自动检测数字电子称课程设计报告(DOC)

《自动检测技术课程设计报告》
目录
摘要 (2)
一、设计任务 (3)
1. 设计要求 (3)
二、设计思路及原理框图 (3)
2.1.设计思路 (3)
2.2设计方案 (3)
2.3基本工作原理框图 (4)
三、系统方案 (4)
3.1 传感器的选择 (4)
3.1.1 电阻应变式传感器的组成以及原理 (4)
3.1.2电阻应变式传感器的测量电路 (5)
3.1.3三运放大电路 (6)
3.2 ICL7107介绍 (7)
3.2.1ICL7107工作原理： (7)
3.2.2 ICL7107双积分模数转换器引脚功能、外围元件参数的选择 (8)
3.2.3 ICL7107 A/D转换及译码电路 (10)
3.2.4显示电路设计 (10)
四、调试结果及分析 (11)
4.1仿真测试 (11)
4.2测试数据 (12)
五、设计总结 (13)
参考文献 (14)
摘要
本设计电子秤以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。

本设计采用电阻应变式传感器是传感器中应用最多的全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。

放大后的模拟电压信号经过A/D转换电路变成数字量A/D转换电路采用A/D转换芯片ICL7107实现。

然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由四块分立的七段LED显示电路进行显示。

将设计好的电路利用Altium Designer软件进行电路图绘制，并用proteous进行仿真，具有一定的精度，从而证明了该电子称计方案可行。

关键词：
电子称电阻应变片全桥 ICL7107
一、设计任务
1. 设计要求
1.1制作一个具有数字显示功能的数字电子称；
1.2调试数字电子称的各个单元电路及系统电路；
1.3掌握数字电路的设计、组装与调试方法；
1.4测量范围0-0.99kg（0-0.99V）1-1.99kg（1-1.99V）。

1.5直流电源输出的微弱信号，经放大后，由数模转换成数字量后，由数
字显示电路显示。

二、设计思路及原理框图
2.1.设计思路
1）用电子称称重的过程是把被测物体的重量通过传感器转换成电压信号。

由于这一信号通常都非常小，需要进行放大，放大后的模拟信号经模/数变换转变成数字量，再通过译码显示器显示出重量。

由于被测物体的重量相差很大，根据不同的测量范围要求，可由电路自由切换量程，同时，显示器的小数点数位对应不同量程而变化，即可实现电子称的要求。

2）称重的准确程度首先取决于传感器输出的信号，电子称的传感器通常使用电桥，它将应变电阻转变成电压信号或电流信号。

2.2设计方案
通过传感器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即可。

而量程切换通过修改放大系统的增益
实现。

2.3基本工作原理框图
三、系统方案
3.1 传感器的选择
3.1.1 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：
A.电阻丝温度系数引起的。

B.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。

图2-应变式传感器安装示意图
3.1.2电阻应变式传感器的测量电路
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。

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全桥式测量电路。

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U，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，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。

图3-全桥测量电桥图
它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R
1＝R
2
＝R
3
＝R
4
＝350
Ω，加热丝阻值为50Ω左右，测量电桥的电源由稳压电源U
in
供给。

电路中，将
受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R
1＝R
2
＝R
3
＝R
4
，其
变化值ΔR
1＝ΔR
2
＝ΔR
3
＝ΔR
4
时，其桥路输出电压U
out
＝KEε。

其输出灵敏度比
半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。

将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V(2V档测量)或－0.200V。

拿去托盘上的所有砝码，调节电位器R W4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。

重复标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。

成为一台原始的电子秤。

3.1.3三运放大电路
本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。

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。

图4-三运放大电路结构图
3.2 ICL7107介绍
3.2.1ICL7107工作原理：
双积分模数转换电路的原理比较简单，当输入电压为Vx 时，在一定时间T1内对电量为零的电容器C 进行恒流（电流大小与待测电压Vx 成正比）充电，这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加，当充电时间T1到后，电容器上积累的电量Q 与被测电压Vx 成正比；然后让电容器恒流放电（电流大小与参考电压Vref 成正比），这样电容器两极之间的电量将线性减小，直到T2时刻减小为零。

所以，可以得出T2也与Vx 成正比。

如果用计数器在T2开始时刻对时钟脉冲进行计数，结束时刻停止计数，得到计数值N2，则N2与Vx 成正比。

Qo=dt R Vx T *1
⎰=1T R Vx (1) Vo=-
C Qo =-1T RC
Vx (2) Vo+C 1dt R Vref T *20
⎰=0 （3） 把（2）式代入上式，得： T2=Vref
T 1Vx (4) 从（4）式可以看出，由于T1和Vref 均为常数，所以T2与Vx 成正比。

若时钟最小脉冲单元为CP T ,则CP T N T *=11，CP T N T *=22，代入（4），
即有： N2= Vx (5)
可以得出测量的计数值N2与被测电压Vx 成正比。

对于ICL7107，信号积分阶段时间固定为1000个CP T ,即N1的值为1000不变。

而N2的计数随Vx 的不同范围为0～1999，同时自动校零的计数范围为2999～1000，也就是测量周期总保持4000个CP T 不变。

即满量程时N2max=2000=2*N1,所以Vxmax=2Vref ，这样若取参考电压为100mV ，则最大输入电压为200mV ；若参考电压为1V ，则最大输入电压为2V 。

3.2.2 ICL7107双积分模数转换器引脚功能、外围元件参数的选择
图5-ICL7107管脚图
Vref N 1
图6-ICL7107和外围器件连接图
ICL7107芯片的引脚图如图3所示，它与外围器件的连接图如图所示。

图中它和数码管相连的脚以及电源脚是固定的，所以不加详述。

芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端；第36脚Vr+和35脚Vr-为参考电压正负输入端；第31脚IN+和30脚IN-为测量电压正负输入端； Cint和Rint分别为积分电容和积分电阻，Caz为自动调零电容，它们与芯片的27、28和29相连，用示波器接在第27脚可以观测到前面所述的电容充放电过程，该脚对应实验仪上示波器接口Vint；电阻R1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口CLK，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间（因为测量周期总保持4000个Tcp不变）以及测量的精度。

下面是这些参数的具体作用：
Rint为积分电阻，它是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来定义的，对于ICL7107，充电电流的常规值为Iint=4uA，则Rint=满量程/4uA。

所以在满量程为200mV，即参考电压Vref=0.1V时，Rint=50K,实际选择47K电阻；在满量程为2V，即参考电压Vref=1V时，Rint=500K,实际选择470K电阻。

Cint=T1*Iint/Vint,一般为了减小测量时工频50HZ干扰，T1时间通常选为0.1S ，具体下面再分析，这样又由于积分电压的最大值Vint=2V，所以：Cint=0.2uF,实际应用中选取0.22uF。

对于ICL7107，38脚输入的振荡频率为：f0=1/(2.2*R1*C1)，而模数转换的计数脉冲频率是f0的4倍，即Tcp=1/(4*f0)，所以测量周期T=4000*Tcp=1000/f0，积分时间（采样时间）T1=1000*Tcp=250/fo。

所以fo的大小直接影响转换时间的快慢。

频率过快或过慢都会影响测量精度和线性度，同学们可以在实验过程中通过改变R1的值同时观察芯片第40脚的波形和数码管上显示的值来分析。

一般情况下，为了提高在测量过程中抗50HZ工频干扰的能力，应使A/D转换的积分时间选择为50HZ工频周期的整数倍，即T1=n*20ms,考虑到线性度和测试效果，我们取T1=0.1ms(n=5)，这样T=0.4S，f0=40kHZ，A/D转换速度为2.5次/秒。

由T1=0.1=250/f0，若取C1=100pF，则R1≈112.5KΩ。

实验中为了更好的理解时
钟频率对A/D转换的影响，我们让R1可以调节，该调节电位器就是实验仪中的电位器RWC。

3.2.3 ICL7107 A/D转换及译码电路
所示，其中R1=4.7 KΩ，R3=4.7 KΩ；C1=100mF，C2=C3=C4=100nF；B1=1V。

如前面所讲述的一样，R3为积分电阻，C2为积分电容，C3为自动调零电容，C4与R1构成振荡回路，提供时脉冲振荡源。

B1提供参考电压1V，使得最大输入电压为2V输入电压由31管脚接入，30管脚接地2——25管脚中，21接地，20管脚接4个七段显示器的阴阳极端，从而控制显示器的工作，其他管脚如图所示接显示器的输入端从左至右依次是高位到低位的显示。

图7-ICL7107 A/D转换及译码电路
3.2.4显示电路设计
如图所示为由A/D转换器CC7106组成的数字电压表，电源电压为9V。

测量范围为：0-1.999kg; 0-19.99kg; 0-199.9kg; 0-1999kg共四档。

输入阻抗实际上为电阻分压器的总组织，即R1=R5+R6+R7+R8+R9=10MΩ。

各挡量程由开关S1控制，
衰减后的电压Vx 为电压表输入的基本电压，并送到CC7106的IN +、IN- 端。

如开关S1动端对地电阻为RX 时，则Vx =V1RX /R1。

V1为V 1+ 和V1- 端输入的被测电压。

图中，R1、C1为主振荡器的定时元件。

R2和RP为基准电压VREF 的分压电路，用以调节VREF 的大小。

FU为熔断丝、R3为限流电阻，它和C3组成输入滤波电路，用以提高电路的抗干扰能力和过载能力。

R4、C5为积分电阻和积分电容，它和内部运算放大器构成积分器。

C4为自动调零电容，C2为基准电容。

R10、R11、R12、三个异或门和开关S2用以控制小数点。

四、调试结果及分析
4.1仿真测试
图8-前端放大电路仿真图
下面的仿真图就是TC7107与硬件的连接，只不过为了简便起见，用一个滑动变阻器代替压力传感器，用一个运算放大器代替三运放。

从图上可以看出我们用了五个数码管，其中上边的那个是作为比较，如果输入没超过量程，数码管闲事1，超出量程，数码管显示为0。

本次仿真结果的量程为0.000-1.999，不过由于存在误差，数码管最小显示为0.002。

图9-系统测试仿真图4.2测试数据
经过反复测试，得出结论，在误差允许范围内，本设计能比较准确的反映出质量与电压的线性关系，基本满足电子称的设计要求。

五、设计总结
随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。

智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。

而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。

传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次课设中的半桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的。

因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。

首先是传感器的精密度，它将直接影响电子秤的称重准确度。

课设时由于传感器发出的信号不是很稳定，所以称重时误差很大。

如果使用精密度较高的传感器，效果会好的多。

其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，然后进行A/D转换。

该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。

最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。

还有就是进行数据处理时，选取适当的数据转换系数，使输
出满足量程要求。

参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础. 北京: 高等教育出版社，2012
[2]徐科军.传感器与检测技术。

北京:电子工业出版社。

2014
[4]黄继昌等.实用单元电路及其应用[M]. 北京: 机械工业出版社,2008.
[5]童诗白,华成英模拟电子技术基础.4版.北京高等教育出社,2012。