电子称课程设计

1 1 前言前言 电子称重技术是现代称重计量和控制系统工程的重要基础之一 电子衡器经过 40 年的不断改进和完善 从 60 年代的机电结合型发展到现在的全电子型和数字化智能型 由于它具有称量准确 快速 读取方便 环境适应性强 便于与电子计算机结合而实 现称重计量与过程控制自动化等特点 在工商贸易 能源交通 轻工食品 医药卫生 航空航天等部门得到了广泛的应用 本课题本着电子秤向高精度 高可靠方向研究 讲 述了用单片机控制 A D 转换 键盘输入和数据显示 对如何实现键盘中断 A D 采样进 行研究 设计特别适用于测量精度要求较高的场合 具有较高的实用价值和推广价值 本文中第一章讲述了电子秤的发展情况及其工作原理 第二章讲述了电子秤的硬件电 路组成部分 第三章介绍了电子秤各部分功能实现的软件设计 1 11 1 研究本文的意义研究本文的意义 物料计量是工业生产和贸易流通中的重要环节 称重装置或衡器是不可缺少的计 量工具 随着工农业生产的发展和商品流通的扩大 衡器的需求也日益增多 过去沿 用的机械杠杆秤己不能适应生产自动化和管理现代化的要求 自六十年代以来 由于 传感器技术和电子技术的迅速发展 电子称重技术日趋成熟 并逐步取代机械秤 尤 其是七十年代初期 微处理机的出现使电子称重技术得到了进一步的发展 快速 准 确 操作方便 消除人为误差 功能多样化等方面已成为现代称重技术的主要特点 称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表 而且作为工业控制系统和商业管理系统的 一个组成部分 推进了工业生产的自动化和管理的现代化 它起到了缩短作业时间 改善操作条件 降低能源和材料的消耗 提高产品质量以及加强企业管理 改善经营 管理等多方面的作用 称重装置的应用已遍及到国民经济各领域 取得了显著的经济 效益 同时对称重仪表的要求也越来越高 要求仪表有更高抗干扰能力 更高的精度 基于电子秤的现状 本文拟研究一种用单片机控制的高精度数字电子秤设计方案 这种高精度数字电子秤计量准确 携带方便 集质量称量功能与价格计算功能于一体 能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求 1 21 2 电子秤的发展电子秤的发展 1 电子技术渗入衡器制造业 随着第二次世界大战后的经济繁荣 为了把称重技术引入生产工艺过程中去 对称 重技术提出了新的要求 希望称重过程自动化 为此电子技术不断渗入衡器制造业 在 1954 年使用了带新式打印机的倾斜杠杆式秤 其输出信号能控制商用结算器 并且 用电磁铁机构与代替人工操作的按键与办公机器联用 在 1960 年开发出了与衡器相联 的专门称重值打印机 当时的带电子装置的衡器其称量工作是机械式的 但与称量有 关的显示 记录 远传式控制器等功能是电子方式的 2 电子秤步入社会 电子秤的发展过程与其它事物一样 也经历了由简单到复杂 由粗糙到精密 由机 械到机电结合再到全电子化 由单一功能到多功能的过程 特别是近 30 年以来 工艺 流程中的现场称重 配料定量称重 以及产品质量的监测等工作 都离不开能输出电 信号的电子衡器 这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号 而且也能作为总系 统中的一个单元承担着控制和检验功能 从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合 理化 近年来 电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中 现代称重技术和数据 系统已经成为工艺技术 储运技术 预包装技术 收货业务及商业销售领域中不可缺 少的组成部分 随着称重传感器各项性能的不断突破 为电子秤的发展奠定了其础 国外如美国 西欧等一些国家在 20 世纪 60 年代就出现了 0 1 称量准确度的电子秤 并在 70 年代中期约对 75 的机械秤进行了机电结合式的电子化改造 我国的衡器在 20 世纪 40 年代以前还全是机械式的 40 年代开始发展了机电结合 式的衡器 50 年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器 80 年代以来 我国通 过自行研制 引进消化吸收和技术改造 已由传统的机械式衡器步入集传感器 微电 子技术 计算机技术于一体的电子衡器发展阶段 目前 由于电子衡器具有称量快 读数方便 能在恶劣环境下工作 便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控 制的自动化等特点 已被广泛应用于工矿企业 能源交通 商业贸易和科学技术等各 个部门 随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展 电子 称重技术及其应用范围将更进一步的发展 并被人们越来越重视 3 国内外发展概况及存在的问题 在国际上 一些发达国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平 特别是在准确 度和可靠性等方面有了很大的提高 在称重方面 国外电子秤产品的品种和结构又有 创新 技术功能和应用范围不断扩大 典型的成果有 1 美国 Revere 公司研制出的 PUS 型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重 传感器 用于高准确度检验平台 称重平台 准确度可达 5000d 2 德国 HBM 公司研制成功 C2A C16A 两种不同结构的 1 100t 具有耐压外壳保 护的防爆称重传感器 其防爆性能符合欧洲 EN50014 和 EN50018d 级标准 3 德国赛特内尔公司研制出以被青铜为弹性体材料 快速称重 200 型称重传感 器 其特点是线性好 固有频率高 动态响应快 独创油阻尼装置与过载保护装置一 体化 保证称量时速度快 工作寿命长 组装 3 30kg 电子秤台秤 准确度可达 4000d 2 2 总体方案设计总体方案设计 2 12 1 方案比较方案比较 方案一 电子秤以单片机为主要部件 当商品放到秤盘上时 秤盘下的重量电阻 应变式传感器产生一电信号 信号的强弱随商品重量的大小而变 该电信号经放大电 路放大后 送入 A D 转换芯片进行模数转换 转换后的数字量与物重成正比 再进入 89C52 单片机经过数据处理 89C52 单片机产生一组满足显示要求的数据 送至显示电 路显示出实际重量 另一方面 商品单价通过键盘扫描电路送入 89C52 单片机 经过 数据处理 送至显示电路显示 物重与单价经过运算产生总价 也在显示电路上同时显 示出来 其框图如图 2 1 所示 图 2 1方案一方框图 方案二 采用专用仪表放大器 它具有高共模抑制比 高输入阻抗 低噪声 低 线性误差 低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点 其图如图 2 2 所示 图 2 2三运放大电路结构图 三位半 LED 显示 A D 转换器 ICL7107 ICL7107 将高精度 通用性和真正的低成本 很好的结合在一起 它有低于 10uV 的自动校零功能 零漂小于 1uV 摄氏度 低于 10PA 的输入电流 极性转换误差小于一个字 真正的差动输入和差动参考电源在各种系统 中都很有用 在用于测量负载单元 压力规管和其它桥式传感器会有更突出的优点 压力传 感器 放大电 路 A D 转 换 LED 显示电 路 AT9S51 单片机 另外只要用十个左右的无源器件和一个 LED 显示器就可以和 ICL7107 组成一个高性能 的仪表面板 实现了低成本和单电源工作 其优点正好可以在和称重传感器一起用时 体现出来 其框图如图 2 3 所示 图 2 3 方案二方框图 2 22 2 方案论证方案论证 通过桥式传感器电路将力信号转换为电信号 再通过仪表放大器将电压信号放大 输入到双积分模数转换器 ICL7107 它本身通过自己的工作原理将信号显示在 LED 数码管显示上 通过数码管显示便可知称重的重量 2 32 3 方案选择方案选择 经过上面二个方案的分析 第二个方案的可行性高 所以我选择第二个方案作为最 后的设计方案 在设计开始前我先确定好我的总体方案 为验证我电路的正确性我将我 设计的电路都先在 Proteus ISIS 上仿真 先分别验证各个模块的能否正确实现其功能 再将整个电路进行仿真解决模块和模块的接口问题 最后画出整个电路图 整个设计流 程如图 2 4 所示 查找资料和设计电路 学习 Proteus ISIS 软 件的使用 掌握整个框架设 计和整个电路的 流程 确定电路和元器件仿真无误后 画出总图 仿真 图 2 4 设计流程规划图 LED 显示电 路 A D 转 换 压力传 感器 放大电 路 3 3 单元模块设计单元模块设计 本节主要介绍系统各单元模块的具体功能 电路结构 工作原理 以及各个单元模 块之间的联接关系 同时本节也会对相关电路中的参数计算 元器件选择 以及对核心 器件进行必要说明 3 13 1 各个单元模块功能介绍及电路设计各个单元模块功能介绍及电路设计 3 1 13 1 1 传感器模块传感器模块 要达到设计的性能要求 传感器的精度起着决定性作用 本设计选用应用于称重系 统90 以上的高精度电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是将被测量的力通过它所 产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件 题目要求称重范围10kg 误差不大 于 0 005kg 考虑到秤台自重 振动和冲击分量 还要避免超重损坏传感器 所以传 感器量程必须大于额定称重即10kg 本设计选择的是L PSIII型传感器 最大量程 20kg 精度为0 01 满量程时误差0 002kg 可以满足本系统的精度要求 5 本设计的测量电路采用最常见的桥式测量电路 用到的是电阻应变传感器半桥式测 量电路 它的两只应变片和两只电阻贴在弹性梁上 测量电阻随重力变化导致弹性梁 应变而产生的变化 电阻的变化使桥式测量电路的输出电压发生变化 即输出电压的 变化反映出重力的变化 图 3 1 全桥测量电桥图 其中 V0输出为 0 2mv 激励电压 9VDC 12VDC 灵敏度 2 0 1mV V 输入阻抗 405 10 输出阻抗 350 3 极限过载范围 150 安全过载范围 120 使用温度范围 20 60 3 1 23 1 2 三运放大电路模块三运放大电路模块 本次课程设计中 需要一个放大电路 我们将采用三运放大电路 主要的元件就 是三运放大器 在许多需要用 A D 转换和数字采集系统中 多数情况下 传感器输出 的模拟信号都很微弱 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 在此情况下 就必须选择一种符合要求的放大器 图 3 2 三运放大电路结构图 3 1 33 1 3 双积分模数转换器 双积分模数转换器 ICL7107ICL7107 模块 模块 当输入电压为 Vx 时 在一定时间 T1 内对电量为零的电容器 C 进行恒流 电流大 小与待测电压 Vx 成正比 充电 这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加 当充 电时间 T1 到后 电容器上积累的电量 Q 与被测电压 Vx 成正比 然后让电容器恒流放 电 电流大小与参考电压 Vref 成正比 这样电容器两极之间的电量将线性减小 直 到 T2 时刻减小为零 所以 可以得出 T2 也与 Vx 成正比 如果用计数器在 T2 开始时 刻对时钟脉冲进行计数 结束时刻停止计数 得到计数值 N2 则 N2 与 Vx 成正比 双 积分 AD 的工作原理就是基于上述电容器充放电过程中计数器读数 N2 与输入电压 Vx 成 正比构成的 现在我们以实验中所用到的 3 位半模数转换器 ICL7107 为例来讲述它的 整个工作过程 ICL7107 双积分式 A D 转换器的基本组成如图 1 所示 它由积分器 过 零比较器 逻辑控制电路 闸门电路 计数器 时钟脉冲源 锁存器 译码器及显示 等电路所组成 下面主要讲一下它的转换电路 大致分为三个阶段 第一阶段 首先电压输入脚与输入电压断开而与地端相连放掉电容器 C 上积累的 电量 然后参考电容 Cref 充电到参考电压值 Vref 同时反馈环给自动调零电容 CAZ以 补偿缓冲放大器 积分器和比较器的偏置电压 这个阶段称为自动校零阶段 第二阶段为信号积分阶段 采样阶段 在此阶段 Vs 接到 Vx 上使之与积分器相连 这样电容器 C 将被以恒定电流 Vx R 充电 与此同时计数器开始计数 当计到某一特定 值 N1 对于三位半模数转换器 N1 1000 时逻辑控制电路 使充电过程结束 这样采 样时间 T1 是一定的 假设时钟脉冲为 TCP 则 T1 N1 TCP 在此阶段积分器输出电压 Vo Qo C 因为 Vo 与 Vx 极性相反 Qo 为 T1 时间内恒流 Vx R 给电容器 C 充电得到 的电量 所以存在下式 Qo 1 dt R Vx T 1 0 1T R Vx Vo 2 C Qo 1T RC Vx 图 3 3 双积分 AD 内部结构图 第三阶段为反积分阶段 测量阶段 在此阶段 逻辑控制电路把已经充电至 的参考电容按与极性相反的方式经缓冲器接到积分电路 这样电容器 C 将以 ref V ref C X V 恒定电流 放电 与此同时计数器开始计数 电容器 C 上的电量线性减小 当经RVref 过时间 T2 后 电容器电压减小到 0 由零值比较器输出闸门控制信号再停止计数器计 数并显示出计数结果 此阶段存在如下关系 Vo 0 3 C 1 dt R Vref T 2 0 把 2 式代入上式 得 T2 Vx 4 Vref T1 从 4 式可以看出 由于 T1 和 Vref 均为常数 所以 T2 与 Vx 成正比 从图 2 可 以看出 若时钟最小脉冲单元为 则 代入 4 CP T CP TNT 11 CP TNT 22 即有 N2 Vx 5 可以得出测量的计数值 N2 与被测电压 Vx 成正比 对于 ICL7107 信号积分阶段时间固定为 1000 个 即 N1 的值为 1000 不变 而 CP T N2 的计数随 Vx 的不同范围为 0 1999 同时自动校零的计数范围为 2999 1000 也就 是测量周期总保持 4000 个不变 即满量程时 N2max 2000 2 N1 所以 CP T Vxmax 2Vref 这样若取参考电压为 100mV 则最大输入电压为 200mV 若参考电压为 1V 则最大输入电压为 2V 下面阐述 I ICL7107 双积分模数转换器引脚功能 图 3 4 ICL7107 芯片引脚图 ICL7107 芯片的引脚图如图 3 4 所示 它与外围器件的连接图如 3 5 所示 图 3 5 中它和数码管相连的脚以及电源脚是固定的 所以不加详述 芯片的第 32 脚为模 拟公共端 称为 COM 端 第 34 脚 Vr 和 35 脚 Vr 为参考电压正负输入端 第 31 脚 IN 和 30 脚 IN 为测量电压正负输入端 Cint 和 Rint 分别为积分电容和积分电阻 Caz 为自动调零电容 它们与芯片的 27 28 和 29 相连 电阻 R1 和 C1 与芯片内部电路组 合提供时钟脉冲振荡源 从 40 脚可以用示波器测量出该振荡波形 该脚对应实验仪上 示波器接口 CLK 时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间 因为测量周期总保持 4000 个 Tcp 不变 以及测量的精度 下面我们来分析一下这些参数的具体作用 Rint 为积分电阻 它是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大 器的输出电流来定义的 对于 ICL7107 充电电流的常规值为 Iint 4uA 则 Rint 满量 程 4uA 所以在满量程为 200mV 即参考电压 Vref 0 1V 时 Rint 50K 实际选择 47K 电阻 在满量程为 2V 即参考电压 Vref 1V 时 Rint 500K 实际选择 470K 电阻 Cint T1 Iint Vint 一般为了减小测量时工频 50HZ 干扰 T1 时间通常选为 0 1S 具 体下面再分析 这样又由于积分电压的最大值 Vint 2V 所以 Cint 0 2uF 实际应用 中选取 0 22uF 对于 ICL7107 38 脚输入的振荡频率为 f0 1 2 2 R1 C1 而模数 转换的计数脉冲频率是 f0 的 4 倍 即 Tcp 1 4 f0 所以测量周期 T 4000 Tcp 1000 f0 积分时间 采样时间 T1 1000 Tcp 250 fo 所以 fo 的大小直 接影响转换时间的快慢 频率过快或过慢都会影响测量精度和线性度 同学们可以在 实验过程中通过改变 R1 的值同时观察芯片第 40 脚的波形和数码管上显示的值来分析 一般情况下 为了提高在测量过程中抗 50HZ 工频干扰的能力 应使 A D 转换的积分时 间选择为 50HZ 工频周期的整数倍 即 T1 n 20ms 考虑到线性度和测试效果 我们取 T1 0 1m n 5 这样 T 0 4S f0 40kHZ A D 转换速度为 2 5 次 秒 由 T1 0 1 250 f0 若取 C1 100pF 则 R1 112 5K 图 3 5ICL7107 和外围器件连接图 3 1 3 1 4 4 数码管显示模块数码管显示模块 图 3 6 数码管 图 3 6 数码管内部电路 数码管可以直接和 ICL7107 相连 本设计采用的是 7 段共阳数码管 显示的范围是 0 1999 3 23 2 电路参数的计算及元器件的选择电路参数的计算及元器件的选择 在设计好各个模块和总的原理图后 需要根据设计需要选择某些器件的参数 并 且选择合适的元器件也尤为重要 下面就着重介绍桥式电路 放大电路 A D 转换中的 参数计算和部分数字芯片的使用 3 2 13 2 1 桥式电路桥式电路 全桥测量电路中 将受力性质相同的两应变片接入电桥对边 当应变片初始阻值 R1 R2 R3 R4 变化值 R1 R2 R3 R4时 桥路输出电压Uout KE 其 输出灵敏度比半桥又提高了一倍 非线性误差和温度误差均得到改善 电桥的输出电 压可由式 1 表示 6 全桥测量电路图如图2所示 in 4 4 3 3 2 2 1 1 42 42 out U R R R R R R R R RR RR U 3 2 23 2 2 三运放放大电路三运放放大电路 它主要由两级差分放大器电路构成 其中 运放 A1 A2 为同相差分输入方式 同 相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗 减小电路对微弱输入信号的衰减 差分输入 可以使电路只对差模信号放大 而对共模输入信号只起跟随作用 使得送到后级的差 模信号与共模信号的幅值之比 即共模抑制比 CMRR 得到提高 这样在以运放 A3 为核心 部件组成的差分放大电路中 在 CMRR 要求不变情况下 可明显降低对电阻 R3 和 R4 Rf 和 R5 的精度匹配要求 从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好 的共模抑制能力 在 R1 R2 R3 R4 Rf R5 的条件下 图 1 电路的增益为 Av 1 2R1 Rg Rf R3 由公式可见 电路增益的调节可以通过改变 Rg 阻值实现 3 2 33 2 3 双积分模数转换器 双积分模数转换器 ICL7107ICL7107 第一阶段 首先电压输入脚与输入电压断开而与地端相连放掉电容器 C 上积累的 电量 然后参考电容 Cref 充电到参考电压值 Vref 同时反馈环给自动调零电容 CAZ以 补偿缓冲放大器 积分器和比较器的偏置电压 这个阶段称为自动校零阶段 第二阶段为信号积分阶段 采样阶段 在此阶段 Vs 接到 Vx 上使之与积分器相连 这样电容器 C 将被以恒定电流 Vx R 充电 与此同时计数器开始计数 当计到某一特定 值 N1 对于三位半模数转换器 N1 1000 时逻辑控制电路 使充电过程结束 这样采 样时间 T1 是一定的 假设时钟脉冲为 TCP 则 T1 N1 TCP 在此阶段积分器输出电压 Vo Qo C 因为 Vo 与 Vx 极性相反 Qo 为 T1 时间内恒流 Vx R 给电容器 C 充电得到 的电量 所以存在下式 Qo 1 dt R Vx T 1 0 1T R Vx Vo 2 C Qo 1T RC Vx 第三阶段为反积分阶段 测量阶段 在此阶段 逻辑控制电路把已经充电至 的参考电容按与极性相反的方式经缓冲器接到积分电路 这样电容器 C 将以 ref V ref C X V 恒定电流 放电 与此同时计数器开始计数 电容器 C 上的电量线性减小 当经RVref 过时间 T2 后 电容器电压减小到 0 由零值比较器输出闸门控制信号再停止计数器计 数并显示出计数结果 此阶段存在如下关系 Vo 0 3 C 1 dt R Vref T 2 0 把 2 式代入上式 得 T2 Vx 4 Vref T1 从 4 式可以看出 由于 T1 和 Vref 均为常数 所以 T2 与 Vx 成正比 从图 2 可 以看出 若时钟最小脉冲单元为 则 代入 4 CP T CP TNT 11 CP TNT 22 即有 N2 Vx 5 可以得出测量的计数值 N2 与被测电压 Vx 成正比 3 33 3 特殊器件的介绍特殊器件的介绍 3 3 13 3 1 31 231 2 位双积分型位双积分型 A DA D 转换器转换器 ICL7107ICL7107 1 31 2 位双积分型 A D 转换器 ICL7107 的基本特点 1 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 2 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 3 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 4 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 5 输入阻抗高 对输入信号无衰减作用 6 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 7 噪音低 温漂小 具有良好的可靠性 寿命长 8 芯片本身功耗小于 15mw 不包括 LED 9 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 2 ICL7107 引脚功能 V 和 V 分别为电源的正极和负极 au gu aT gT aH gH 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 Bck 千位笔画驱动信号 接千位 LEO 显示器的相应的笔画电极 PM 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 第 38 脚至第 40 脚电容量的选择是根据下列公式来决定 Fosl 0 45 RC 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 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 如果应用在 200mV 满刻度 的场合是使用 0 47 F 而 2V 满刻度是 0 047 F BUF 缓冲放大器输出端 接积分电阻 Rint 其输出级的无功电流 idling current 是 100 A 而缓冲器与积分器能够供给 20 A 的驱动电流 从此脚接一个 Rint 至积分 电容器 其值在满刻度 200mV 时选用 47K 而 2V 满刻度则使用 470K 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 它的原理性框图如图2所示 它包括积 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 Tc 2RCIn1 5 2 2RC 计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行 计数 控制逻辑包括分频器 译码器 相位驱动器 控制器和锁存器 分频器用来对时钟脉冲逐渐分频 得到所需的计数脉冲 fc 和共阳极 LED 数码管公共电 极所需的方波信号 fc 译码器为 BCD 7段译码器 将计数器的 BCD 码译成 LED 数码管七段笔画组成数字的相应 编码 驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应 笔画的方波 控制器的作用有三个 第一 识别积分器的工作状态 适时发出控制信 号 使各模拟开关接通或断开 A D 转换器能循环进行 第二 识别输入电压极性 控 制 LED 数码管的负号显示 第二 当输入电压超量限时发出溢出信号 使千位显示 1 其余码全部熄灭 钓锁存器用来存放 A D 转换的结果 锁存器的输出经译码器 后驱动 LED 它的每个测量周期自动调零 AZ 信号积分 INT 和反向积分 DE 三个阶段 第一阶段 自动调零阶段 AZ 转换开始前 转换控制信号 VL 0 先将计时器清零 并接通开关 S0 使积分电容 C 完全放电 第二阶段 信号积分 INT 令开关 S1合到输入信号 V1一侧 积分器对 V1进行固定 时间 Tl 的积分 积分结果为 上式说明 在 Tl 固定条件下 V0与 Vl 成正比 第三阶段 反向积分 DE 令开关 S1转至参考电压 VREF 一侧 积分器反向积分 如 果积分器的输出电压上升至必零时 所经过的积分时间 T2则可得 可见 反向积分到 V0 0这段时间 T2与 Vl 成正比 令时钟脉冲 CD 的周期为 Tc 计数扔 器在 T2时间内计数值为 N 得 T2 NTc 由此式分析可知 T1 Tc VREF 固定不变 计 数值 N 仅与 VIN 成正比 实现了模拟量到数字量的转变 下面介绍 A D 转化过程的时 间分配 假设时钟脉冲频率为40KHz 每个周期为4000Tc 每个测量周期中三个阶段工 作自动循环 双积分型 A D 转换器的电压波形图各阶段时间分配如下 信号积分时间 Tl 用1000Tc 信号反向积分时间 T2用0一2000Tc 这段时间的长短是由 VIN 的大小决定的 自动调零时间 T0用1000 3000Tc 从上面的分析可知 Tl 侍定不变的 但 T2随 VIN 的大小而改变 因为 选基准电 压 VRFF 100 0mv 由 得 VIN 0 1N 满量程时 N 2000 同样由上式可导出满量程 时 VIN 与基准电压的关系为 VIN 2VREF 为了提高仪表的抗干扰能力 通常选定的采 样时间 Tl 为工频周期的整数倍 我国采用50Hz 交流电网 其周期为20ms 应选 T1 n 20ms n l 2 3 n 越大 对串模干扰的抑制能力越强 但 n 越大 A D 转换 的时间越长 因此 一般取 Tl 100ms 即 f0 40KHz 由 T0 2RC105 2 2RC 得 式中 T0为振荡周期 由上式可知 当 f0 40KHz 时 阻容元件的选取并不唯一 只要满 足要求即可 电源电压 ICL7107 V 到 GND6V 温度范围0 到 70 ICL7107 V 到 GND 9V 热电阻 PDIP 封装 qJA W 50MQFP 封装80拟输入电压 V 到 V 最大结温150 参考输入电压 V 到 V 最高储存温度范围 65 到150 时钟输入 GND 到 V 3 43 4 各单元模块的联接各单元模块的联接 见附录一 4 4 相关软件介绍相关软件介绍 本章节介绍本次设计中用到的软件 并总结本次设计学习软件的情况 Altium Designer Summer 09 原名 Protel 从 2004 年开始更名为 Protel Dxp 而后是新版 Altium Designer Summer 6 0 6 0 以后开始了以年份命名 Altium Designer Summer 09 共分 5 个模块 分别是原理图设计 PCB 设计 包含信号完整性 分析 自动布线器 原理图混合信号仿真 PLD 设计 以下介绍一些它的部分最新功 能 可生成 30 多种格式的电气连接网络表 强大的全局编辑功能 在原理图中选择一 级器件 PCB 中同样的器件也将被选中 同时运行原理图和 PCB 在打开的原理图和 PCB 图间允许双向交叉查找元器件 引脚 网络 既可以进行正向注释元器件标号 由 原理图到 PCB 也可以进行反向注释 由 PCB 到原理图 以保持电气原理图和 PCB 在 设计上的一致性 满足国际化设计要求 包括国标标题栏输出 GB4728 国标库 方便 易用的数模混合仿真 兼容 SPICE 3f5 支持用 CUPL 语言和原理图设计 PLD 生成标 准的 JED 下载文件 PCB 可设计 32 个信号层 16 个电源 地层和 16 个机加工层 强大 的 规则驱动 设计环境 符合在线的和批处理的设计规则检查 智能覆铜功能 覆 铀可以自动重铺 提供大量的工业化标准电路板作为设计模版 放置汉字功能 可以 输入和输出 DXF DWG 格式文件 实现和 AutoCAD 等软件的数据交换 智能封装导航 对于建立复杂的 PGA BGA 封装很有用 方便的打印预览功能 不用修改 PCB 文件 就可以直接控制打印结果 独特的 3D 显示可以在制板之前看到装配事物的效果 强大 的 CAM 处理使您轻松实现输出光绘文件 材料清单 钻孔文件 贴片机文件 测试点 报告等 经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法 信号完整性分析直接从 PCB 启动 反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合 5 系统调试系统调试 图 5 1 系统仿真图 本设计在 protues 软件里完成电路原理整体框架的绘制后 进行模块单元的仿真与 调试 由于在仿真软件中不存在传感器这类器件 所以我采用的是搭建一个桥式电路 然后用一个滑动变阻器调节来改变阻值 即可输出相应的电压差 可以模拟应变式传 感器的工作原理 在测试数据方面也是模拟的 得到的都是模拟数据 总体思路是调 节滑动变阻器 使其输出不同的电压 观察数码管显示是否显示对应的数值 然后分 析和理论数值是否相同 6 6 系统功能 指标参数系统功能 指标参数 6 16 1 系统能实现的功能系统能实现的功能 通感应器模块将被测量的力转化为电信号 再经过放大器模块将电信号输入模数 转化器模块 基于双积分模数转换器 ICL7107 的工作原理 最终将信号传入显示器 模块 最终将感应器模块 放大器模块 模数转化器模块 显示器模块组合得到数字 电子称系统 6 26 2 系统指标参数测试系统指标参数测试 通过改变各个元件及各元件的参数来校准实验要求的量程及精度 调节电阻电容 对电子称的量程范围进行校准达到 测量精度为kgkg999 1 0kg001 0 1 g 6 36 3 系统功能及指标参数分析系统功能及指标参数分析 感应器主要通过重物质量的改变来改变电路中的电阻 进而改变输出电压 结合 实验要求 调节电阻及工作电压获得线性的输出电压 基于全桥测量电桥原理可知 三运放放大电路对输入信号做线性放大 由三运放的 14 R 17 R 16 R 4 R 5 R 6 Rk10 的结构和功能可以计算出 称重实质是 8 R 9 Rk20 7 R 10 R 11 Rk10 12 R 13 Rk80 对质量的累积计算 故采用 ICL7107A D 转换器 根据其工作特性可以得出 1 Rk47 2 RM1 3 Rk100 15 Rk10 1 CuF1 0 2 CuF47 0 3 CnF1 0 4 CuF22 0 7 7 设计总结与体会设计总结与体会 这次课程设计的主要任务是设计一个数字电子秤 组装及调试各单元电路及系统 电路 用数字表显示称重结果 回顾起此次课程设计 至今我仍感慨颇多 可以说 这次课程设计比较不容易 因为很多内容还未进行学习 但是可以学到很多很多的东西 同时不仅可以巩固了以 前所学过的知识 而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识 这次设计使自己有 机会使用到原来所学知识 并且可以有更深的认识 可以时候收获不小 在设计的过程中可以说得是困难重重 这毕竟是第一次做数电课程设计 难免会 遇到过各种各样的问题 设计的过程中我发现了自己的不足之处 对以前所学过的知 识理解得不够深刻 掌握得不够牢固 也提醒自己要更加努力学习来扩充自己的知识 这次课程设计历时两个星期左右 在这两个星期的学习过程中 发现自身还有很多不 足 有很多的知识漏洞 自己的实践经验还是比较缺乏 理论联系实际的能力也有待 提高 在设计过程中 通过自己查阅资料 以及老师和同学的帮助 不仅使我对自己 所学专业有了更好的认识 也使我独立思考和独立操作的能力有了很大提高 这对自 己以后走向社会大有裨益 通过这次课程设计 我收获颇多 首先 在这次设计过程中我查阅了很多资料 通 过查阅各种资料 加深了我对更多理论知识的理解 同时也增强了我对资料的检索能力 其次 通过这次课程设计增加了我对很多元器件 模拟电路和数字电路的理解 再次 这次设计进一步加深了我的团队意识 团队协作是非常重要的 不过 这个设计还是有它的不足之处 它只能单一测试部分标准波形 且占用很多 芯片组 成本较高 这些不足之处仍有待解决 如果考虑到实际的应用还有很多需要改 进的地方 所以这也使我明白要真正的设计出一款电子产品是非常不容易的 在设计过程中 我曾因为自己理论知识以及实践经验的缺乏而彷徨过 也曾因为设 计的成功而兴奋过 尽管最终获得的知识很多 但更多的还是精神上的收获 它让我 明白了学无止境 活到老学到老的真理 在人生路上 迎接我们去挑战的艰难还有很 多很多 等待我们去征服的挫折还有很多很多 革命尚未成功 我们仍需努力 8 8 谢辞谢辞 在这里 我对我们的带课老师张祖媛老师表示衷心的感谢 张祖媛老师在这次课程 设计过程中对我们的全方位的指导 是我们这次课程设计取得成功的根本保证 张祖媛老师对这次课程设计抱着认真负责的态度 她极力做好安排 指导等各个环 节 只为我们能通过这两周的课程设计学到更多知识 更快地提高我们的能力 在张祖 媛老师的指导下 我学到了很多平时没有学到的东西 尤其是学到了很多依托我们的专 业知识在实际生活中广泛应用的东西 另外 我还要感谢学校能安排这次课程设计 为我们熟悉我们的专业相关提供了平 台 当然 这次课程设计能取得成功 还少不了我们组几个同学的通力合作 大家在设 计中献言献策 不积极发挥着个人的聪明与才智 9 9 参考文献参考文献 1 康华光 电子技术基础 数字部分 M 第五版 北京 高等教育出版社 2006 1 2 康华光 电子技术基础 模拟部分 M 第五版