简易电子称设计及制作

大庆师范学院

传感技术课程设计报告

设计课题: 简易电子称的设计及制作

姓名:

学院: 物电学院

专业: 自动化

班级: 08级

学号:

日期2011年3月7日—2011年5月7日指导教师:

目录

1.设计的任务与要求 (2)

1.1 设计基本概述 (2)

1.2 设计要求 (2)

2.方案论证与选择 (2)

2.1 电子称的系统方案与比较 (2)

2.2 传感器的选择 (3)

2.3 放大电路的选择 (4)

2.4 转化器的选择 (4)

2.5 数码显示电路的选择 (6)

3.单元电路的设计和元器件的选择 (6)

3.1 电源模块 (6)

3.2 数据采集、放大及零位调整模块 (6)

3.3 A/D转换模块 (7)

3.4 数码显示电路 (8)

4.系统电路总图及原理 (8)

5.总结 (8)

5.1 课题总结 (8)

5.2 经验体会 (9)

参考文献 (9)

附录A：元器件清单 (10)

简易电子称的设计及制作

1. 设计的任务与要求

用学过的传感器设计并制作一个能测量重量的装置，并能测量不大于1KG的物体，误差小于±1%。

1.1 设计基本概述

本设计分四个模块：电源模块、数据采集及放大模块、模数（A/D）转换模块、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，经过仪表放大器AD623组成的放大电路放大后送入A/D转换芯片ICL7107，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。外部电路非常简单，方便制作。

1.2 设计要求

（1）画出电路原理图（或仿真电路图）；

（2）元器件及参数选择；

（3）编写设计报告并写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

2. 方案论证与选择

2.1 电子称的系统方案与比较

方案一：通过秤重电桥产生电压信号，再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。但要单片机需要编写程序进行数据处理而且外围电路比方案一复杂。故我们不采用。其电路方框图如图1：

图1 数字电子钟方案二框图

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ICL7107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

2：

对A/D转换进行控制，其电路方框图如图

2.2.1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：电阻丝温度系数引起的，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。

单臂电桥测量电路中，将一个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uout＝KEε/4。

2.2.2电阻应变式传感器的测量电路

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+6V，另一个对角线为输出电压-6V。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。

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。桥式电路图如下：

图3 桥式测量电路图

它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右，测量电桥的电源由稳压电源Uin供给。将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位R5，使数显表显示0.00V，就可以称重，成为一台原始的电子秤。

传感器输出电压为毫伏级，而A/D 转换器所能处理的电压是0～5V ，所以必须在A/D 转换器前加入一个前置差动放大电路以实现电压的放大，放大倍数为100～200倍，使输出电压为0～5V 。

选用AD623单电源仪表放大器它能在单电源(+3v ～+12v)下提供满电源幅度的输出，但当它工作于双电源(±2.5～±6v)时,仍能提供优良的性能。输入信号加到作为电压缓冲器的PNP 晶体管上,并且提供一个共模信号到输入放大器,每个放大器接入一个精确的50k 的反馈电阻,以保证增益可编程。差分输出为:

C G V R ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡Ω+=100K 1V O 然后差分电压通过输出放大器转变为单端电压。

单运放在应用中要求外围电路匹配精度高、增益调整不便、差动输入阻抗低。

仪表放大器结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点，且有良好的温度稳定性，低噪单端输出和和增益调整方便，适于在传感器电路中应用。

如图4所示，是OP07组成的三运放结构，实际AD623内部也是三运放结构。

图4 放大电路硬件原理图

2.4 A/D 转化器的选择

一个电子秤系统最重要的参数是内部分辨率、ADC 动态范围、无噪声分辨率、更新速率、系统增益和增益误差漂移。该系统必须设计成比率工作方式，所以它与电源电压波动无关。

ICL7106和ICL7107是高性能，低功耗三位半数字A/D 转电路。它包含七段译码器，显示驱动器，参考源和时钟系统。ICl7107可直接驱动数码管，具有低于10µV 自动校零功能，零漂小于1µV/°C 低于10pA 的输入电流，极性转换误差小于一个字。由于两个输入端最大承受电压为200mV 因此要实现最大值为2000mV 的显示可以用以下分压形式（本设计所采用的）如图5所示：ICl7107型A/D 转换器是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上