手提电子秤电路设计

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1、手提电子秤电路设计摘要：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

2、显示 出测量结果。关键词：电子秤 测量 显示目录1 绪论 2 系统总工作电路 .3 单元电路的具体设计3.1 测量电路错误！未定义书签。 3 4 43.2差动放大电路： 93.3 A/D 转换103.4 显示电路设计134 系统所需元件列表 :5 心得 错误！未定义书签。错误！未定义书签1819参考文献 附录1 绪论随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技 术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的 影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取 代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平 定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器

3、控 制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。电子称重技术从静态称重向动态称重发展：计量方法从模拟 测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展 特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。通过分析近年来电 子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展 趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速 率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量 的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋 向于综合性和组合性。手提电子秤工作的大致流程可归结为如下四点。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。其次，由差动放

4、大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送 A/D 转换电路中。然后再由 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 由显示电路显示数据。具体框架如下：2 系统总工作电路根据设计要求，选用电阻应变式传感器,它是以电阻应变计为 转换元件的电阻式传感器。电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元 件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电 阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它 的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电 阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电 信号的过程。由

5、此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻 应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。手提电子秤系统电路由四大部分组成：电阻应变式传感器、差动放大电路、A/D转换电路和显示电路。系统总工作框图2.1：3 单元电路的具体设计3.1 测量电路电阻应变片可直接粘贴在被测量的受力构件上，测量应力、 应变。然而要测量其他被测量（如力、压力、加速度等），就要 先将这些被测量转换成应变，然后再用应变片进行测量，比直接 测量多了一个转换过程，完成这种转换的原件弹性敏感原件。由 弹性敏感元件和应变片，以及一些附件（补偿元件，壳体等）便 组成各种电阻应变式传感器。3.1.1 电阻应变式传感器的组成以及原理：电阻应

6、变式传感器简称电阻应变计。电阻应变式称重传感器是 基于这样个中一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作 用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片（转换元件） 也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增 大或减小），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。电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成 的基底上，即成为一片应变片。它的一个重要参数是灵敏系数 K。设有一个金属电阻丝，其长度为L,横截面是半径为r的圆 形，其面积记作

7、S，其电阻率记作p，这种材料的泊松系数是u。 当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为 R：R = p L/S （Q）当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长AL,其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少 r。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有 所改变，记作p。对式求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了 多少。我们有： R = p L/S + Lp /S - Sp L/S2 用式去除式得到： R/R = p /p + L/L - S/S 另外，我们知道导线的横截面积S = n r 2，贝U s = 2n* r,所以 S/S = 2 r/r从力学知

8、识我们知道： r/r = -p L/L 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。p是表示材料 横向效应泊松系数。把式代入，有 R/R = Ap/p + AL/L + 2pAL/L=(1 + 2p ( p /p ) / ( L/L) * L/L=K * L/L其中， K = 1 + 2p + ( p /p ) / ( L/L) 式说明了电阻应变片的电阻变化率(电阻相对变化)和电 阻丝伸长率(长度相对变化)之间的关系。需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝 材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关 不同的材料的K值一般在1.73.6之间。在力学中厶L/L称作为应变，记

9、作，用它来表示弹性往往 显得太大，很不方便，常常把它的百万分之一作为单位，记作p 。这样，式常写作：R/R = Ks.3.1.2 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 0.00050.1 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 3.1.1。它由箔式电阻应变片电阻R、R、R、R组成测

10、量电桥，R、1 2 3 4 1R、R、R为特性相同的应变片，且有R1=R2=R3=R4=R，测量电桥234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，组成调零电路，当载荷为0时 调节 R 使数码显示屏显示零。其输出电压为：P1U = ( R /R- R /R- R /R+A R /R)1 41 2 4 3A R =A R =A R，A R =A R =-A R1 3 2 4则有 U = *4*A R/R=Eks143.2 差动放大电路：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

11、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，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器 LM358,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图 3.2.1： 推导过程：I二(V -V )/Ri1 i 27V = (R +R+R )I0 81 7 82=(1+匹)1R7则有A =1+=13vfR73.3 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

12、双积分式A/D转换器ICL7106, 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。3.3.1 ICL7106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. 7106 直接驱动 LED耳位十进制A/D转换器d. 双积分型电路3.3.2双积分A/D转换器结构与原理：ICL7106的性能特点：+7V+ 15V单电源供电，可选9V叠 层电池，有助于实现仪表的小型化。低功耗（约16mW），节9V 叠层电池能连续工作200 小时或间断使用半年左右。输入阻抗高（101QQ

13、）。内设时钟电路、+2.8V基准电压源、 异或门输出电路，能直接驱动3%位LCD显示器。属于双积分式A/D转换器，A/D转换准确度达0.05%，转 换速率通常选 2 次秒5 次秒。具有自动调零、自动判定极 性等功能。通过对芯片的功能检查，可迅速判定其质量好坏。外围电路简单，仅需配5只电阻、5只电容和LCD显示器， 即可构成一块DVM。其抗干扰能力强，可靠性高。ICL7106的工作原理：ICL7106内部包括模拟电路和数字电路两大部分，二者是互相联系的。一方面由控制逻辑产生控制信 号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证 A/D 转换正常 进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字

14、电路 的工作状态和显示结果。模拟电路：模拟电路由双积分式A/D转换器构成。主要包括 2.8V基准电压源（E0）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等组成。缓冲器A4专门用来提高COM端带负载 的能力，可谓设计数字多用表的电阻挡、二极管挡和hFE挡提供 便利条件。这种转换器具有转换准确度高、抗串模干扰能力强、 电路简单、成本低等优点，适合做低速模数转换。每个转换周 期分三个阶段进行：自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积 分（DE），并按照AZ-INTDEAZ的顺序进行循环。令计数 脉冲的周期为TCP，每个测量周期共需4000T。其中，正向积分CP时间固定不变，T1

15、= 1OOOT。仪表显示值CPN=二TUCP REF将 T1 = 1OOOTCP, UREF=100.0mV 代入上式得N=10UIN 或 UIN = 0.1N只要把小数点定在十位上，即可直读结果。满量程时N=2000, 此时UM = 2UREF=200mV，仪表显示超量程符号“1”。若需改装 成2V量程的数字电压表，可按表3.3.1选择元件值。名称量程UM基准电压UREFR2 / kQC4 /p FR4 / kQ备注基本表200mV+ 100.0mV240.4756f0 40kHz改装表2V+ 1.000V1.50.047560表 3.3.13.4 显示电路设计欲测量2V以上的直流电压，必须

16、利用精密电阻分压器对UIN 进行衰减。积分电阻应采用金属膜电阻，积分电容宜选绝缘性好、 介质吸收小的聚苯乙烯电容或聚丙烯电容。数字电路：数字电路主要包括8个单元：时钟振荡器；分频器；计数器；锁存器；译码器；异或门相位驱动器；控制逻辑；LCD显示器。时钟振荡器由ICL7106内部反相器Fl、F2以及外部阻容元件R、C组成。若取R=120kQ, C=100PF,则f0 = 40kHzof0经过4分频后得到计数频率fCP=lOkHz,即TCP = 0.lmso此时测量周期T=l6000T0 = 4000TCP = 0.4s，测量速率 为2.5次/秒。fO还经过800分频，得到50Hz方波电压，接LC

17、D 的背电极BPO LCD须采用交流驱动方式，当笔段电极aG与背电 极 BP 呈等电位时不显示，当二者存在一定的相位差时，液晶才显 示。因此，可将两个频率与幅度相同而相位相反的方波电压，分 别加至某个笔段引出端与 BP 端之间，利用二者电位差来驱动该笔 段显示。驱动电路采用异或门。其特点是当两个输入端的状态相 异时（一个为高电平，另一个为低电平），输出为高电平；反之 输出低电平。 7 段 LCD 驱动电路如图所示。图中，加在 a、 b、 c 笔段上的方波电压与 BP 端方波电压的相位相反，存在电位差，使 这三段显示。而d、e、f、g段消隐，故可显示数字“7”。显见, 只要在异或门输入端加控制信

18、号（即译码器输出的高、低电平）， 用以改变驱动器输出方波的相位，就能显示所需数字。用 7l06 与数码管组成的 3 位半直流数字电压表，电路图如图3.4.l 所示。ICL7106与数码显示器被设计成一个量程为200mV的电压表。把差动放大器输出的电压信号转换成数字信号。便携式电子手提秤的量程为2kg5kg，称重传感器在5kg时的输出约为200mV。-CZI 22KCREF+-CREFIN HI 1NLO COMMON EOT3431274019 IF35212026ICL71O6CJLlk3or r寸23D 1 1 1 1 1 1 1 2 rS 2 a 2 Q 2 rJrJrJrn rJHlr

19、rl 4 1)1aecdefgabcdefgabcdefga A b AiB.DP66616a A b AiB,DPa A b A iB.DPa A b AiB.DPGND图 3.4.15心得目前，电子秤正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。ICL7106采用较小的封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少， 满足了电子秤小型化的需求；其内置各种控制寄存器和数据寄存 器，并且可以通过SPI接口方便地控制和读取这些寄存器，满足 了电子秤智能化的需求。因此ICL7106是电子秤中模数转换器的 想选择。在电子技术的课程设计中，我花了大量的时间和精力进行资 料查阅和方案论证，结合自己所学，认真解决每一个功能

20、模块中 遇到的问题.有时，为了解决一个具体问题，竟到了绞尽脑汁的 地步.在设计完各个功能模块之后,我用Protel 99 SE绘图软件进行 了各个模块的绘制，并最终绘制成一个总的电路原理图，收到了 很好的效果。但由于缺乏实践经验电路中还有些功能不够完善， 参数不够精确，而且抗干扰能力也不够好。总之，在这次课程实际中，我学会了怎样把自己所学的书本 知识应用到实处。通过具体的操作，我掌握了各个功能模块的接 口设计方法，无论是在设计思想还是在动手能力上都有了很大的 提咼。从这次的课程设计中，我真正的意识到，在以后的学习中， 要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，课程设 计更是如此，只有经常的动手，理论与实际结合的过程中才能提 高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。参考文献1：常健生主编检测与转换技术机械工业出版社19972：陈尔绍编著 传感器使用装置 人民邮电出版社19993:丁镇生编著 传感器及传感器技术 电子工业出版设J i u u u n 1!T! i I a a i a i 耳 A日 cdeefcb髯日 UDErFffA.日cdhfc?Al：A3；t?1.rrA:fyftLrrAit丁ftrrAlA汨