数字电子称课程设计

（设计题目电子秤的设计）

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目录

第一章设计任务与要求 (3)

第二章设计方案 (3)

第三章设计原理与电路 (4)

3.1 电阻应变式传感器组成及原理 (4)

3.2 芯片TC7107的介绍 (4)

3.3 集成运放LM358的介绍 (6)

3.4 各分离电路的设计 (7)

3.5 电路参数的选取 (9)

第四章电路的组装与调试 (12)

4-1 完整的PROTENS仿真原理图 (12)

4-2 完整的PCB原理图(protel99SE) (13)

第五章设计总结 (13)

附录 (14)

6-1 PCB图 (14)

6-2 材料清单 (15)

参考文献 (15)

第一章设计任务及要求

设计说明：

1、选择合适的传感器以检测压力：本设计采用应变式压敏电阻组合而成。电阻

应变式传感器具有测量范围广、精度高、误差小和线性特性等优点，且能在恶劣环

境下工作，在力、压力和重要测试中有非常广泛的应用，力传感器具有结构简单、

体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。所以电阻应变式力传感器制作的数显

电子称具有准确度高易于制作，简单实用、成本低廉、体积小巧、携带方便等特点。

2、设计合理的电路检测压敏电阻产生信号：数字电子秤是将测量模拟电压值以数字的形式显示出来，其核心差分放大电路， A/D转换电路，显示电路组成。本设计由检测电桥代替压力传感器。由差分放大电路将检测的微弱信号放大，放大的模拟信号输入A/D转换芯片，再有数码管显示所测量的数据。其中A/D转换器将输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的数据，采用的A/D芯片将输入的模拟量转换成本 EMBED Equation.3 的十进制数。

要求：

设计一个能显示物体重量的电子秤。

第二章设计方案

对于电阻应变式力传感器制作的数显电子秤的制作有四个方面：

一：电路由测量电桥，二：差动放大电路，三：A/D转换电路,四：显示电路组成。从总的方面来考虑，传感器的使用应该尽量选用稳定性能高，寿命长，结构简单，但是又必须使称重准确。控制电路要根据选用的传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。控制系统应简单实用，并且在称重时能够快速反应，准确计量。总体控制要考虑环境，所称重物体对电路的影响，在确保计量准确的情况下使用能够提高称重效率。

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图2-1（总体视图）

第三章设计原理与电路

首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，以模拟信号的方式传到A/D传感器。其次，由A/D转换电路把由差动放大器把传感器输出的微信号进行一定倍数的放大，然后送A/D信号电路中。再由A/D转换电路把接收到的模拟信号，转换成数字信号，传送到显示电路，最后又显示电路显示数据。

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图3-1（电路原理框图）

3-1 电阻应变式传感器组成及原理

组成：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时，则敏感元件将构件一起变形，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。通过应变计在构建上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得重力、变形、扭矩等主要参数。

原理：电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体在外力作用下产生弹性变形，便粘贴在他表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变换转换为电信号，从而完成将外力变换为电信号的过程。

3-2 芯片TC7107的介绍

芯片TC7107引脚图

图3-2-1（引脚图）

芯片TC7107有四十个管脚

下面是引脚功能说明

1 (40) V+ 正供电电压。

2 (39) D1 激活个位显示的D 部分。

3 (38) C1 激活个位显示的C 部分。

4 (37) B1 激活个位显示的B 部分。

5 (36) A1 激活个位显示的A 部分。

6 (35) F1 激活个位显示的F 部分。

7 (34) G1 激活个位显示的G 部分。 8 (33) E1 激活个位显示的E 部分。

9 (32) D2 激活十位显示的D 部分。 10 (31) C2 激活十位显示的C 部分。

11 (30) B2 激活十位显示的B 部分。 12 (29) A2 激活十位显示。13 (28) F2 激活十位显示的F 部分。 14 (27) E2 激活十位显示。

15 (26) D3 激活百位显示的D 部分。 16 (25) B3 激活百位显示。

17 (24) F3 激活百位显示的F 部分。 18 (23) E3 激活百位显示。

19 (22) AB4 激活千位显示1。 20 (21) POL 激活负极性显示。

21 (20) BP/GND LCD 背板驱动输出。 22 (19) G3 激活百位显示。 23 (18) A3 激活百位显示。 24 (17) C3 激活百位显示。 25 (16) G2 激活十位显示。 26 (15) V- 负供电电压。

27 (14) VINT 积分器输出。 28 (13)VBUFF 连接积分电阻。

29 (12) CAZ 自动调零电容的容量对系统噪声会有影响。

30 (11) VIN- 此引脚连接模拟低电平输入信号。

31 (10) VIN+ 此引脚连接模拟高电平输入信号。

32 (9) ANALOG COMMON此引脚主要用来设置模拟共模电压，用于电池操作或那些

输入信号以电源为基准的系统。

33 (8) CREF- 见引脚34。

34 (7) CREF+ 大部分应用中使用0.1 μF 的电容。 35 (6) VREF- 见引

脚36。

36 (5) VREF+ 需要此模拟输入引脚以生成满量程输出（1999 个计数）。

37 (4) TEST 灯测试。拉高（至V+）时，所有段将导通，显示屏读数为-1888。

38 (3) OSC3 见引脚40。

39 (2) OSC2 见引脚40。

40 (1) OSC1 引脚38、39 和40 组成振荡器部分。对于48 kHz 时钟（每部分三

个读数），引脚40 同时连接100 kΩ电阻和100 pF 电容。100 kΩ电阻的另一端连

接到引脚39，而100 pF 电容的另一端连接到引脚38。

ICL7107性能参数

图3-2-2

双列直插40脚封装，BCB输出积分型模/数转换器，电源电压=5，-5v，电源

电流=1.8，-1.8mA,分辨率=3.5digit，典型模拟输入电压=土0.2，,2v，典型模拟

输入电流=10pA，时钟频率=48kHz，工作温度=0-70摄氏度。

它的内部包括了线性放大、模拟开关、振荡、显示驱动等部件。该芯片可直接

驱动共阳极LED数码显示管（该电路用TOS-5101BR数码管），可显示3位测量电压，电压范围为0-99.9v.可精确到0.1%。

3-3集成运放LM358的介绍

特性：

内部频率补偿

直流电压增益高(约100dB）

单位增益频带宽（约1MHz）

电源电压范围宽：单电源（3-30V）；

双电源（土1.5--土15V）

低功耗电流，适合与电池供电

低输入偏流

低输入失调电压和失调电流

供模输入电压范围宽，包括接地

差模输入电压范围宽，等于电源电压范围

输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V)

图3-3-1

LM358内部包括两个独立的高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适合于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的适用范围包括传感器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358的封转形式有塑封8引线双列直插式贴片

图3-3-2

3-4各分离电路的设计

1、电阻应变式传感器的测量电路

常用的桥式测量电路如图。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。

图3-4-1

2、放大电路

典型的差动放大器如下图所示，只需高精度LM358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

图3-4-2

3、A/D转换电路

图3-4-3

4、显示电路

图3-4-4

3-5电路参数的选取

根据芯片的电气手册可以知道所讨论的基本信号积分和反积分周期之外，该电路还集成了自动调零周期。此周期去除了转换过程中的缓冲放大器、积分器和比较器失调电压误差部分。无需调整外部电位计就可以生成真正的数字零读数。完整转换包括三个周期：自动调零、信号积分和参考电压积分周期。

3-5-1 自动调零周期

在自动调零周期期间，差分输入信号通过打开内部模拟门断开与电路的连接。相对于输入端的失调误差小于10 μV。自动调零周期长度为1000 至3000 个计数。3-5-2 信号积分周期

进入自动调零环路，将内部差分输入引脚与VIN+和VIN-连接。在固定周期内对差分输入信号进行积分。TC7106/TC7106A 的信号积分周期为1000 个时钟周期或计数。在内部计数器计时之前，将外部设置的时钟频率进行四分频。积分时间周期为：公式3-3-2-1

当转换器和测量系统共用同一电源公共端（接地）时，差分输入电压必须在器件共模电压范围内。

3-5-3 参考电压积分阶段

第三个阶段为参考电压积分阶段或反积分阶段。VIN- 在内部连接至模拟公共端，VIN+ 引脚跨接至之前已充电的参考电容。输出回零所需的时间与输入信号成比

例，在0至2000个计数之间。显示的数字读数为：

公式3-3-3-1

3-5-4 自动调零电容（CAZ）

CAZ 电容大小对系统噪声有一些影响。对于1LSB 为100 μV 的200 mV 满量程应用，推荐使用0.47 μF 电容。0.047 μF 的电容适合于2.0V 满量程应用。选用聚酯薄膜型介质电容即可。

3-5-5 参考电压电容（CREF）

用于在参考电压积分周期期间使积分器输出电压返回到零的参考电压存储在CREF 上。当VIN- 连接到模拟公共端时，可使用0.1 μF 的电容。

3-5-6 积分电容（CINT）

应选择适当的CINT值以在不导致输出饱和的情况下使积分器输出的电压摆幅最大。如果使用差分振荡器频率，必须反比例更改CINT，以保持标称±2V 积分器摆幅。CINT

的具体表达式为：

CINT 必须保持较低的介质吸收率，以最小化翻转误差。

3-5-7 积分电阻（RINT）

输入缓冲放大器和积分器设计与A 类输出级一起使用。输出级空闲电流为100 μA。积分器和缓冲器可提供20 μA 驱动电流，线性误差可忽略不计。RINT 的选择应维持在输出级线性驱动区域内，且该值不能太大，以避免印制电路板漏电流而引入误差。对于200 mV 的满量程，RINT 为47 kΩ。2.0V 的满量程需要470 kΩ的电阻。

元件值和标称满量程电压

3-5-8 振荡器元件

ROSC （引脚40 至引脚39）应该为100 kΩ。使用下列公式选择COSC：

3-5-9 参考电压选择

满量程读数（2000 个计数）需要输入信号的电压为参考电压的两倍。一些应用中的传感器输出电压和需要的数字读数之间可能存在一个比例因子而非完全一致。

第四章电路的组装与调试

4-1 完整的Proteus仿真原理图

数字电子秤仿真原理图（Proteus) 图4-1和图4-2

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图4-1-1

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图4-1-2

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图4-1-3

由所截图可知：原理图可精确到0.01Kg，但是测量范围较大，为0~19.99Kg

4-2完整的PCB原理图(protel)

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图4-2-1

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图4-2-2

第五章设计总结

设计经验总结：

1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，首先是芯片的选择，LM358双运算放大器和TC7107模数转换器，选择符合我们设计要去的芯片。同时，在仿真软件Proteus元件库中要找到相应元件，这对于我们来说很重要。

2、在制作pcb时，发现一定要细心耐心才能做好的事情。在画原理图时，各元器件的名称不能重复，同时要选择适当的封装。对于软件原理图里没有的芯片我们

还要自己画原理图。在所画的原理图没有错的情况下，才能转换成PCB图。PCB图的布线同样很重要，既要美观又要实用以及走线要尽量简单。

设计感想：

在这次课程设计中我们收获了很多。在设计的过程中，我们会遇到这样或那样的问题，最重要的是不要着急，而是沉着、冷静的对待。当我们把心态放平和，这时可能就有了解决问题的思路。通过这次课程设计，使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

最后，感谢****的细心指导。

6-2 材料清单

元件

封装

数量

备注

Cap1

RAD-0.3

1

0.47uF

Cap2

RAD-0.3

1

0.22uF

Cap3

RAD-0.3

1

0.01uF

Cap4

RAD-0.3

1

100pF

Rest1 AXIAL-0.3

4

10K

Rest2 AXIAL-0.3

1

5.1K

Rest3 AXIAL-0.3

3

30K

Rest4 AXIAL-0.3

1

47K

Rest5 AXIAL-0.3

1

90K

Rest6 AXIAL-0.3

2

100K

Rest7 AXIAL-0.3

2

1M

SW1

W1

1

10K

LM358

DIP8

１

差放

TC7107

DIP40

1

AD转变

Battery

IDC2

2

5V

DPY_7-SEG_DP

IDC8

4

八段共阳极数码显示管

参考文献: [1]阎石数字电子技术基础北京高等教育出版社 2005年