测控电路课程设计之电子称设计

测控电路课程设计之电子秤的设计

一、设计任务

1、题目：电子秤的设计

1．确定结构

电子秤由传感器、传感器专用电源、信号放大系统、模数转换系统及显示器等五部分组成，其原理框图如指导书图4所示。

2．设计技术指标如下：

1）量程为0～1.999Kg ，

2）传感器可采用悬臂梁式的称重传感器（悬臂梁上贴有应变片）。

3） 显示电路采用2

13为A/D 转换电路、共阴级数码管。 2、设计任务

1）选择传感器

2）设计传感器测量电路：通常用电桥测量电路。

3）放大电路设计

由于传感器测量范围是0～2Kg ，假定选择的某款传感器的灵敏度为1mV/V 、工作电压为10V ，那么其输出信号只有0-10mV 左右；而A/D 转换的输入应为0-1.999Kg ，当量为1mV/g ，因此要求放大倍数约为200倍，一般采用两级放大器。另外，在电路设计过程，应考虑电路抗干扰环节、稳定性。选择低失调电压、低漂移、高稳定、经济性的芯片。最后，电路中还应有调零和调增益的环节，才能保证电子秤没有称重时显示零读数，称重时读数正确反映被秤重量。

4）模数转换及显示系统

A/D 转换器可选择MC14433，也可另选。

4）供电电源：设计一个可满足本设计需求的电源。

二、设计方案

1、电子秤的主要组成

电子秤由传感器、传感器专用电源、信号放大系统、模数转换系统及显示器等五部分组成，其原理框图如图4所示。

图4电子秤组成框图

传感器将被测物体的重量转换成电压信号输出，放大系统把来自传感器的微弱信号放大，放大后的信号经过模数转换把模拟数字量，数字量通过数字显示器显示重量。

2、方案的选用

方案一：采用应变式电阻称重传感器，将被测物体的重量转换成电压信号输出，然后采用AD620差动电路放大器把来自传感器的微弱信号放大，然后将放大后的信号经过MC14433模数转换器转换成数字量，最后经过动态扫描将数字量通过数码管显示出来，显示出来的数字就是被测物体的重量。

方案二：设计以51系列单片机AT89S52为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步的设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为最小系统、数据采集、人机交互界面和系统电源四大部分。最小系统部分主要包括AT89S52和扩展的外部数据存储器；数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成，包括运算放大器AD620和A/D转换器ICL7135；软件部分应用单片机C语言进行编程，实现了该设计的全部控制功能。

通过对两种方案的对比，考虑到电子秤的称重精确度、简单实用性、测量准确性和分辨率，以及方案的可行性和操作性等各方面，我们选取方案一进行电子称的设计。

三、分模块设计：传感器工作原理，放大电路，转换模块，显示模块系统电源

1、电子秤的工作原理

电子秤主要是由电桥电路及电阻应变式传感器组成，在现代测量技术中常常需要将非电量利用传感器转变成电量后再进行测量。电阻应变式传感器是一种利

用金属电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。

1）应变式电阻传感器原理

测量力时，可将电阻应变片粘贴在承受被测力的弹性元件上。当力作用在弹性元件上时，它将产生应变，通过粘贴胶将此应变传递给电阻应变片，使应变片的电阻产生变化，此现象称为电阻应变效应。因为弹性元件的应变与所承受的力的大小成比例，所以应用桥式测量电路测出电阻应变片的电阻变化值即可测出力的大小。

导体的电阻值可以用下式计算

ρS

l R = 当此应变片两端受拉或受压以后，它将发生变化，对上式进行微分，得

ρ

ρ?+?-?=?S S l l R R 最后通过简化得到

εK R

R =? 其中称K 为应变片的灵敏系数，对于一定材料，它是常数。l

l ?=ε称为应变。 通过上式可看出，电阻变化与应变片的应变是成比例的。通过测量电阻的变化，就可测出应变，也就可以测出受力了。为了显示与记录应变的大小，还要把电阻的变化再转化为电压或电流的变化，因此，需要有专用的测量电路，通常采用直流电桥和交流电桥。

2)非平衡电桥的工作原理

在测量中常常会因为待测信号很小，所以用一般的测量仪表较难直接测量，因此常把它转换成电压变化后再用电测仪器进行测定，这正是利用电桥电路来进行这种变换的。

非平衡电桥是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行测量的，常用来测量动态对象。为了消除非线性误差，在实际中常采用差动电桥。本次设计我们采用差动半桥式测量电路，电路图如图3

在图3中有两个应变片，一个受拉，一个受压，它们的阻值变化大小相等，符号相反。工作时将两个应变片接在电桥相邻臂内，这种结构为半桥差动电路，

当对称时，即21R R =，43R R =且21R R ?=?，可导出半桥差动电路的输出电压为

1

1021R R U U ?=半 这样当载荷W 作用时，产生了

02R U U K U R

ε?==÷半 其中应变AW =ε，A 为常数。若保持U 不变，令C=KAU ，

CW U 210=半。这样，通过测量输出电压0U ，就可测出载荷W 。

2、 放大电路的设计：

由于传感器测量范围是0～2Kg ，灵敏度为1mV/V,其输出信号只有0-10mV 左右；而A/D 转换的输入应为0-1.999Kg ，当量为1mV/g ，因此要求放大倍数约为200倍，一般采用两级放大器。

14.49+Ω=Rg K G 1）差动放大电路

我采用双放大模式，即前后分别对信号进行放大，才能满足A/D 转换器对输入信号电平的要求。我选用LM324四运放，连接组成两级差动放大电路，初级放大电路如图3

推导过程：I=7

21R V V i i - V o=(R 8+R 7+R 8)I =(1+782R R )Vi ， 则Avf=1+7

82R R 考虑到旋钮旋转的角度有限，若采用单级差动放大，在放大倍数足够的条件下，调节旋钮的精度就会降低，调零的时候难以数显为零，给测量带来不必要的麻烦，同时，为保证经放大的信号足够大，采用又一级放大电路，来提高整个系统的增益，这样既满足了放大倍数的要求，也使得旋钮角度增加，调零更加容易，也可以是R8足够大，第一级放大满足倍数的要求，第二级只用来满足调零的需要，即让一级差动放大调节在实验室温度下，第二级的滑动变阻器可以适当缩小，这样会使调零更加准确。

2）AD620放大器。

AD620 是一种低耗高精度仪表放大器。仅需一个外接电阻即可得到1～1000范围内的任意增益；±2.3V ～±18V 的电源电压；

低功耗，最大电源电流1.3mA ，最大输入失调电压125uV ，最大温度漂移1uV/℃，最大输入偏移电流20nA ；最小共模抑制比93dB （增益=10）；输入电压噪声9nV （1KHz ）；0.28uV 噪声 （0.1Hz ～10Hz ）；带宽120KHz （增益=100）；建立时间15us （0.01%）。AD620的增益是用电阻Rg 来决定的，即用引脚1和8之间的阻抗来决定的。使用0.1%～1%的电阻，AD620就能提供精确的增益。对G （增益）=1，Rg 引脚不连接（即Rg 为无穷大）。其他的任何增益可按：

（3.1）

计算。

3、模数转换及显示系统

传感器的输出信号放大后，通过模数转换器把模拟量转换为数字量，该数字量由显示器显示。选择MC14433. A/D转换器和数码管显示器。

4、系统电源

在系统的各个功能模块设计完成之后，为了满足系统的工作要求，系统电源需满足以下几种：+12V、-12V、 +5V、-5V、+1V。其中+12V、-12V为运算放大器AD620的工作电压；+5V、-5V为A/D转换器MC14433的工作电压，+1V为其工作时的基准电压；其他各个芯片的工作电压VCC均为+5V。

设计电路时，选用LM317和LM337型号的芯片为核心来设计电源电路。由LM317和LM337提供系统所需的直流稳压电源。LM317特性简介以及典型应用电路如下：

特性：可调整输出电压低到 1.25V；保证 1.5A 输出电流；典型线性调整率0.01%；典型负载调整率 0.1%；80dB 纹波抑制比；输出短路保护；过流、过热保护；调整管安全工作区保护。

典型应用电路参考如下：

图3.13 LM317典型应用电路

最大输出电流为2.2A，输出电压范围为1.25～37V；1、2脚之间为1.25V 基准电压；为保证稳压器的输出性能，R1应小于240欧姆；改变R2阻值即可调整稳压电压值；二极管D1、D2用于保护LM317。LM337基本特性功能和用法类似于LM317。

四、实验总结

通过各方面的测试，我们组的电子称实物能够很好地实现要求的功能。通过对数据采集的分析，我们对各种传感器、放大器及A/D转换器，以及信号的转

换、传输有了更深的认识。但是本次设计中我们还有如下问题没有更好的处理：

1、电子电路的设计中对各种影响因素的考虑不够完全，比如在对过电压情况的处理中未作防范措施。

2、系统设计不够优化，有待改善。比如没有对系统的超量程和欠量程信号设计报警电路。

3、对各种实用芯片价格了解不够，选择上任有欠缺，如所选的称重传感器价格较贵。

五、感想

在这次课程设计中，我对传感器设计基础知识有了更深入的了解，而且更重要的是又学到了很多新的知识，获得了新的经验。我从中学会了如何去做设计，深刻了解到团队精神的重要性，在这次的课程设计当中，在一些材料的选用，与其它同学进行了交流，提高了自己的工作效率。

在如此短的时间。依靠个人能力是不可能完成如此繁琐的资料查找与收集的。所以，通过这次课程设计，加强了同学之间的交流，大大增进了我们班的凝聚力，协作的精神更强了。而且自己也学到了很多实际的有用的东西，相信对以后的工作一定会大有益处。

通过这次课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在传感器的基本原理、传感器的实际应用，以及在常用传感器设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。我在指导老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，并对当前电了领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，这对我今后进一步学习传感器方面的知识有极大的帮助。

参考文献

[1] 宋文续，扬帆.传感器与检测技术.北京：高等教育出版社，2005.4

[2] 常健生.检测与转换技术.北京：机械工业出版社，2004.6

[3] 凌志浩.智能仪表原理与设计技术.上海：华东理工大学出版社，2003.8

[11] 阎石.数字电子技术基础.第四版.北京：高等教育出版社，1997.12