电子秤实验报告

便携式电子秤的设计实现 班班 级级 学学 号号 姓姓 名名 便携式的电子秤的设计实现 2 摘 要 手提电子秤具有称重精确度高 简单实用 携带方便成成本低 制作简单 测量准确 分辨率高 不易损坏和价格便宜等优点 是 家庭购物使用的首选 本次实验目的在于 通过对便携式电子秤的设 计与制作 了解电阻应变片的工作原理 掌握其使用方法 掌握数码显 示电路的设计使用方法 掌握模数转换器 仪用放大器的使用方法 掌握电子电路系统设计的基本方法 培养提高综合利用多学科相关 知识进行初步工程设计与实际装调系统电路的能力 本次便携式电 子秤设计采用箔式电阻应变片 E350 ZAA 作为传感器 将力信号转 换为电压信号 差动电路采用 INA114 来放大微小电压信号 转换 电路采用双积分 A D 转换器 ICL 进行 A D 转换 显示电路采用 LED 数码管 最终实现了将被称重物体的质量显示在数码管上的功 能 称重范围为 2kg 以内 单位为 g 经过最终测量 所设计制作 完成的电子秤称重最大绝对误差为 5g 关键词关键词 便携式 电子秤 应变片 7107 便携式的电子秤的设计实现 3 一 设计选题及设计任务要求 设计选题 便携式电子秤的设计实现 任务与要求 设计一个 LED 数码显示的便携式电子秤 要求如下 1 采用电阻应变式传感器 2 称重范围为 0 2kg 3 测量精度 不低于 20 克 二 方案设计与论证 设计方案 方案一方案一 基于单片机的便携式电子秤 1 原理框图 图 1 1 基于单片机的便携式电子秤原理框图 2 系统设计思路 工作原理及单片机程序流图 称重传感器根据压力的变化提供相应的线性变化的电信号 该电信号经过 高精度差动放大器放大 输入给双积分型模数转换器 转化为数字信号 数字 信号可直接由单片机以串行方式读入 单片机选用 STC89C52 型单片机 P0 口定义为输出口 其中 P0 0 P0 6 输 出要显示数据的段码 P1 口中的 P1 0 P1 3 也定义为输出 显示输出数据的位 码 显示器用动态扫描 3 该设计方案优缺点 a 优点 该系统采用了单片机作为显示模块的驱动电路 具有较好的系统扩展 性 在显示压力的同时 还可以通过单片机的其他管脚输出信号以达到的功能 的扩展 例如 在平时日常使用外 也可以作为工程应用中显示及反馈模块 通过对压力测量进行阈值的设定 来判定是否对系统的输入进行修正 b 缺点 系统的组成模块相对较多 在进行系统调试时可能会出现较多问题 也提高了 系统的成本 并且单片机的编程时将会需要大量的时间 对系统的标定比较困 难 不适合仅仅应用为日常生活 方案二方案二 基于普通 A D 转换器及编码器的便携式电子秤 便携式的电子秤的设计实现 4 1 原理框图 图 1 2 基于普通 A D 转换器及编码器的便携式电子秤原理框图 2 系统设计思路 工作原理 压力传感器实现压电转换 将压力转换为电信号 经过高精度差动放大器 放大后 输入给模数转换器 转化为数字信号 由该数字信号控制编码器的编码 从而控制数码管显示 3 设计的优缺点该 a 优点 每个模块的功能单一 且没有复杂的编程问题 在整个系统进行调试 时 可以比较方便的对每个模块 进行测试 能够迅速找到出现问题的模块 比 较容易制作 b 缺点 使用的芯片较多 信号的噪声较大 且数码管与编码器的电路比较繁 杂 在实际焊接中容易出现问题 方案三方案三 基于普通 ICL7107 的便携式电子秤 1 原理框图 图 1 3 基于普通 ICL7107 的便携式电子秤原理框图 2 系统设计思路 工作原理 压力传感器实现压电转换 将压力转换为电信号 经过高精度差动放大器 放大后 输入给模数转换器 从而控制数码管显示 3 该设计的优缺点 a 优点 每个模块的功能单一 且没有复杂的编程问题 ICL7107 可直接驱动 数码管 在整个系统进行调试时 可以比较方便的对每个模块进行测试 能够 迅速找到出现问题的模块 比较容易制作 b 缺点 功能单一 仅能作为日常生活使用 不可有其他的功能扩展 方案论证 方案论证 方案介绍中时已经对每个方案的优劣进行了阐述 通过下表对每种方案的突出 特点进行比较 便携式的电子秤的设计实现 5 表 1 1 各方案突出特点比较 制作难易成本功能扩展 方案一制作困难高 扩展能力强 可用于其他 领域 方案二 模块较多电路发 杂但易于检查 中功能单一 方案三 模块最少 电路 简单 易于检查 低功能单一 综述 鉴于本实验仅要求实现一个普通功能的电子秤 没对其有更高的要求 所 以方案一并不是十分合适 它的制作流程过于复杂 难以调试 且成本较高 所以这里并不采用方案一 对于方案二 它的电路连接与方案三相比较为复杂 且功能模块也较多 没有方案三易于调试 成本也相对较高 这里也不采用 综上所述 本次实验选择实验三为最终的设计方案 三 单元电路设计与分析 1 1 测量电路测量电路 电阻应变式传感器可将被测物理量的变化转换成电阻值的变化 再经相应 的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化 在这里 我们用电阻应变式传 感器作为测量电路的核心 并应根据测量对象的要求 恰当地选择精度和范围 度 1 电阻应变式传感器的组成以及原理 电阻应变式传感器简称电阻应变计 当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测 构件的表面上时 则敏感元件将随构件一起变形 其电阻值也随之变化 而电 阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系 进而通过相应的二次仪表系统即 可测得构件的变形 通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接 即可测得重力 变形 扭矩等机械参数 2 电阻应变式传感器的测量电路 便携式的电子秤的设计实现 6 图 2 1 电阻应变式传感器的测量电路 电阻应变片的电阻变化范围为 0 0005 0 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 电桥的一个对角线接入工作电压 E 另一个对角线为 输出电压 Uo 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 否则就有电压输出 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 测量电桥如图 2 1 它由箔式电阻应变片电阻 R1 R2 R3 R4 组成测量电桥 测量电桥的电源 由稳压电源 E 供给 物体的重量不同 电桥不平衡程度不同 指针式电表指示 的数值也不同 滑动式线性可变电阻器 RP1 作为物体重量弹性应变的传感器 组成零调整电路 当载荷为 0 时 调节 RP1 使数码显示屏显示零 这里若考虑 系统高稳定性 可选用 E350 ZAA 的 2kg 称重传感器 E350 ZAA 表示图形如 下 图 2 2 E350 ZAA 实物图型 由图可知上下各贴一个电阻应变片 组成半桥测量电路 记两个电阻应变 片分别是 1R4 设计时要求 R5 R6 R1 R4 R 2 2 差动放大电路 差动放大电路 原理 由于应变片收到力作用阻值变化很小 输出电压也很微弱 只有几 mV 必 须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大 才能满足 A D 转换器对输入 信号电平的要求 因此本次设计中 要求用一个放大电路 即差动放大电路 主要的元件为差动放大器 便携式的电子秤的设计实现 7 图 2 3 差动放大电路结构图 放大倍数的推导过程 8 7 6 1 2 8 7 1 2 8 7 在此情况下 就必须选择一种符合要求的放大器 仪表仪器放大器的选型 很多 在这里使用一种用途非常广泛的放大器 业自动控制 仪器仪表 电气 测量等数字采集的系统就是典型的差动放大器 INA126P 它只需高精度和几只 电阻器 即可构成性能优越的仪表用放大器 广泛应用于工中 原理框图及封 装图如下 图 2 4 INA126P 原理图图 2 5 INA126P 封装图 根据差动放大器原理可计算出 5 80 3 3 A DA D 转换及显示电路 转换及显示电路 A D 转换的作用是进行模数转换 把接收到的模拟信号转换成数字信号输 出 在选择 A D 转换时 先要确定 A D 转换的位数 该设计运用的是双积分式 A D 转换器 ICL7107 A D 转换误的位数确定与整个测量控制系统所需测量控 制的范围和精度有关 系统精度涉及的环节很多 包括传感器的变换精度 信 号预处理电路精度 A D 转换器以及输出电路等 便携式的电子秤的设计实现 8 1 ICL7107双积分型的 A D 转换器的特点 ICL7107是31 2位双积分型 A D 转换器 属于 CMOS 大规模集成电路 它的最 大显示值为士1999 最小分辨率为100uV 转换精度为0 05士1 个字 能直接驱动共阳极 LED 数码管 不需要另加驱动器件 使整机线路简化 采 用士5V 两组电源供电 并将第21脚的 GND 接第30脚的 IN 在芯片内部从 V 与 COM 之间有一个稳定性很高的2 8V 基准电源 通过电阻 分压器可获得所需的基准电压 VREF 能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能 输入阻抗高 对输入信号无衰减作用 整机组装方便 无需外加有源器件 配上电阻 电容和 LED 共阳极数码管 就能构成一只直流数字电压表头 噪音低 温漂小 具有良好的可靠性 寿命长 芯片本身功耗小于15mw 不包括 LED 不设有一专门的小数点驱动信号 使用时可将 LED 共阳极数数码管公共阳极 接 V 可以方便的进行功能检查 2 ICL7107引脚功能 V 和 V 分别为电源的正极和负极 A1 G1 A2 G2 A3 G3 分别为个位 十位 百位笔画的驱动信号 依次接个位 十位 百位 LED 显示器的相应笔画电极 AB4 千位笔画驱动信号 接千位 LEO 显示器的相应的笔画电极 POL 液晶显示器背面公共电极的驱动端 简称背电极 Oscl OSc3 时钟振荡器的引出端 外接阻容或石英晶体组成的振荡器 COM 模拟信号公共端 简称 模拟地 使 用时一般与输入信号的负端以及 基准电压的负极相连 TEST 测试端 该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地 故也称 逻辑 地 或 数字地 当其接高电平时数码管全亮 VREF VREF 基准电压正负端 CREF 外接基准电容端 INT 27是一个积分电容器 必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生 漂移现象的元件 IN 和 IN 模拟量输入端 分别接输入信号的正端和负端 AZ 积分器和比较器的反向输入端 接自动调零电容 CAz BUF 缓冲放大器 输出端 接积分电阻 Rint 便携式的电子秤的设计实现 9 3 ICL7107的工作原理 双积分型 A D 转换器 ICL7107是一种间接 A D 转换器 它通过对输入模拟 电压和参考电压分别进行两次积分 将输入电压平均值变换成与之成正比的时 间间隔 然后利用脉冲时间间隔 进而得出相应的数字性输出 ICL7107包括积分器 比较器 计数器 控制逻辑和时钟信号源 积分器是 A D 转换器的心脏 在一个测量周期内 积分器先后对输入信号电压和基准电 压进行两次积分 比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较 比较的结果 作为数字电路的控制信一号 时钟信号源的标准周期 Tc 作为测量时间间隔的 标准时间 它是由内部的两个反向器以及外部的 RC 组成的 其振荡周期 2 1 5 2 2 4 显示电路 显示部分可以将处理得出的信号在显示器上显示 让人们直观的看到被测 体的质量 本实验采用 LED 数码管 LED 数码管具有功耗低的特点 本设计中 LED 显示电路采用4个1位的共阳数码管 其原理图如下 图2 6 共阳数码管原理图 要点要点 1 辨认引脚 芯片的第一脚 是正放芯片 面对型号字符 然后 在 芯片的左下方为第一脚 2 关键点的电压 芯片第一脚是供电 正确电压是 DC 5V 第 36 脚 是基准电压 正确数值是 100mV 第 26 引脚是负电源引脚 正确电压数值是 负的 芯片第 31 引脚是信号输入引脚 可以输入 199 9mV 的电压 在一开 始 可以把它接地 造成 0 信号输入 以方便测试 3 注意芯片 27 28 29 引脚的元件数值 它们是 0 22uF 47K 0 47uF 阻容网络 这三个元件属于芯片工作的积分网络 不能使用磁片电容 芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容 4 注意接地引脚 芯片的电源地是 21 脚 模拟地是 32 脚 信号地 是 30 脚 基准地是 35 脚 通常使用情况下 这 4 个引脚都接地 5 比例读数 把 31 脚与 36 脚短路 就是把基准电压作为信号输入 到芯片的信号端 这时候 数码管显示的数值最好是 100 0 通常在 99 7 100 3 之间 越接近 100 0 越好 这个测试是看看芯片的比例读数转换情况 便携式的电子秤的设计实现 10 与基准电压具体是多少 mV 无关 也无法在外部进行调整这个读数 如果差的 太多 可以通过调节与36脚与 5V 之间的电位器使36脚的电压接近100mV 图2 7 ICL7107的引脚图及典型电路 ICL7107的引脚图及典型电路以及各电阻电容参数如图3 4 1所示 四四 安装调试及测量数据分析安装调试及测量数据分析 1 1 组成组成 本装置由称重传感器 差分放大电路 A D 转换和数码显示电路四部分组 成 总体电路图见附录 R1 R4 为称重传感器的 4 片电阻 其中 R1 R4 为箔式 电阻应变片 R5 R6 与 Rp1 组成零调整电路 当载荷为零时 调节 Rp1 原理 图中为 R8 使数码管显示为零 放大电路采用集成仪用放大器 INA126P 电 位器 RG 原理图中为 R10 用来调节放大倍数 A D 转换器采用了 ICL7107 双积 分型 A D 转换器 显示屏采用 4 个单位共阳极数码管 根据电路图将个单元电 路中各部件焊接在印制板上 2 2 各单元电路安装及数据测量过程各单元电路安装及数据测量过程 1 A D 转换电路及数码管显示单元电路的安装及数据测量 将 A D 转换电路及数码管显示电路焊接好后 对此部分电路进行测试 将 1 脚接 5V 电压 26 脚接 5V 电压 21 脚与 30 脚短接并接地 调节电位 器 R4 的阻值使 36 脚电压为 100mV 把 31 脚与 36 脚短路 实验中观察到此 时数码管显示在 100 与 100 2 间跳动 在正常范围 99 7 100 3 实验 说明芯片 状况良好 断开 31 与 36 引脚 向 31 脚加不同的电压信号 观察数码管显示情 况 得到一组数据如下表所示 表 1 2 A D 转换电路输入信号及数码管显示关系 31 脚输入电压 Vin mV 38 578 0117 2 数码管显示 3958011202 便携式的电子秤的设计实现 11 由上表可知 ICL7107 在误差允许范围内比例关系很好 基本满足了数码管显示与输 入电压数值上 10 倍的关系 2 差动放大电路单元安装及数据测量 在 INA114P 的 1 8 两个引脚跨接 10k 电位器 RG 原理图中为 R10 所有焊点焊好后 将 4 脚接 5V 7 脚接 5V 5 脚接地 然后从 2 3 脚给输入信号 注意正负极性 测量 6 脚与 5 脚之间的输出信号 测出一组输出数据如下表所示 表 1 3 差动发达电路输入与输出关系表 mV 0 41 01 6 mV 38 578 0117 2 由上表可算得差放的放大倍数为 82 5 由公式可算得 RG 1 03K 5 80 3 传感器电路安装及数据测量 按电路图焊接好箔式电阻应变片 E350 ZAA 与调零电路 在 E350 ZAA 两端加上 5V 电压 用万用表测量输出端信号 当应变片上不受力时调 节 Rp1 使输出电压为零 在应变电阻传感器上放质量不同的重物 记录输出电压信号 由于实验室中只有 3 个标准 400g 重物 因此连同不放重物时只能得到传感器电路 3 组输入 输出数据 见下表 表 1 4 传感器所放重物质量与输出电压信号关系 重物质量 g 04008001200 输出电压 mV 00 41 01 6 由表格可知 输出电压信号与传感器所承受质量近似成正比 3 3 系统整体电路安装及数据测量系统整体电路安装及数据测量 将各单元电路按照原理电路图焊接起来组成整体电路 将 5V 电源 5V 电源以及地端 分别接在便携式电子秤系统电路的响应输入端 调试过程 1 首先在秤体上无负载时调整 Rp1 原理图中为 R8 使显示器准确显示零 2 在秤体上放置 400g 重物 再调整 Rp2 原理图中为 R10 使数码管显示 400 调节 Rp2 增益比 3 将重物拿下 观察数码管是否显示在 0 附近 若相差超过 20 则继续调节 Rp1 原理 图中为 R8 至 0 左右 4 重新进行 2 3 步骤 直到数码管显示质量误差在 20g 以内 越精确越好 数据测量及计算过程数据测量及计算过程 电子秤所放重物质量与数码管显示数值如下表所示 便携式的电子秤的设计实现 12 表 4 3 1 电子秤整体功能实现情况 重物质量 g 04008001200 数码管显示数值 0023958011202 根据表中所测量记录的实际数据 最大绝对误差为 5g 满足设计要求测量精度不低于 20g 五 结果分析 通过对各单元电路的实测数据进行分析 可得出结论 各部分单元电路线 性度都良好偏差较小 级联后电子秤整体状况良好 精度较高 实验中仍然有误差的存在 主要原因包括外界噪声的干扰 万用表测量误 差 仪用放大器零点漂移 电阻电容等器件精度不高等原因 六 结束语 随着集成电路和计算机技术的迅速发展 使电子仪器的整体水平发生巨大 变化 越来越多的领域需要用到各类集成芯片 传感器作为测控系统中对象信 息的入口 越来越受到人们的关