简易电子称设计及制作

大庆师范学院传感技术课程设计报告设计课题: 简易电子称的设计及制作姓名:学院: 物电学院专业: 自动化班级: 08级学号:日期2011年3月7日—2011年5月7日指导教师:目录1.设计的任务与要求 (2)1.1 设计基本概述 (2)1.2 设计要求 (2)2.方案论证与选择 (2)2.1 电子称的系统方案与比较 (2)2.2 传感器的选择 (3)2.3 放大电路的选择 (4)2.4 转化器的选择 (4)2.5 数码显示电路的选择 (6)3.单元电路的设计和元器件的选择 (6)3.1 电源模块 (6)3.2 数据采集、放大及零位调整模块 (6)3.3 A/D转换模块 (7)3.4 数码显示电路 (8)4.系统电路总图及原理 (8)5.总结 (8)5.1 课题总结 (8)5.2 经验体会 (9)参考文献 (9)附录A：元器件清单 (10)简易电子称的设计及制作1. 设计的任务与要求用学过的传感器设计并制作一个能测量重量的装置，并能测量不大于1KG的物体，误差小于±1%。

1.1 设计基本概述本设计分四个模块：电源模块、数据采集及放大模块、模数（A/D）转换模块、显示模块。

本电路应用压敏电阻构成秤重电桥来采集电压的微小变化，经过仪表放大器AD623组成的放大电路放大后送入A/D转换芯片ICL7107，对输入电压信号进行转换成数字量输出；显示模块直接连接数码管构成，显示实际测量值。

外部电路非常简单，方便制作。

1.2 设计要求（1）画出电路原理图（或仿真电路图）；（2）元器件及参数选择；（3）编写设计报告并写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

2. 方案论证与选择2.1 电子称的系统方案与比较方案一：通过秤重电桥产生电压信号，再经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片AD7799进行A/D转换，转换后的数字量输入单片机，有单片机进行数据处理和对A/D转换的控制，再有单片机输出显示信号，通过显示电路进行显示。

此方案的优点是可控制性好，电路简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限。

但要单片机需要编写程序进行数据处理而且外围电路比方案一复杂。

故我们不采用。

其电路方框图如图1：图1 数字电子钟方案二框图方案二：通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片ICL7107进行A/D转换，由于此芯片可直接用于数字显示，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。

此方案的优点是外部电路非常简单，但同能实现较高的精度。

缺点是无法2：对A/D转换进行控制，其电路方框图如图2.2.1电阻应变式传感器的组成以及原理电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。

由电阻应变片和测量线路两部分组成。

常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。

电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：电阻丝温度系数引起的，电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。

对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。

非线性误差是传感器特性中最重要的一点。

产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。

滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。

由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。

单臂电桥测量电路中，将一个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uout＝KEε/4。

2.2.2电阻应变式传感器的测量电路常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—0.001，所以，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，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压+6V，另一个对角线为输出电压-6V。

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，或则就有电压输出，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。

测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。

桥式电路图如下：图3 桥式测量电路图它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右，测量电桥的电源由稳压电源Uin供给。

将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位R5，使数显表显示0.00V，就可以称重，成为一台原始的电子秤。

传感器输出电压为毫伏级，而A/D 转换器所能处理的电压是0～5V ，所以必须在A/D 转换器前加入一个前置差动放大电路以实现电压的放大，放大倍数为100～200倍，使输出电压为0～5V 。

选用AD623单电源仪表放大器它能在单电源(+3v ～+12v)下提供满电源幅度的输出，但当它工作于双电源(±2.5～±6v)时,仍能提供优良的性能。

输入信号加到作为电压缓冲器的PNP 晶体管上,并且提供一个共模信号到输入放大器,每个放大器接入一个精确的50k 的反馈电阻,以保证增益可编程。

差分输出为:C G V R ⎥⎦⎤⎢⎣⎡Ω+=100K 1V O 然后差分电压通过输出放大器转变为单端电压。

单运放在应用中要求外围电路匹配精度高、增益调整不便、差动输入阻抗低。

仪表放大器结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点，且有良好的温度稳定性，低噪单端输出和和增益调整方便，适于在传感器电路中应用。

如图4所示，是OP07组成的三运放结构，实际AD623内部也是三运放结构。

图4 放大电路硬件原理图2.4 A/D 转化器的选择一个电子秤系统最重要的参数是内部分辨率、ADC 动态范围、无噪声分辨率、更新速率、系统增益和增益误差漂移。

该系统必须设计成比率工作方式，所以它与电源电压波动无关。

ICL7106和ICL7107是高性能，低功耗三位半数字A/D 转电路。

它包含七段译码器，显示驱动器，参考源和时钟系统。

ICl7107可直接驱动数码管，具有低于10µV 自动校零功能，零漂小于1µV/°C 低于10pA 的输入电流，极性转换误差小于一个字。

由于两个输入端最大承受电压为200mV 因此要实现最大值为2000mV 的显示可以用以下分压形式（本设计所采用的）如图5所示：ICl7107型A/D 转换器是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模的CMOS集成电路，它具有功耗低、输入阻抗高、噪声低，能直接驱动共阳极LED 显示器，不需另加驱动器件，使转换电路简化等特点。

由于所选用的芯片ICl7107已经具有译码功能，故在显示时只需要接上数码显示器即可用于显示。

管脚分布如下表1所示：表1 ICl7107管脚说明端名功能V+和V- 电源的正极和负极aU～gU aT～gT aH～gH 个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接至个位、十位、百位数码管的相应笔画电极abk 千位笔画驱动信号，接千位数码管的a、b两个笔画电极PM 负极性指示的输出端，接千位数码管的g段。

PM为低电位时显示负号INT 积分器输出端，接积分电容BUF 缓冲放大器的输出端，接积分电阻AZ 积分器和比较器的反相输入端，接自动调零电容IN+、IN- 模拟量输入端，分别接输入信号的正端与负端COM 模拟信号公共端，即模拟地C REF外接基准电容端V REF+、V REF- 基准电压的正端和基准电压的负端TEST 测试端。

该端经500Ω电阻接至逻辑线路的公共地。

当作“测试指示”时，把它与V+短接后，LED全部笔画点亮，显示数1888OSC1～OSC2时钟振荡器的引出端，外接阻容元件组成多谐振荡器图5 ICL7107管脚图2.5数码显示电路的选择由于A/D转化选择的ICL7107，所以显示部分直接接入四个共阳极数码管即可，简单方便，容易操作。

可以避免外接电路复杂的情况，同时也能很准确的显示出当前物体的重量。

3. 单元电路的设计与元器件选择数字电子称从原理上讲应该算是一种典型的数字电路，可以由许多中小规模集成电路组成，所以可以分成几个独立的电路。

3.1电源模块集成三端稳压芯片LM7805具有比较高的精确度，加上电容的滤波，对电路可以提供比较稳定的电压。

中电路提供+5V的电源；主要用于电桥数据采集、信号放大电路、A/D芯片（ICL7107）、数码显示。

其中+5V给ICL7107供电；-5V为ICL7107参考电压和用于调零电路。

由于要求输出的电流最大值为2000mA，而且取样电阻为1欧所以要求ICL7107输出的电压至少为2伏，通过计算-5V的电压足够实现上述要求。

电源设计如图6所示：图 6 电源原理图3.2数据采集、放大及零位调整模块3.2.1 称重传感器称重传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。

（1）灵敏度称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值，典型值是2mV/V。

当使用2mV/V灵敏度和5V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10mV。

通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。

因此满度输出电压应当大约为6mV。

（2）总误差总误差是指输出误差和额定误差的比值。

典型电子秤的总误差指标大约是0.02%，这一技术指标相当重要，它限制了使用理想信号调节电路所能达到的精确度，决定了ADC分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计。

（3）漂移称重传感器也产生与时间相关的漂移。

3.2.2 放大、零位调整电路这个电路主要是增加了由两个运算放大器(简称运放)及电阻RG和RF组成的放大电路。

通过调节RG和RF的值，就可以获得所需要的增益，配合ICL7107提供的最大增益，可以将输入信号放大到所需要的幅度。

选择运放时要注意，由于输入信号的幅度很小，因此对运放的噪声性能和失调电压要求非常高，应选择低噪声、低失调的运算放大器。

图7 数据采集、放大电路原理图3.3 A/D转换模块利用ICl7107A/D转换器组装成3.5位数字电路如图8,外围元件的作用是：（1）R2、C1为时钟振荡器的RC网络。