测控电路电子秤课设报告

《测控电路课程设计》报告题目人体电子秤设计

院系仪器科学与光电工程

专业测控技术与仪器

班级测控1102

学号 2011010652

学生姓名丁向友

指导老师刘国忠

实验时间 2014.06-2014.07

实验成绩

目录

一、课程设计目的及意义 (3)

二、系统设计的主要任务 (3)

三、总体方案设计 (3)

四、电路设计及调试 (4)

4.1称重传感器电路 (4)

4.2信号调理电路 (5)

4.2.1放大电路 (5)

4.2.2调零电路 (7)

4.3比较电路 (7)

4.4或非电路 (9)

4.5显示模块 (10)

4.6报警系统 (10)

五、电路调节 (10)

六、实验数据分析与处理 (11)

6.1准确性 (11)

6.2稳定性 (12)

6.3关键点电压 (13)

七、总结 (14)

八、参考文献 (14)

一、课程设计目的及意义

测控电路课程设计是测控电路课程体系的一个重要组成环节，独立实践教学环节是对《测控电路》理论部分的必要补充。

课程设计内容为典型测控系统电路设计，通过课程设计，使学生完成测控系统任务分析、电路总体设计、单元电路设计以及电路调试等各个环节。掌握有关传感器接口电路、信号处理电路、放大电路、滤波电路、运算电路、显示电路以及执行部件驱动电路等内容在测控系统中的使用方法。了解有关电子器件和集成电路的工作原理。

在课程设计中，做到理论联系实际，加深对理论知识的进一步理解，提高分析问题和解决问题的能力。本课程设计以AD620、LM741、LM339为核心，进行智能人体电子秤的设计,并详述该系统硬件的设计方法。该系统集称重、显示、报警于一体,功能齐全,实用性强，充分利用了电路分析、模拟电路、测控电路、信号分析与处理、传感器等课堂上学到的知识，有机的将所学到的知识融合在一起，投入到实际运用中，便于对知识的综合掌握及运用。

二、系统设计的主要任务

任务：设计一个人体电子秤测量系统。

要求：

1）基本要求

最大称重：150KG

用3位半数字显示表头显示体重，输入电压范围0-2V,

当体重大于W1时，点亮LED1，发出声音提示；

当体重小于W2时，点亮LED2，发出声音提示。

2）提高部分

提高线性度

可以设置W1和W2;

语音提示；

自由发挥

三、总体方案设计

本系统主要由称重传感器模块、滤波放大电路模块、调零模块、报警电路模块、LCD显示模块等部分组成。人体的体重信息由称重传感器转换成电信号,并通过测量电路进行滤波放大,通过显示电路进行显示,如体重超出设定范围系统还会报警。

称重传感器

模块滤波及放大

电路

lED报警显示模块

调零模块

图1：系统结构框图

四、电路设计及调试

4.1称重传感器电路

称重传感器是影响电子秤测量精度的关键部件。选用适当传感器,用来感知被测量,当物体放在秤盘上时,压力传给传感器,该传感器发生形变,从而使阻抗发生变化,电桥失去平衡,传感器输出一个变化的模拟信号。

图2：传感器电路图

如图所示，4个电位器式的传感器显示了称重传感器的大体构造。输出电压大约在0-1.5mv左右。已知传感器输出线性，我们所需要做的就是把它进行放大滤波，最终显示出来即可。

4.2信号调理电路

4.2.1放大电路

绝大多数的电子秤都采应变式传感器作为荷重变换器。这是因为应变式传感器结构简单，体积小，精度高，非线性误差小，量程调整容易等优点。本系统采用的是平行梁式，这是一种根据弹性材料受到压力后变形产生应变，使粘贴在弹性材料上的应变元件或压缩或拉伸，引起应变元件的电阻相应变化。为了提高灵敏度，一般采用4个性能完全相同应变元件构成全臂差动电桥，显然,由应变元件构成全臂差动电桥的输出信是微弱的,必须通过信号放大才有读数意义。

经过小组讨论，决定使用一个单片集成芯片AD620实现。它的特点是电路结构简单，外加工作电源即可工作，设计效率高。

图3：AD620放大电路原理图

AD620主要技术指标:

带宽: 800MHz;

输出功率: 2. 4mW;

功率增益:120dB;

工作电压: 正负3V-正负15V;

静态功耗: 0. 48mW;

输入失调电压: 小于等于60uV;

转换速率: 1. 2V/LS;

封装形式:DIP8;

工作温度范围: -55到+125摄氏度

图4：放大电路

AD620放大器的特点：

差动输入,

单端输出。

电压增益可由电阻RG来确定,

增益连续可调

增益方程式为：

G =49.4 kΩ/R G + 1

G是放大倍数，RG是连接在1管脚

和8管脚的可调电阻。图5：AD620放大器的管脚图

4.2.2调零电路

当没有人站在体重称上的时候输出必须为0，为此，我们设计了一个调零电路，调零电路使用LM741芯片连接。

图6：调零电路

4.3比较电路

基于LM339芯片制作双限比较器（窗口比较器）

利用两个LM339芯片可以组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压Uin

位于门限电压之间时（U

R1

O

=U

OH

）。当Uin不在门

限电位范围之间时，（Uin>U

R2或Uin

R1

）输出为低电位（U

O

=U

OL

），窗口电压

ΔU=U

R2-U

R1

。它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。

图7：比较器电路

LM339芯片集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；

2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；

3）对比较信号源的内阻限制较宽；

4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；

6）输出端电位可灵活方便地选用。

图8：LM339管脚图

LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。

第二段比较器设计电路

第二段比较器的设计是为了在输出电压中，在电压小于V1时蜂鸣器不响，及输出电压为低电平。所以调整电阻使得预支电压为0.25V

当电压小于0.25V时输出为低电平。

图9：第二段比较器电路图

4.4或非电路

只要输出的电压有一个低电平就输出高电

平，报警系统工作，所以在预设的三个电压

中，

当Vo小于0.30时电路输出低电平，不报

警，即电子秤上不站人。

当输出电压在0.30到0.5之间时，输出

为高电平，报警，此时表明电子秤人的重量大

于30Kg小于50Kg。

当电压值在0.5到1.5之间时，电路输出

为低电平，不报警，可正常测量体重。

当电压值大于1.5时，电路输出为高电

平，报警，表示超重。

图10：或非电路图

4.5显示模块

传感器的输出大概在0-1.5mv左右，经过我们的放大后可达0-2V。因为运放呈线性，所以我们采用老师提供的显示器进行显示，显示器有四个引脚，分别为s+，s-，u+，u-。其中s+接下图U0，s-和u-接地，s+接+5V电源。因为显示器能显示的电压范围为0-2V，比如某同学60公斤，我们的显示器就只能显示为0.60。这样就能巧妙地让我们看到自己的体重。

4.6 报警系统

元器件：蜂鸣器、LED灯

图11：蜂鸣器外形图

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

发光二极管简称为LED。由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）、硅（Si）等的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

当达到报警需要的条件时，比较器相应输出口输出高电平，使二极管导通，然后使得蜂鸣器和LED灯工作。

五、电路调节

电路调节要求

1）调整AD620放大1000倍。

2）将AD620输入引脚短接，调整调零电路，使AD620输出为零。

3）连接比较器，调整上下限。

其中上限：1.5V

下限：0.5V 和 0.3V

4）连接蜂鸣器，使LED正常工作。

当体重高于30kg且低于50kg，或高于150kg时，蜂鸣器会发出鸣叫并且LED灯亮，其余时刻灯灭，蜂鸣器不工作。

六、实验数据分析与处理

6.1准确性

由十位同学上称测量体重（单位都为kg）

?1= 45.9-45.6=0.3 ?2 =50.1-49.9=0.2 ?3=50.3-50.3=0 ?4=51.9-51.9=0 ?5=55.1-54.1=1 ?6=57.1-55.8=1.3 ? 7=65.2-64.2=1 ?8=67.3-66.5=0.8 ?9=71.1-70.6=0.5 ? 10=78.4-78.2=0.2

=/2=0.8

经由上图经分析，可以看出十名同学的实际体重与测量体重的误差基本分布在-1.5kg~1.5kg之间，并且不成线性关系，所以属于是系统的随机误差，可能是由于零点漂移导致。

6.2稳定性

由两位同学上称5次测量体重，此同学标准体重为中间间隔分别为1、2、3、4

表2

平均值1=(67.1+67.3+67.2+67.3+67.4)/5=67.26

平均值2=(60.6+60.6+60.7+60.8+60.6)/5=60.66

1==0.102

2==0.08

图13：稳定性测量图一

图14：稳定性测量图二

从图中可以看出随着时间的增长，测量的结果基本成升高趋势，反映到电路中即零点漂移越来越高。

误差范围分别为1.3kg~1.6kg和0.3kg~0.5kg，经过标准差的计算，系统较稳定。

6.3关键点电压

无人称重时，电路各点电压：

传感器输入：0V

调零电路输出：0.002V

放大电路输出：0V

基准电压上限：1.500V

基准电压下限：0.502V

七、总结

电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。

基本由承重、传力复位系统、称重传感器、测量显示和数据输出的载荷测量装置三部分组成：

承重、传力复位系统被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。

称重传感器是由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。

对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。

测量显示和数据输出的载荷测量装置即处理称重传感器信号的电子线路包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等和指示部件如显示、打印、数据传输和存贮器件等。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。

这算是我们第一次自己动手设计制作实物。虽然中间遇到了不少的困难，但是我们认真分析遇到的问题，一步步地分析，最终在老师的帮助下，圆满完成了课设任务。

经过这次的课程设计，我学会不少东西，在跟队友探讨的时候总能发现自己思路的一些不足。从设计电路开始，我们商量放大电路的设计，最终选择了AD620的方案，网上的资料繁多，但我们总是在进行理解后才应用到自己的电路中，避免了连好电路后出了问题都不知道问题出在哪里。在理论分析里，我们复习了以前学过电路里的很多知识，比如上拉电阻的计算和选择，三运放的计算，滤波，比较电路的设计等等。我认为这样一种形式的课设极大地锻炼我们的动手能力和分析问题的能力，在老师的帮助下，能学到不少实用的知识。也感谢刘老师的良苦用心，给我们这样锻炼能力，展示自己的机会。

八、参考文献

[1]张国雄.测控电路[M].第2版.北京:机械工业出版社.2007.1-5.

[2]王树振. AD620仪用放大器原理与应用[M].第4期.微处理机,2008.08.

[3]《现代电子技术及应用》刘国忠主编

[4]《传感器原理及检测技术》梁福平主编

[5]《误差理论及数据处理》费业泰主编