感器设计具有积极 的意义.


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