电子秤的设计报告.doc

电子秤的设计报告

学号：1605111
班级：测控111
姓名：

绪论
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。其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，显示电路。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。而差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。

一、课题任务与要求
1.设计题目：便携式电子秤的设计报告
2.任务与要求：
1）设计一个LED数码显示的便携式电子称。
2）采用电阻应变式传感器。
3）称重范围0~1.999KG。
二、系统概述
1.方案比较：
1）设计方案一
①.系统框图：

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该设计的优劣：
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。
2）设计方案二
①.系统框图：

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该设计的优劣：
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：功能单一，仅能作为日常生活使用。不可有其他的功能扩展。
2.方案比较
在介绍每个方案时已经对每个方案的优劣进行了阐述。以下再对每种方案的突出特点进行比较。

优点
缺点

方案一
易于检查
模块较多，电路复杂
功能单一

方案二
易于检查
模块最少，电路简单
功能单一

综述：
对于方案一，它的电路连接与方案二相比较为复杂。且功能模块也较多，没有方案二易于调试。成本也相对较高。这里也不采用。
综上所述，这次试验我选择了实验二为最终的设计方案。
其流程如下：
电阻应变式传感器输出信号
数码管
显示电路

ICL7107

三．单元电路设计与分析
1.元器件清单表
元件/集成块
型号
功能
说明
ICL7107
ICL7107
双积分A/D转换
转换模-数信号
R1、R2、R3、R4
（2kg称重传感器可代）
E350－ZAA
箔式电阻应变片
传感器
RP1
5K电位器

RP2、RP3
电位器

电源
+5V、-5V
直流电源

电阻
各阻值共13块
24k
47k
100k
1k
10k
1m
5k
精密金属膜电阻

电容
各容量共5块
0.1u,
0.47u
0.22u
110p
0.02u
积分电路中不能用瓷片电容

差动放大器
Ina114ap

数码管
Lg5011bsr

2、电子称工作原理
当被称物体放置在电子秤的称台上时，起重量便通过称体传递给称重传感器，传感器随之产生力-电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数（一般成正比关系）关系的电信号（电压或电流），此信号经放大电路放大、滤波后传达给A/D转换器进行转换，数字信号经一定的电路进行输出显示。由于本次课设我们使用的是硬件电路，采用芯片ICL7107，这个芯片是3位半的ADC转换芯片，一般的万用表上使用的芯片，很经典的双积分AD，带显示驱动，可以直接把显示数码管与芯片连接进行显示，电路结构比使用单片机来做简单得多，原理也清楚明了。
3.测量电路：
电阻应变式传感器就是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：
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：

R1
R2
R3
R4
R5
R6
RP1
E

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。
4．差动放大电路：
(1) 原理：
本次设计中，要求用一个放大电路，即差动放大电路，主要的元件就是差动放大器。在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，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。仪表仪器放大器的选型很多，我们这里使用一种用途非常广泛的放大器，就是典型的差动放大器ina114ap。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。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。本设计中差动放大电路结构图如下：

A1
∞
A2
∞
R8
R8
R7
Vo
Vi
Vi1
Vi2
I

放大倍数的推导过程：I=
Vo=(R8+R7+R8)I
=(1+)Vi，
则Avf=1+
放大电路与ICL7107的连线示意图如下：
RP3
A1
∞
A2
∞
R8=30K
R8=30K
R7=
5.1 K
5V
IN-
IN+
Vref+
Vref-
COM
Rp2
1M
V+

5．A/D转换：
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。
（1）ICL7107双积分型的A／D转换器的特点
a.直接输出7段译码信号 b.ICL7107直接驱动LED
c.位十进制A/D转换器 d.双积分型电路
（2）双积分A/D转换器结构与原理
常见A/D转换器的转换方式有积分式和非积分式两类（如逐次逼近比较式A/D转换器），双积分式A/D转换器的基本组成如图，它由积分器、比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计数器及时钟脉冲源等电路所组成。
四、总体工作电路原理图
数显电子秤具有准确度高，易于制作，成本低廉，体积小巧，实用等特点。其分辨力为1克左右，在2千克的量程范围内经仔细调校，测量精度可比较高。

7107
A1
A2
∞
∞
称重传感器
放大电路
A/D转换
数码管显示电路
R1
R2
R3
R4
R5
R6
RP1
E

这个图是前端的测量放大电路

下面的仿真图就是TC7107与硬件的连接，只不过为了简便起见我们用一个滑动变阻器代替压力传感器，用一个运算放大器代替三运放。从图上可以看出我们用了五个数码管，其中上边的那个是作为比较，如果输入没超过量程，数码管闲事1，超出量程，数码管显示为0。本次仿真结果的量程为0.000-1.999，不过由于存在误差，数码管最小显示为0.002。

五、调试
调试过程
（1）．首先在秤体自然下垂已无负载时调整RP1，使显示器准确显示零。
（2）．再调整Rp2，使秤体承担满量程重量（本电路选满量程为2千克）时显示满量程值。 （调节Rp2衰减比）
（3）．然后在秤钩下悬挂1千克的标准砝码，观察显示器是否显示1.000，如有偏差，可调整RP3值，使之准确显示1．000。（调节反向定值积分时间 Vi）
（4）．重新进行2、3步骤，使之均满足要求为止。
（5）．最后准确测量RP2、RP3电阻值，并用固定精密电阻予以代替。RP1可引出表外调整。测量前先调整RP1，使显示器回零。

六、系统方案总结
工作原理数显电子秤电路原理如上图所示，其主要部分为电阻应变式传感器R1、R2、R3、R4及IC2、IC3组成的测量放大电路，和IC1及外围元件组成的数显面板表。传感器R1采用E350~ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值为350欧姆。测量电路将产生的电阻应变量转换成电压信号输出。IC2、IC3将经转换后的弱电压信号进行放大，作为A／D转换器的模拟电压输入。IC4提供l．2V基准电压，它同时经R5、R6及RP2分压后作为A/D转换器的基准电压。3-1/2位A/D，转换器ICL7107的参考电压输人正端，由RP2中间触头引入，负端则由RP3的中间触头引入。两端参考电压可对传感器非线性误差进行适量补偿。
当然，可能还有这样那样的问题，特别是非线性误差方面的问题，在实际的制作中可以加以完善。

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