简易电子称设计及制作.doc

大庆师范学院传感技术课程设计报告设计课题: 简易电子称的设计及制作 姓 名: 学 院: 物 电 学 院 专 业: 自动化 班 级: 08级 学 号:日 期 2011年 3月7日2011年5月7日 指导教师: 目 录1.设计的任务与要求2 1.1 设计基本概述2 1.2 设计要求22.方案论证与选择2 2.1 电子称的系统方案与比较2 2.2 传感器的选择3 2.3 放大电路的选择4 2.4 转化器的选择4 2.5 数码显示电路的选择63.单元电路的设计和元器件的选择6 3.1 电源模块6 3.2 数据采集、放大及零位调整模块6 3.3 A/D转换模块7 3.4 数码显示电路84.系统电路总图及原理85.总结8 5.1 课题总结8 5.2 经验体会9参考文献9附录A：元器件清单10简易电子称的设计及制作1. 设计的任务与要求用学过的传感器设计并制作一个能测量重量的装置，并能测量不大于1KG的物体，误差小于1%。1.1 设计基本概述本设计分四个模块：电源模块、数据采集及放大模块、模数（A/D）转换模块、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，经过仪表放大器AD623组成的放大电路放大后送入A/D转换芯片ICL7107，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。外部电路非常简单，方便制作。1.2 设计要求（1）画出电路原理图（或仿真电路图）；（2）元器件及参数选择；（3）编写设计报告并写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。2. 方案论证与选择2.1 电子称的系统方案与比较方案一：通过秤重电桥产生电压信号，再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。但要单片机需要编写程序进行数据处理而且外围电路比方案一复杂。故我们不采用。其电路方框图如图1：数据采集电路放大电路显示电路单片机A/D转换图1 数字电子钟方案二框图方案二：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ICL7107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，其电路方框图如图2：数据采集电路显示电路放大电路A/D转换电路图2 数字电子称方案一框图2.2 传感器的选择2.2.1 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。2.2.2 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3 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。2.3放大电路的选择传感器输出电压为毫伏级，而A/D转换器所能处理的电压是05V，所以必须在A/D转换器前加入一个前置差动放大电路以实现电压的放大，放大倍数为100200倍，使输出电压为05V。选用AD623单电源仪表放大器它能在单电源(+3v+12v)下提供满电源幅度的输出，但当它工作于双电源(2.56v)时,仍能提供优良的性能。输入信号加到作为电压缓冲器的PNP晶体管上,并且提供一个共模信号到输入放大器,每个放大器接入一个精确的50k的反馈电阻,以保证增益可编程。差分输出为:然后差分电压通过输出放大器转变为单端电压。单运放在应用中要求外围电路匹配精度高、增益调整不便、差动输入阻抗低。仪表放大器结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点，且有良好的温度稳定性，低噪单端输出和和增益调整方便，适于在传感器电路中应用。如图4所示，是OP07组成的三运放结构，实际AD623内部也是三运放结构。R1R1R2R212348765A3OP0712348765A1OP0712348765A2OP07RGR5R2UI1UI2U01U02UOUT图4 放大电路硬件原理图2.4 A/D转化器的选择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5 ICL7107管脚图2.5 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。3. 单元电路的设计与元器件选择数字电子称从原理上讲应该算是一种典型的数字电路，可以由许多中小规模集成电路组成，所以可以分成几个独立的电路。3.1 电源模块集成三端稳压芯片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。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（ICL7107）、数码显示。其中+5V给ICL7107供电；-5V为ICL7107参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ICL7107输出的电压至少为2伏，通过计算-5V的电压足够实现上述要求。电源设计如图6所示：图 6 电源原理图3.2数据采集、放大及零位调整模块3.2.1 称重传感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2mV/V灵敏度和5V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10mV。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6mV。（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。3.2.2 放大、零位调整电路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ICL7107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。图7 数据采集、放大电路原理图3.3 A/D转换模块利用ICl7107A/D转换器组装成3.5位数字电路如图8,外围元件的作用是：（1）R2、C1为时钟振荡器的RC网络。（2）R3、R4是基准电压的分压电路。R2使基准电压VREF1V（3）R5、C4为输入端阻容滤波电路，以提高电压表的抗干拢能力，并能增强它的过载能力。（4）C2、C5分别是基准电容和自动调零电容。（5）R1、C3分别是积分电阻和积分电容。（6）CC7107的第21脚（GND）为逻辑地，第37脚（TEST）经过芯片内部的500电阻与GND接通。（7）芯片本身功耗小于15mW（不包括LED），能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，在正常亮度下每个数码管的全亮笔画电流大约为4050mA。（8）CC7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的公共阳极接V+，小数点接GND时点亮，接V+时熄灭。图8 3.5位数字A/D转换原理图3.4数码显示电路由于所选用的芯片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9 数码显示电路4. 系统电路总图及原理图10 系统电路总原理图5.总结5.1课题总结目前，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Protel99SE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。自己所学的书本知识应用到实处。看到自己设计的功能电路能在仿真软件中运行，我有了很大的成就感。另外，通过具体的操作，我掌握了各个功能模块的接口设计方法，无论是在设计思想还是在动手能力上都有了很大的提高。5.2经验体会通过这几周的课设我经历了很多，自从老师把题目公布让我们分组选择想要做的题目，大家坐在一起分析题目，不知道该做哪个好，选题的初衷是做一个比较难的因为能得高分，没想那么多，可是实际上不是那样，在这个过程中我们经历了很多，这一点点的我们都记在心里。因为大二上半学期我们有过一周时间的课设经历，这给我们这次课设打下了很好的基础，而且假期参加了黑龙江省的学科竞赛，心里有数觉得这些东西很容易，回来就想着上网查资料，想在网上找个现成的电路图，按部就班的把它焊到万能板上，在网上搜了一通，最后自认为搜到了宝贝，看了一下电路图下面的解释，半懂不懂的把电路图拿给老师看，老师的话让我很深刻：“不要把网上的东西挡下来给我看，我要的是你们自己经过分析后自己设计的，即使拿人家的东西也要多问几个为什么”回来以后仔细分析了一下手上的电路觉得很羞，哪一点是自己的东西？打开电脑从新看了一遍以前曾经草草看过的资料，仔细的分析这里面的东西，真正的理解让它成为自己东西，一个模块的一个模块的分析，不懂的就上网查资料或者查找相关的书