电子秤电路设计与制作

精品文档 1欢迎下载 电子秤电路设计电子秤电路设计与制作与制作 实实 验验 报报 告告 姓名 姓名 学号 学号 指导老师 指导老师 精品文档 2欢迎下载 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 电子秤电路设计指导书电子秤电路设计指导书 一 实验目的 一 实验目的 本实验要求学生设计并制作一个电子秤电路 要求能测量重量在 0 200g 间的物体 输出为电压信号 通过调节电路使电压值为对应的重量值 电压量 纲 mv 改为重量纲 g 即成为一台原始电子秤 二 基本原理 二 基本原理 基本思路基本思路 总体设计思路如图 1 所示 所测重量经过转换元件转换为电阻变化 再经过 测量电路转化为电压变化 经过放大电路放大调节后输出显示得到所需信号 图 1 基本设计思路 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 精品文档 3欢迎下载 本设计主要通过电阻应变式传感器实现 电阻应变式传感器是利用电阻应变 片将应变转换为电阻的变化 实现电测非电量的传感器 传感器由在不同的弹 性敏感元件上粘贴电阻应变片构成 当被测物理量作用在弹性敏感元件上时 弹性敏感元件产生变形 并使附着其上的电阻应变片一起变形 电阻应变片再 将变形转换为电阻值的变化 应变式电阻传感器是目前在测量力 力矩 压力 加速度 重量等参数中应用最广泛的传感器之一 1 弹性敏感元件 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形 而当外力去掉后 物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状 这种变形称为弹性变形 具有弹性变 形特性的物体称为弹性元件 弹性敏感元件是指元件在感受到力 压力 力矩 振动等被测参量时 能将 其转换成应变量或位移量 弹性敏感元件可以把被测参数由一种物理状态转换 为另一种所需要的物理状态 2 电阻应变片 对于一段长为 L 截面积为 S 电阻率为 的导体 未受力时电阻为 R 在外力的作用下 电阻丝将会被拉伸或压缩 导体的长度 L 截面积 S 以及电阻率 等均将发生变化 从而导致其电阻值发生变化 这种现象称为 电阻应变效应 利用金属或半导体材料电阻丝的应变电阻效应 可以制成测量试件表面应变 的敏感元件 为在较小的尺寸范围内感受应变 并产生较大的电阻变化 通常 把应变丝制成栅状的应变敏感元件 即电阻应变片 通常由敏感栅 基底 盖 片 引线和黏结剂等组成 测量电路测量电路 精品文档 4欢迎下载 电阻应变片把机械应变信号转换成电阻变化后 由于应变量及其应变电阻变 化一般都很微小 既难以直接精确测量 又不便直接处理 因此 必须采用转 换电路 把应变计的电阻变化转换成电压或电流变化 以便于测量 具有这种 转换功能的电路称为测量电路 电桥电路是目前广泛采用的测量电路 常见的直流电桥电路如图 2 R1R2 R4R3 Uo U 图 2 直流电桥 电桥输出电压为 Uo U 式 1 R1 R2 R3 R4 为四个桥臂 当一个臂 两个臂或四个臂接入应变片时 就 相应构成了单臂 双臂和全臂工作电桥 下面分别就单臂 半桥和全桥电路进 行讨论 1 单臂工作电桥 精品文档 5欢迎下载 R2 R4R3 Uo U R1 R 图 3 单臂工作电桥 如图 3 所示 R1 为电阻应变片 R2 R3 R4 为固定电阻 应变片未受力时电 桥处于平衡状态 R1R3 R2R4 输出电压 U0 0 当承受应变时 R1 阻值发生变化 设为 R1 R 电桥不平衡 产生输出电压为 Uo 1 3 2 4 1 2 3 4 式 2 设 R1 R2 R3 R4 R 又 R R1 则 Uo 式 4 3 2 双臂工作电桥 若在两个桥臂上计入电阻应变片 其他桥臂为固定电阻 则构成双臂工作电桥 如图 4 R1 R2 为电阻应变片 R3 R4 为固定电阻 当应变片承受应变时 R1 电阻增大 R R2 电阻减小 R 这种电桥成为差动电桥 精品文档 6欢迎下载 R4R3 Uo U R1 RR2 R 图 4 双臂工作电桥 此时电桥不再平衡 输出电压为 Uo 式 4 2 由式知半桥的输出是线性的没有非线性误差问题 而且灵敏度比单臂提高了一 倍 3 全臂工作电桥 若四个桥臂上全为电阻应变片 则构成全桥工作电路 如图 5 所示 R1 R2 R3 R4 全为电阻应变片 承受应变时 R1 R3 电阻增大 R R2 R4 电阻减小 R Uo U R1 RR2 R R3 RR4 R 图 5 全臂工作电桥 精品文档 7欢迎下载 电桥不再平衡 输出电压为 Uo U 式 5 由式知 全桥的电压输出是线性的 没有非线性误差问题 而且其灵敏度是单 臂的 4 倍 是半桥的 2 倍 电子秤实验采用的是全桥测量电路 我们选取直流电源电压为 8V 所取的 应变片未承受应变时阻值 R1 R2 R3 R4 350 当测量满量程 200g 物体时 测 得应变片阻值变化 R 大约在 0 1 0 3 之间 参见文章最后实验数据记录表 1 表 2 我们取 R 0 2 U 8V 则测量电路的输出电压为 Uo U 0 0046V 因为在实际电路中 应变片未承受应变时 电桥不一定处于完全的平衡状态 即 R1R3 R3R4 不为零 输出 Uo 不为零 故在测量电路中加入滑动变阻器做调零 用 测量电路如图 6 所示 Uo R1 RR2 R R3 RR4 R R5 R6 10k Key A 50 VCC1 4V VCC2 4V 图 6 电子秤测量电路 差分放大电路差分放大电路 精品文档 8欢迎下载 测量电路将应变计的电阻变化转换成了电压变化 由于所得的输出信号一般 都很微弱 如果在遇到干扰的时候可能会导致测量结果的错误 因此采集到电 压信号后 要对电压信号进行放大 滤波 增强系统的抗干扰能力 系统的稳 定性会有所提高 让显示的数据也更加准确 先采用差分放大电路对电压进行放大 我们先讨论简单的差动放大器 如图 7 所示 Vi1 Vi2 为输入 Vo 为输出 R1 R2 R3 R4 Vi1 Vi2 Vo 图 7 基本差动放大器 输出电压 Vo Vi1 1 Vi2 2 1 2 1 4 3 4 式 6 本实验中运算放大器采用 OP07 芯片 OP07 芯片是一种低噪声 非斩波稳零 的双极性运算放大器集成电路 由于 OP07 具有非常低的输入失调电压 同时具 有输入偏置电流低和开环增益高的特点 这种低失调 高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等方面 OP07 管 脚图如图 9 所示 精品文档 9欢迎下载 图 8 op07 管脚图 OP07芯片引脚功能说明 1和8为偏置平衡 调零端 2为反向输入端 3为正向输入端 4接负电源或接 地 5空脚 6为输出 7接正电源 本实验中采用的差分放大电路如图 9 所示 U1 3 2 4 7 6 81 U2 3 2 4 7 6 81 U3 3 2 4 7 6 81 R2 R1 R2 R3 R3 R4 R4 Vi1 Vi2 Vo i ii op07 op07 op07 R5 图 9 差分放大电路 该电路由三个运算放大器组成 Vo1 Vo2 和 Vo 分别为三运放的输出电压 分析电路知流过 R2 R1 的电流相等 设为 i 可以计算出理想的输出电压 Vo 精品文档 10欢迎下载 i 式 1 2 1 7 Vo1 Vi1 R2i 式 8 Vo2 Vi2 R2i 式 9 Vo Vo1 Vo2 Vi1 Vi2 式 4 3 4 3 1 2 2 1 10 下面就各电阻应取阻值大小进行分析 前面已经计算过 当承重为满量程 200g 时应变片变化 R 取 0 2 此时 测量电路输出电压 Uo 4 6mV 即差分放大电路的差模输入 Vi1 Vi2 4 6mV 而要 求的最终输出电压为 200mV 故需将 Uo 放大 40 多倍 由式 10 知差分放大 电路的放大倍数为 主要由及的值决定 但 R1 R3 太小会从 4 3 1 2 2 1 4 3 2 1 集成运放中获取太大的电流 太大的 R4 R2 会增加电阻产生的噪声 故其放大 倍数不宜太大 我们可先通过差分放大电路将电压信号放大至 100mV 左右 再 通过后续的放大电路将其进一步放大以达到所要求值 实验中取 R2 R3 10k R4 51k 而将 R1 用一个 2k 固定电阻和 10k 滑动变阻器 Rb 串联代替 即放大倍数为 5 1 1 可以通过改变 Rb 阻值来进行调节 20 2 差分放大电路具有以下优点 1 高输入阻抗 被提取的信号是不稳定的高内阻源的微弱信号 为了减少信号 源内阻的影响 必须提高放大器输入阻抗 2 高共模抑制比 电路对共模信号几乎没有放大作用 共模电压增益接近零 3 低噪声 低漂移 主要作用是对信号源的影响小 拾取信号的能力强 以及 能够使输出稳定 4 电路的增益可以通过改变电阻 R1 阻值来调节 精品文档 11欢迎下载 二级放大电路二级放大电路 电压信号经过差分放大电路放大后并不能满足预期要求 故需要将其进行进 一步放大 后续放大电路如图所示 图 10 二级放大电路 Vin 为输入信号即差分放大电路的输出 Vout 为输出 式 11 1 2 Vout 式 1 2 2 1 12 前面通过差分放大电路将电压信号放大至 100mV 左右 故需再将其放大约 2 倍 取 R2 20k R1 10k 可以通过调节 Rb 使输出为 200mV 精品文档 12欢迎下载 电子秤实验的整体电路见附图 R1R2 R4R3 R5 10k Ra 10k Key A 50 R6 10k R7 10k C1 0 01 F C2 0 01 F R8 5 1k R9 5 1k R10 2k Rb 10k Key A 50 R11 10k R12 10k U1 3 2 4 7 6 81 U2 3 2 4 7 6 81 R13 10k R14 10k R15 51k R16 51k U3 3 2 4 7 6 81 R17 2k R18 10k C3 0 01 F R19 20k U4 3 2 4 7 6 81 R20 5 1k R21 1 5k R22 1 5k Rc 10k Key A 50 D1D2 R23 2k C4 100 F C5 100 F C6 0 1 F C7 100000pF D3 D4 VCC2 15V VCC1 15V VCC3 4V VCC4 4V A B Vo op07 op07 op07 op07 精品文档 13欢迎下载 三 需用器件与单元 三 需用器件与单元 传感器 实验台 实验元件箱 四 实验步骤 四 实验步骤 电路调试与数据记录电路调试与数据记录 图 1 传感器托盘安装示意图 1 将托盘安装到传感器上 如图 1 所示 2 测量应变片的阻值 当传感器的托盘上无重物时 分别测量应变 片 R1 R2 R3 R4 的阻值 在传感器的托盘上放置 10 只砝码后再 分别测量 R1 R2 R3 R4 的阻值变化 记录于表 1 1 1 2 中 分 析应变片的受力情况 受拉的应变片 阻值变大 受压的应变片 阻值变小 3 设计测量电桥中各应变电阻的组合方法 计算出在 4V 供电情 精品文档 14欢迎下载 况下 测量电桥可能提供的最大电压变化量 4 电桥电路称重测量 在未供电情况下 搭建测量电桥电路 在 4V 供电情况下 首先调节电桥零点 然后依次加减砝码两次 用电压表测量电桥电路的输出电压并做好实验记录 实验数据记录于表 2 1 2 2 中 5 在未供电情况下 搭建好仪表放大器电路及后面的放大电路 注 意 元件选取 线路连接一定要正确 特别是电源线更不能接错 以免损坏实验设备 6 差动放大器调零 不要连接电桥电路 将放大电路的输入端短接 及整体电路图中所标的 A B 点短接 将主机箱上的电压表量程切 换开关切换到 2V 档 检查接线无误后合上主机箱电源开关 调节放 大器的增益电位器 Rb 至合适位置 先顺时针轻轻转到底 再逆时针 回转 1 圈 后 再调节放大器的调零电位器 Rc 使电压表显示为零 7 系统电路调零 关闭主机箱电源 按整体电路图接线 AB 间接 线断开 将 2V 10V 可调电源调节到 4V 档 检查接线无误后 合上主机箱电源开关 调节实验模板上的桥路平衡电位器 Ra 使主 机箱电压表显示为零 8 系统输出增益调节 将 10 只砝码全部置于传感器的托盘上 调 精品文档 15欢迎下载 节电位器 Rb 见整体电路图 使数显表显示为 0 200V 2V 档测量 9 重复 7 8 步骤的标定过程 一直到精确为止 10 系统称重实验 将 10 个 20g 砝码依次放在托盘上称重 结果记 录于表 3 1 再将砝码依次取下 结果记录于表 4 2 放上笔 钥匙 之类的小东西称一下重量 实验完毕 关闭电源 五 实验记录表如下面格式 五 实验记录表如下面格式 1 测量应变片的阻值 表 1 1 第一组测量数值 R1R2R3R4 空量程时阻值 满量程时阻值 表 1 2 第二组测量数值 R1R2R3R4 空量程时阻值 满量程时阻值 表 1 3 第三组测量数值 精品文档 16欢迎下载 R1R2R3R4 空量程时阻值 满量程时阻值 2 电桥电路称重测量 1 表 2 1 将 10 个 20g 砝码依次放上托盘 记录输出电压数值