数字电子称

数字电子称的设计

摘要:

本设计分五个模块：电源模块、数据采集及放大模块、模数（A / D）转换模块、自动换档模块、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，经过放大电路放大后送入A/D转换芯片CC7107，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。同时根据输出，自动判断出所加压力的大小来改变量程，实现自动换挡。外部电路非常简单，方便制作。

智凡单片机：

关键字：模数（A / D）转换秤重电桥压敏电阻自动换档

引言：

在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。大多数电子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率输出最终的称重值，使用12 bit~14 bit的模数转换器很容易满足要求。设计中主要考虑峰峰值（PP）噪声分辨率、ADC的动态范围、增益漂移和滤波。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。

一方案设计与论证

1.1 总体设计方案与比较:方案一：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CC7107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。缺点是无法对A/D转换进行控制。

图1.1 方案一方框图

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。但要求是用我们所学的数字电路知识，运用简单数字芯片进行设计，单片机需要编写程序进行数据处理。故我们不采用。其电路方框图如图1.2所示

图1.2 方案二方框图

二模块电路设计及比较

系统硬件以CC7107为核心，包括电源模块、数据采集及放大模块、A/D转换模块、自动换档模块、数码管显示模块。

2．1 电源模块

本设计只用到电源一种：即+5V.

2.1.1 电源原理

稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2.1

图2.1 电源方框及波形图

A、整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。

B、稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电压和温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。

2.1.2 电源电路图

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。图2.2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（CC7107）、数码显示。

其中+5 V给CC7107供电；-5V为CC7107参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CC7107输出的电压至少为2伏，通过计算-5伏的电压足够实现上述要求。

图2.2电源原理图

2．2 数据采集、放大及零位调整模块

2.2.1 称重传感器

最普遍的电子秤应用桥式称重传感器实现，称重传感器的输出电压直接与放在其上的重量成比例。图1示出了典型的称重电桥－一个具有至少两个可变桥臂的4电阻结构的电桥，所称重量引起的电阻变化可产生一个叠加在2.5 V（电源电压的一半）共模电压之上的差分电压。典型的电桥通常使用300 的电阻器。

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2 mV/V灵敏度和5 V激励电压的传感器时，其满度输出电压为10 mV。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6 mV。当电子秤应用于工业环境时，在6 mV满度范围内测量微小的信号变化并非易事。

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。图2示出24小时范围内测量的实际称重传感器漂移特性。测量结果表明（使用24 bit ADC测量的bit变化数量）具有125 LSB或大约7.5 ppm的总体漂移。

2.2.2 放大、零位调整电路

目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)

构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D转换。

一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。

设电桥的两个输出端在没有连接处理电路时的电压分别为 e1 和 e2。由于运算放大器输入端的“虚短”效应,在反馈电路的作用下,反相输入端的电压将逼近于同相输入端的电压 e1 ,使电桥平衡。

/ ( R +ΔR) (R -ΔR) ] =11000 004(额定负荷下此比值最大,小于额定负荷时此比值更接近于1) ,因为电阻应变式称重传感器的分辨率一般只有1/ 3 000 或 1/ 6 000,所以用 r2 代替( R +ΔR) (R -ΔR)产生的放大误差将不影响检测结果和精度。于是

对于最普遍采用的灵敏度为2 mV/V 的应变式称重传感器,在额定负荷下 r2

(e1 - e2) 。

由于A/D转换器CS5513的输入端为差分输入,所以其输入差模电压