课程设计（论文）-数字电子秤的设计.doc

目 录1实验目的、意义 12 模块电路设计及比较 22.1电源模块 22.1.1 电源原理 2 2.1.2 电源电路图 3 22 数据采集、放大及零位调整模块 32.2.1 称重传感器 32.2.2 压敏电阻 42.2.3放大、零位调整电路 523 A/D转换模块 724 数码管显示模块 92.4.1 LED显示器结构及分类 92.4.2 LED显示器分类 102.4.3 LED显示器的参数 113 电子秤的设计考虑 113.1 比率式测量方式 113.2 PCB布线 124 系统测试 125 本文小结 12附录A 13附录B 13附录C 14参考文献 14致谢 15数字电子秤的设计摘 要本设计分五个模块：电源模块、数据采集及放大模块、模数（A / D）转换模块、自动换档模块、显示模块。本电路应用压敏电阻构成秤重电桥来采集电压的微小变化，经过放大电路放大后送入A/D转换芯片CC7107，对输入电压信号进行转换成数字量输出；显示模块直接连接数码管构成，显示实际测量值。同时根据输出，自动判断出所加压力的大小来改变量程，实现自动换挡。外部电路非常简单，方便制作。关键字： 模数（A / D）转换 秤重电桥 压敏电阻 自动换档The design that the numerical electronics callsAbstructThis design divides five mold pieces:The power supply mold piece, data collects and enlarges a mold piece, mold several and shift gear a mold piece, the manifestation mold piece automatically.This electric circuit application presses quick electric resistance composing steelyard heavy electricity bridge to collect the small variety of electric voltage, has been enlarged electric circuit to send into A/D a conversion the chip CC7107 after enlarging, to importation the electric voltage signal carry on a conversion numerical quantity exportation;Show a mold piece a direct conjunction figures tube to constitute, show actual measured value.In the meantime according to exportation, judge the size of pressure that add automatically to change a quantity distance, the realization changes to block automatically.The exterior electric circuit is very simple, convenience creation.Keywords: mold several and shift gear steelyard heavy electricity bridge presses quick electric resistance composing changes to block automatically实验目的、意义在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。大多数电子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率输出最终的称重值，使用12 bit14 bit的模数转换器很容易满足要求。设计中主要考虑峰峰值（PP）噪声分辨率、ADC的动态范围、增益漂移和滤波。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。1.总体设计方案与比较方案一：通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片CC7107进行A/D转换，由于此芯片可直接用于数字显示，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。此方案的优点是外部电路非常简单，但同能实现较高的精度。缺点是无法对A/D转换进行控制。数据采集电路A/D转换电路放大电路显示电路图1.1 方案一方框图方案二：通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片AD7799进行A/D转换，转换后的数字量输入单片机，有单片机进行数据处理和对A/D转换的控制，再有单片机输出显示信号，通过显示电路进行显示。此方案的优点是可控制性好，电路简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限。但要求是用我们所学的数字电路知识，运用简单数字芯片进行设计，单片机需要编写程序进行数据处理。故我们不采用。其电路方框图如图1.2所示：数据采集电路A/D转换单片机放大电路显示电路自动换档电路图1.2 方案二方框图2 模块电路设计及比较系统硬件以CC7107为核心，包括电源模块、数据采集及放大模块、A/D转换模块、自动换档模块、数码管显示模块。21 电源模块本设计只用到电源一种：即+5V.2.1.1 电源原理稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2.1 图2.1 电源方框及波形图A、 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。B、 稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电 压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。2.1.2 电源电路图集成三端稳压芯片LM7805具有比较高的精确度，加上电容的滤波，对电路可以提供比较稳定的电压。图2.2中电路提供+5V的电源；主要用于电桥数据采集、信号放大电路、A/D芯片（CC7107）、数码显示。其中+5 V给CC7107供电；-5V为CC7107参考电压和用于调零电路。由于要求输出的电流最大值为2000mA，而且取样电阻为1欧所以要求CC7107输出的电压至少为2伏，通过计算-5伏的电压足够实现上述要求。图2.2电源原理图22 数据采集、放大及零位调整模块2.2.1 称重传感器 采用称重传感器的电子秤,基本上是测量质量受地球引力的作用下而产生的力。由于引力受海拔高度而变化，当电子秤移到引力不同的地方时，必须对该称重重新校准。称重传感器把机械力转换成一个电气量，有称重传感器来的电信号经过放大和处理后，在模拟指针仪表或记录器上给出偏转量，或通过模/数转换后在数字显示器上显示，或同时输入到电子数据处理系统。从称重传感器来的模拟信号在模/数转换器（A/D）中转换，重量值在数字显示器上显示出来。最普遍的电子秤应用桥式称重传感器实现，称重传感器的输出电压直接与放在其上的重量成比例。图1示出了典型的称重电桥一个具有至少两个可变桥臂的4电阻结构的电桥，所称重量引起的电阻变化可产生一个叠加在2.5 V（电源电压的一半）共模电压之上的差分电压。典型的电桥通常使用300 的电阻器。称重传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。(1)灵敏度称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值，典型值是2mV/V。当使用2 mV/V灵敏度和5 V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10 mV。通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。因此满度输出电压应当大约为6 mV。当电子秤应用于工业环境时，在6 mV满度范围内测量微小的信号变化并非易事。(2)总误差总误差是指输出误差和额定误差的比值。典型电子秤的总误差指标大约是0.02%，这一技术指标相当重要，它限制了使用理想信号调节电路所能达到的精确度，决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。(3)漂移称重传感器也产生与时间相关的漂移。图2示出24小时范围内测量的实际称重传感器漂移特性。测量结果表明（使用24 bit ADC测量的bit变化数量）具有125 LSB或大约7.5 ppm的总体漂移。2.2.2 压敏电阻压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。 压敏电阻的响应时间为ns级，比空气放电管快，比TVS管稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。压敏电阻的结电容一般在几百到几千pF的数量级范围，很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中，应用在交流电路的保护中时，因为其结电容较大会增加漏电流，在设计防护电路时需要充分考虑。压敏电阻的通流容量较大，但比气体放电管小。压敏电阻的压敏电压（min(U1mA)）、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中，应当有：min(U1mA) (1.82)Udc，式中Udc为回路中的直流额定工作电压。在交流回路中，应当有：min(U1mA) (2.22.5)Uac，式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时，有适当的安全裕度。在信号回路中时，应当有：min(U1mA)(1.21.5)Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言，压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量。压敏电阻主要可用于直流电源、交流电源、低频信号线路、带馈电的天馈线路。压敏电阻的失效模式主要是短路，当通过的过电流太大时，也可能造成阀片被炸裂而开路。压敏电阻使用寿命较短，多次冲击后性能会下降。因此由压敏电阻构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题。 在消费类电子产品中，为了追求较小的安装面积，压敏电阻做成叠层型，称为Multi-layer Varistor(MLV),其结构与叠层型的瓷片电容（MLCC）完全相同，只是叉指电极间的材料不是普通的陶瓷电介质，而是ZnO压敏材料。也因为如此，MLV都是具有一定的电容特性的，甚至可以根据需要定制具有某种容量的MLV，这对于防护设计中兼顾EMI设计是非常有利的。 由于做成叠层结构后，MLV的电极寄生电感非常小，因此其反应速度与TVS不相伯仲，甚至比某些采用Bonding结构的TVS的速度还要快。 在电流容量上，得益于叠层结构，MLV的通流能力也要比相同体积的TVS大得多。 MLV的钳位特性曲线不如TVS陡峭，不能实现精确的钳位；MLV在多次大电流冲击后，性能会出现一定程度的退化，主要表现是漏电流增大，钳位电压有所变化。不过，如果MLV仅用于ESD防护，上述两个缺点对防护效果的影响是很小的。这也是为什么MLV能在手机、数码相机等领域大行。 氧化锌压敏电阻与被保护的电器设备或者元器件并联使用。当电路中出现雷电过电压或瞬态操作电压VS时，压敏电阻器和被保护的设备及元器件同时承受VS，由于压敏电阻器响应速度很快，它以纳秒级时间迅速呈现优良非线形导电特性，此时压敏电阻器两端电压迅速下降，远远小于VS，这样被保护的设备及元器件上实际承受的电压就远低于过电压VS，从而使设备及元器件免遭过电压的冲击.2.2.3 放大、零位调整电路目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D转换。一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。设电桥的两个输出端在没有连接处理电路时的电压分别为 e1 和 e2。由于运算放大器输入端的“虚短”效应,在反馈电路的作用下,反相输入端的电压将逼近于同相输入端的电压 e1 ,使电桥平衡。电路中 If=（V0-E1）/(Rf+Rb),I1=(V-E1)/(R+R)，I2=E1/（R-R）。由基尔霍夫电流定律知：（V0-E1）/（Rf+Rb）+(V-E1)/(R+R)=E1/（R-R） 式2.1又知：E2=（R-R）V/2R，即：V=2RE2/（R-R） 式2.2将式2.1带入式2.2，得出运放的输出电压：V0=E2+2R（Rf+Rb）(E1-E2)/(R+R)（R-R） N对于最普遍采用的灵敏度为2 mV/V 的应变式称重传感器,在额定负荷下 / ( R +R) (R -R) =11000 004(额定负荷下此比值最大,小于额定负荷时此比值更接近于1) ,因为电阻应变式称重传感器的分辨率一般只有1/ 3 000 或 1/ 6 000,所以用 代替( R +R) (R -R)产生的放大误差将不影响检测结果和精度。于是 V0E1+2(Rf+Rb)/R(E1-E2)。由于A/D转换器CS5513的输入端为差分输入,所以其输入差模电压V=V0-E1=2(Rf+Rb)/R(E1-E2)由以上分析得知，电路的放大倍数=2（Rf+Rb）/R其中 Rb 是为防止应变片桥路温升时引起桥臂电阻 R 上升造成放大倍数减小而加的稳定放大倍数的反馈温补电阻 ,其大小由模块工作温度范围内温补的范围决定。为了提高抗干扰能力 ,由 R1、R2、C1 和 C2 等元件配合运放 AD8655 组成了有源低通滤波(LPF) 电路 ,以滤除高频干扰信号。合理选择放大电路的 Q值及 R1、R2、C1 和 C2 ,可产生不同的滤波效果和截止频率。“切比雪夫”特性的滤波器虽然衰减特性陡峭 ,但在进入衰减区域时容易发生振荡 ,在应用中最好设计成“巴特沃兹”特性。电阻和电容组成的RC滤波器，用来限制输入信号的带宽，降低输入信号的噪声。参考电压输入可以直接接在电源和地上，因此不需要额外的参考电压。为了减小参考源的噪声，需要在参考源的输入端加入10uF的滤波电容，这个电容越靠近芯片越好。在电路正常工作以前，可以通过自纠正和系统纠正来纠正芯片和系统的增益误差以及失调误差来提高整个系统的精度。在电路应用过程中均可能出现什么输入发生变化，导致A/D转换出错。故需要对放大后的输入进行调零控制。其电路图如图2.3下所示：图2.3 放大、零位调整电路图这个电路主要是增加了由两个运算放大器(简称运放)及电阻RG和RF组成的放大电路。通过调节RG和RF的值，就可以获得所需要的增益，配合CC7107提供的最大增益，可以将输入信号放大到所需要的幅度。选择运放时要注意，由于输入信号的幅度很小，因此对运放的噪声性能和失调电压要求非常高，应选择低噪声、低失调的运算放大器。23 A/D转换模块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。Intersil ICL7106 和 ICL7107 是高表现, lowpower,31/2个数字 A/D 转换器。 被包括在内的是七个片段破码器, 展览驾驶员，叁考和一个时钟。 ICL7106 与一个液晶显示器 (LCD) 一起设计到接口而且包括被多重发讯的基架驾驶； ICL7107 将会直接地驾驶发出两极管 (引导) 展览的一个器具大小光。 ICL7106 和 ICL7107 一起带来一个高的准确性，多种变化和真实的经济组合。它以汽车为特色-零的对少于 10 V ，少于 1 V/C 的零漂流物,输入 10pA(最大) 的偏见涌流、和少于一计数的翻转错误。 真实的差别输入和叁考在所有的系统是有用的, 但是当测定装载细胞、紧张标准度量和其他的桥类型转换器的时候给设计者一个不寻常的利益。最后，单一力量的真实经济供应操作 (ICL7107), 使高的表现嵌板公尺能够与只有 10 无源的附加一起建造完全的.图2.4 ICL7107引脚图利用CC7107A/D转换器组装成3.5位数字电压表, 该电路为CC7107,LED和若干无源元件组成的数字电压表电路。该电路采用标准的3.5位显示电路进行显示，其中最高位可以显示千位的 “1”和显示负号。此外，由于该电路的两个输入端即COM 与V+端的电位差具有很高的稳定性，可以作为参考电压源。因此，可以通过分压的方法来扩大它的量程。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2.5所示：图2.5 数字电压表的外接电路通过上面的电路可以测量最大值为2000mV的 电压而在本设计中的采样电阻为1欧所以被测电压值即为被测电流值. 图2.6 3.5位数字A/D转换原理图24 数码管显示模块2.4.1 LED显示器结构及分类 通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。 （一）LED显示器结构基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图2.7排列而成的。可实现09的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等。 图2.7 LED显示器结构图（1）反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好30m的硅铝丝或金属引线，在反射罩内滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合，然后固化。反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件。空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜，为提高器件的可靠性，必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶，这还可以提高光效率。这种方式一般用于四位以上的数字显示（或符号显示）。（2）条形七段式数码管属于混合封装形式。它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片，划成内含一只或数只LED发光条，然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上，用压焊工艺连好内引线，再用环氧树脂包封起来。（3）单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上（大圆片），利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形，通过划片把合格芯片选出，对位贴在印刷电路板上，用压焊工艺引出引线，再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。它们适用于小型数字仪表中。 （4）符号管、米字管的制作方式与数码管类似。 （5）矩阵管（发光二极管点阵）也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。2.4.2 LED显示器分类 （1）按字高分：笔画显示器字高最小有1mm（单片集成式多位数码管字高一般在23mm）。其他类型笔画显示器最高可达12.7mm（0.5英寸）甚至达数百mm。（2）按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。（3）按结构分，有反射罩式、单条七段式及单片集成式。（4）从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。所谓共阳方式是指笔画显示器各段发光管的阳极（即P区）是公共的，而阴极互相隔离。 所谓共阴方式是笔画显示器各段发光管的阴极（即N区）是公共的，而阳极是互相隔离的。如图13所示。图2.8 LED显示器共阳极和共阴极2.4.3 LED显示器的参数 由于LED显示器是以LED为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。但由于LED显示器内含多个发光二极管，所以需有如下特殊参数： 1发光强度比 由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，所以各段发光强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以在1.52.3间，最大不能超过2.5。 2脉冲正向电流若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为IF，则在脉冲下，正向电流可以远大于IF。脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。 由于本设计中所选用的芯片CC7107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。其图为： 图2.9 LED显示器电路图3电子秤的设计考虑3.1.比率式测量方式在电子秤的参考设计中为了达到最佳性能采用了比率式测量方法（电桥的DC激励源和ADC的参考电压源使用同一个参考源）。称重传感器的输出精度由电桥的激励电压决定。由于电桥的输出直接与激励电压成比例，所以激励电压的任何漂移都会产生相应的输出电压漂移。由于比率式测量方法的输出电压既与电桥的激励电压成比例又与ADC的参考电压源成比例，这样即使实际的电桥激励电压变化也不会影响测量精度。这种比率式测量方式消除了激励源中的温度漂移和极低频率噪声对输出精确度的影响。为了滤除ADC输入端来自称重传感器的噪声，通常使用一个简单的一阶RC滤波器。3.2.PCB布线印刷电路板(PCB)布线对于使用高精度-ADC以达到最佳噪声性能非常关键。最重要的是接地和电源退耦。在本参考设计中，接地面分为模拟部分和数字部分。CC7107位于这两个接地面之间的上方。在AD7799的正下面使用一个起始点连接两个接地面。CC7107的GND引脚应与模拟地相接。在本设计中，仅使用一个电源供电，但是在AVDD和DVDD引脚之间接一个铁氧体磁珠。铁氧体磁珠在低频处具有低阻抗，在高频处具有高阻抗的特性。因此，铁氧体磁珠可抑制DVDD中的高频噪声。当选用铁氧体磁珠时，应当研究其阻抗频率特性。本设计选用600 表面贴装的铁氧体磁珠。最后，通常使用0.1 F和10 F的电容器对AVDD和DVDD电源进行去耦；这两个电容器都应放在尽可靠近CC7107的地方。4系统测试通过软件的模拟，我们发现该设计电路具有一定的精确度，能够适合我们的生活。虽然没有实际测试，但我们根据模拟测试可以的出结论：此设计可以实现。5本文小结目前，电子秤正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。CC7107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CC7107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到的问题有时，为了解决一个具体问题，竟到了绞尽脑汁的地步在设计完各个功能模块之后，我用Protel 99 SE绘图软件进行了各个模块的绘制，并最终绘制成一个总的电路原理图。另外，我还用仿真软件Proteus 6 Professional 进行某些功能模块的仿真，收到了很好的效果。但由于缺乏实践经验，电路中还有些功能不够完善，有写参数不够精确，而且抗干扰能力也不够好。数字电子秤课程设计虽然结束了，因为由于时间的紧缺和许多课