便携式电子秤的设计

电子电路综合实验总结报告便携式电子秤的设计班级: 20110821学号: ************: *******: ***实验日期: 2013年5月成绩:信息与通信工程学院一、任务要求手提电子称具有称重精确度高，简单实，携带方便成本低，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。

本设计主要任务是设计一个LED或LCD显示的便携式电子称。

二、设计要求极其指标1、称重范围为20g~2kg;2、坚定分度值：Ⅳ级（检定分度值在一百到一千之间）；3、显示分辨力：1g;4、采用电阻应变式传感器检测物体重；5、采用模拟数字电路构建系统，完成主要电路设计，包括了传感器电路，差动放大电路，A/D转换电路以及显示电路等；6、显示电路采用LED数码管进行显示；三、方案设计与论证1、方案一首先，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，然后送入A/D 转换电路中。

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，最后由显示电路显示数据。

电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化, 再经相应的电路转化为电压差值。

我们用电阻应变式传感器E350-ZAA作为测量电路的核心。

差动放大电路将由测量电路传过来的电压差值放大，再将放大电压传送给A/D转换电路。

本模块我们采用INA114AP做为核心元件。

A/D转换电路主要采用ICL7107将模拟信号转换为数字信号并通过LED数码管显示。

方案一优缺点：优点：本设计无复杂的程序，由硬件搭建，各部分分工明确。

在进行系统调试及故障查询时可分级测试。

缺点：芯片成本较高，无拓展功能。

2、方案二：称重传感器根据压力的变化提供相应的线性变化的电信号，该电信号经过高精度差动放大器放大。

输入给双积分型模数转换器。

转化为数字信号，数字信号可直接由单片机以串行方式读入。

单片机选用STC89C51型单片机，P0口定义为输出口，其中P0.0~P0.6输出要显示数据的段码。

P1口中的P1.0~P1.3也定义为输出，显示输出数据的位码。

显示器用动态扫描。

方案二优缺点：优点：与方案1不同的是，A/D转换器后面利用单片机实现显示控制，该方案具有较好的控制性和灵活性。

比如在显示压力的同时，还可以通过单片机的其他管脚输出信号以达到的功能的扩展。

缺点：系统的组成模块相对较多，在进行系统调试时可能会出现较多问题。

单片机的编程时将会需要大量的时间，对系统的标定比较困难。

3、方案三：压力传感器实现压电转换，将压力转换为电信号。

经过高精度差动放大器放大后，输入给模数转换器，转化为数字信号，由该数字信号控制编码器的编码，从而控制数码管显示。

方案三优缺点：优点：本设计无复杂的程序，由硬件搭建，各部分分工明确。

在进行系统调试及故障查询时可分级测试。

缺点：数码管与编码器的电路比较繁杂，在实际焊接中容易因为短路或虚焊而出现问题。

4、方案四：本设计方案采用了电容传感器，利用参考电容进行测量补偿，并利用555多谐振荡器将电容变化量转换成频率的变化量。

定时器采用了ICM7556，该芯片是CMOS型定时器，具有最大负载电流小，功耗低的特点。

数据选择器采用SN74HC157，是具有公共选通输入端的四2选1数据选择器，只用其中一组数据选择。

数据选择端由单片机控制，其中单片机选用PIC16F877。

方案四优缺点：优点：本方案用电容作为敏感元件，更加灵敏，且运用定时器，数据选择器等使结果更加精确，并且有键盘开关。

缺点：使用芯片多，成本高，对编程能力及芯片的理解运用能力有很高要求。

5、4种方案设计优缺点比较及方案的选择：鉴于本实验仅要求实现一个普通功能的电子秤，没对其有更高的要求，所以方案二和方案四并不是十分合适，它们的制作流程过于复杂，难以调试，且成本较高。

所以这里并不采用方案二和方案四。

对于方案三，它的电路连接与方案一相比较为复杂。

且功能模块也较多，没有方案一易于调试。

成本也相对较高。

这里也不采用。

由上表可知选取方案一最为合适，其制作流程相对简单，并可完成实验所要求指标，但其他方案可适用于其他领域的实验要求。

综上，本次实验选择了设计方案一为最终的设计方案。

四、单元电路设计与分析1、电阻应变式传感器电路电阻应变式传感器可将被测物理量的变化转换成电阻值的变化 , 再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。

在这里，我们用电阻应变式传感器作为测量电路的核心。

并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度。

1)电阻应变式传感器的组成以及原理：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上时，则敏感元件将随构件一起变形，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2）电阻应变式传感器的测量电路：图5 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0.0005—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，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5所示。

它由箔式电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，测量电桥的电源由稳压电源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，组成零调整电路，当载荷为0时，调节RP1使数码显示屏显示零。

这里若考虑系统高稳定性，可选用E350－ZAA的2kg称重传感器。

E350－ZAA表示图形如下：图6 E350－ZAA实物图型由图可知上下各贴一个电阻应变片，组成半桥测量电路，记两个电阻应变片分别是R1、R4设计时要求：R1=R2=R3=R4=R; R5=R6;ΔR1=ΔR4=ΔR传感器输出的电压为：U=14E(ΔR1R1+ΔR4R4)=E∗ΔR2R2、差动放大电路：本次设计中，要求用一个放大电路，即差动放大电路，主要的元件就是差动放大器。

在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传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，我们这里使用一种用途非常广泛的放大器，就是典型的差动放大器INA114AP。

它只需高精度和几只电阻器，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。

本设计中差动放大电路结构图如下：图7 差动放大电路结构图放大倍数的推导过程：I=V i1−V i2R7V O=(R8+R7+R6)=(1+2R8R7)V iAvf=1+2R8 R7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，在这里使用一种用途非常广泛的放大器，就是典型的差动放大器INA114AP。

它只需高精度和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。

其原理图如下：图8 放大器INA114AP原理图3、A/D转换及显示电路：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，该设计运用的是双积分式A/D 转换器ICL7107，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。

1）ICL7107双积分型的A/D转换器的特点：①ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMOS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05±1个字。

②能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用±5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN 。

③在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF 。

④能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。

⑤输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。

⑥整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。

⑦噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。

⑧芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。

⑨不设有一专门的小数点驱动信号。

使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+.⑩可以方便的进行功能检查。

2）ICL7107引脚功能①V+和V-分别为电源的正极和负极。

②A1-G1,A2-G2,A3-G3：分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。

③AB4：千位笔画驱动信号。

接千位LEO显示器的相应的笔画电极。

④POL：液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。

⑤Oscl-OSc3 ：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。

第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：f osl=0.45/RC⑥COM ：模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

⑦TEST ：测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。

当其接高电平时数码管全亮。

⑧VREF＋VREF- ：基准电压正负端。

⑨CREF：外接基准电容端。

⑩INT：27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件⑪IN＋和IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。

⑫AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz 。

BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。

3）ICL7107的工作原理双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。

它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。

它的原理性框图如图2所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。

积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。

比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。