电子称设计说明书.doc

前 言 电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。 本课程设计的电子秤是利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲V改为重量纲g即成为一台原始电子秤。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示路中去，最后由显示电路显示出测量结果。 由于溶剂使用率的减少，以及更为强大的物质出现，需要提高过程称重仪表精确度的呼声越来越高。例如研究显示，随着新型甜味剂的出现，消费者可以识别1ppm的偏差。这相当于一批重量为一吨的产品中一克的偏差。过程称重技术是可在如此广的范围内精确并且可靠测量的为数不多的测量过程之一。由于该过程具有高度的动态性，因此还可确保测量设备的灵活应用，这在需要制造的产品经常变化的情况下十分重要。为了确保过程的质量与可再生性，梅特勒-托力多所生产的MinWeigh为用户提供了根据所使用称重设备以及所需精确度计算与监测最小重量的智能称重功能。在这种情况下，必须了解准确性、重复性以及分辨率的实际意义。在称重技术领域中，许多制造商开始采用在不提高精度和重复性等相关参数的情况下提高显示精度的做法。尽管通过这种方法从表面上看可以达到更高的精度，但是进一步分析证实这是一种错误的做法。即使对于料罐的液位测量而言，提高使用超声波的标准液位测量方法精确性的需求促使了基于称重的解决方案的出现。目前，即使是重量超过百吨的料罐仍可“放在秤上”。由于这种称重技术可在无需接触介质的情况下直接进行质量测量，并且可耐受泡沫与水气的影响，因此还可用于其他诸多的关键应用。在工业，农业，制造业加工领域当中，过程称重技术正在越来越多的应用中发挥着重要作用。人们恐怕想不出许多能够与称重一样令人熟知与随处可见的测量过程。无论是在浴室秤上测量自己恼人的体重，还是在机场办理手提箱托运，称重几乎是一种随处可见的过程。那么究竟哪些是最为重要的传感器技术、发展与未来开发产品呢?应变片的应用基于应变片的传感器始终具有较高的称重精确度。在过去的10年当中，这种称重传感器的精确度提高了5倍，这意味着应变片式称重传感器可以用于此前力补偿传感器可以使用的应用领域当中。目前，基于应变规的测量系统用于水箱与锅炉称重、罐装系统、称重平台与检重秤。由于这种测量原理具有机械坚固性以及外等功能，因此很有可能在未来获得极高的普及率。 压力补偿在生产环境中使用力补偿传感器的愿望可以令人理解。没有其他的任何测量原理可以在如此广的范围内提供如此精确并且可靠的结果。随着最新工业开发成果的问世，这些传感器现已能够在需要较高防护等级保护的危险区域内使用。复杂的过滤器算法，加上强大的微处理器，能够很可靠地区分质量与环境影响的有效变化。内置检测砝码可确保随时对测量结果进行校准与验证。除了平台秤之外，常规应用包括配料、高精密灌装以及检重。传感器技术前景当今的称重解决方案通常基于两种传感器技术：应变片技术与力补偿技术。以往，高分辨率力补偿传感器主要用于实验室。与之相反，应变片技术用于许多工业应用。但现在两种重要发展已经开始消除了这种差异，那就是：应变片传感器的分辨率更高以及力补偿传感器在过程应用中的使用频率正在增加。1 绪 论1.1数字电子秤简介人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除。1.2 数字电子秤的基本原理电阻应变式传感器输出信号差动放大电路放大信号显示电路A/D转换电路数字电子秤一般由以下5部分组成：传感器、信号放大系统、模数转换系统、显示器系统。其原理图如图（1）所示。图（1）电子秤的测量过程实际是通过传感器将被测物体的重量转换成电压信号输出，放大系统把来自传感器的微弱信号放大，放大后的电压信号经过模数转换把模拟信号转换成数字量，数字量通过显示器显示重量。2 系统设计2.1 传感器部分 2.1.1 电阻应变式传感器的组成以及原理电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：电阻丝温度系数引起的，电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。单臂电桥测量电路中，将一个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1R2R3R4，其变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压UoutKE/4。2.1.2 电阻应变式传感器的测量电路常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.0000010.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.00050.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压+6V，另一个对角线为输出电压-6V。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。桥式电路图如下：图2 桥式测量电路图它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1R2R3R4350，加热丝阻值为50左右，测量电桥的电源由稳压电源Uin供给。将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位R5，使数显表显示0.00V，就可以称重，成为一台原始的电子秤。 2.2 差动放大部分 2.2.1集成运放LM358的介绍特性： 内部频率补偿 直流电压增益高(约100dB） 单位增益频带宽（约1MHz） 电源电压范围宽：单电源（3-30V）； 双电源（土1.5-土15V） 低功耗电流，适合与电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 供模输入电压范围宽，包括接地 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V) 图3 LM358外观图LM358内部包括两个独立的高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适合于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的适用范围包括传感器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封转形式有塑封8引线双列直插式贴片图4 LM358引脚图2.2.2 放大部分电路图 改放大部分采用仪用放大器电路如图5所示，它是由运放U1,U2按同向输入接法组成第一级差分放大电路，U1,U2有LM358芯片集成，运放U3组成第二级差分放大电路，在第一集电路中，在U1,U2的同相端加电压V1,V2,R17和R9，R10组成反馈网络，引入了负反馈，两运放U1,U2的两输入端形成虚短和虚断，因而有和,故得 (2.2.1)根据式（2.2.1）的关系，可得 (2.2.2)于是电路的电压增益为 (2.2.3) 在仪用放大器中，通常R2，R3和R4为给定值，R1用可变电阻代替，调节R1的值，即可改变电压增益。 由于输入信号V1和V2都是从U1,U2的同相端输入，前已提及，电路出现虚短和虚断现象，因而流入电路的电流等于0，所以输入电阻,目前，这种仪用放大器已有多种型号的单片集成电路产品，在测量系统中应用很广。图5 放大电路原理图2.3 A/D转换部分 2.3.1 芯片的介绍一个电子秤系统最重要的参数是内部分辨率、ADC动态范围、无噪声分辨率、更新速率、系统增益和增益误差漂移。该系统必须设计成比率工作方式，所以它与电源电压波动无关。ICL7106和ICL7107是高性能，低功耗三位半数字A/D转电路。它包含七段译码器，显示驱动器，参考源和时钟系统。ICl7107可直接驱动数码管，具有低于10V自动校零功能，零漂小于1V/C低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。由于两个输入端最大承受电压为200mV因此要实现最大值为2000mV的显示可以用以下分压形式（本设计所采用的）如图5所示：ICl7107型A/D转换器是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模的CMOS集成电路，它具有功耗低、输入阻抗高、噪声低，能直接驱动共阳极LED显示器，不需另加驱动器件，使转换电路简化等特点。由于所选用的芯片ICl7107已经具有译码功能，故在显示时只需要接上数码显示器即可用于显示。管脚分布如下表1所示： 表1 ICl7107管脚说明端 名功 能V+和V-电源的正极和负极aUgUaTgTaHgH个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接至个位、十位、百位数码管的相应笔画电极abk千位笔画驱动信号，接千位数码管的a、b两个笔画电极PM负极性指示的输出端，接千位数码管的g段。PM为低电位时显示负号INT积分器输出端，接积分电容BUF缓冲放大器的输出端，接积分电阻AZ积分器和比较器的反相输入端，接自动调零电容IN+、IN-模拟量输入端，分别接输入信号的正端与负端COM模拟信号公共端，即模拟地CREF外接基准电容端VREF+、VREF-基准电压的正端和基准电压的负端TEST测试端。该端经500电阻接至逻辑线路的公共地。当作“测试指示”时，把它与V+短接后，LED全部笔画点亮，显示数1888OSC1OSC2时钟振荡器的引出端，外接阻容元件组成多谐振荡器图6 ICL7107管脚图 2.3.2 数码显示电路的选择 由于A/D转化选择的ICL7107，所以显示部分直接接入四个共阳极数码管即可，简单方便，容易操作。可以避免外接电路复杂的情况，同时也能很准确的显示出当前物体的重量。 2.3.3 A/D转换电路图 图7 A/D转换电路图 2.4 显示部分由于所选用的芯片ICL7107已经具有译码功能，故在显示时只需要接上数码显示器即可用于显示。其电路如图9：图8 数码显示电路总 结目前，电子秤正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。ICL7107采用较小的封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少，满足了电子秤小型化的需求；其内置各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过SPI接口方便地控制和读取这些寄存器，满足了电子秤智能化的需求。因此ICL7107是电子秤中模数转换器的理想选择。在电子技术的课程设计中，我们花了大量的时间和精力进行资料查阅和方案论证，结合自己所学，认真解决每一个功能模块中遇