测控电路设计实践

《测控电路设计实践》报告
题目人体电子秤设计
院系仪器科学与光电工程学院
专业测控技术与仪器
班级测控1303
学生姓名2013010472杨通香2013010460郭健宁指导老师郑青玉、那云虓、李东、王小飞
实验时间2016 6 26---2016 7 8
目录
一、课程设计目的及意义 (3)
二、系统设计的主要任务 (3)
三、总体设计方案 (4)
四、电路设计及调试 (5)
4.1称重传感器电路 (5)
4.2放大电路 (6)
4.3比较电路 (8)
4.4报警系统 (10)
五、实验数据分析与处理 (12)
六、电路设计过程中的问题及调试 (14)
七、电路系统实物验证 (15)
八、总结 (16)
一、课程设计目的及意义
测控电路课程设计是测控电路课程体系的一个重要组成环节，独立实践教学环节是对《测控电路》理论部分的必要补充。

课程设计内容为典型测控系统电路设计，通过课程设计，使学生完成测控系统任务分析、电路总体设计、单元电路设计以及电路调试等各个环节。

掌握有关传感器接口电路、信号处理电路、放大电路、运算电路、显示电路以及执行部件驱动电路等内容在测控系统中的使用方法。

了解有关电子器件和集成电路的工作原理。

在课程设计中，做到理论联系实际，加深对理论知识的进一步理解，提高分析问题和解决问题的能力。

本课程设计以AD620、LM741、与门电路为核心，进行智能人体电子秤的设计,并详述该系统硬件的设计方法。

该系统集称重、显示、报警于一体,功能齐全,实用性强，充分利用了电路分析、模拟电路、测控电路、信号分析与处理、传感器等课堂上学到的知识，有机的将所学到的知识融合在一起，投入到实际运用中，便于对知识的综合掌握及运用。

二、系统设计的主要任务
任务：设计一个人体电子秤测量系统。

要求：
1）基本要求
最大称重：150KG
用3位半数字显示表头显示体重，输入电压范围0-2V,
当体重大于W1时，点亮LED1，发出声音提示；
当体重小于W2时，点亮LED2，发出声音提示。

2）提高部分
提高线性度
可以设置W1和W2;
语音提示；
自由发挥
三、总体方案设计
本系统主要由称重传感器模块、滤波放大电路模块、调零模块、报警电路模块、LCD显示模块等部分组成。

人体的体重信息由称重传感器转换成电信号,并通过测量电路进行滤波放大,通过显示电路进行显示,如体重超出设定范围系统还会报警。

图1：系统结构框图
四、电路设计及调试
4.1称重传感器电路
称重传感器是影响电子秤测量精度的关键部件。

选用适当传感器,用来感知被测量,当物体放在秤盘上时,压力传给传感器,该传感器发生形变,从而使阻抗发生变化,电桥失去平衡,传感器输出一个变化的模拟信号。

图2：称重传感器电路
放大电路采用四个半桥式传感
器构成全桥。

当压力传感器受到
外力，RV4与RV5拉伸，电阻变
大，RV2与RV3压缩，电阻变小，
故产生输出电势差，并输入芯片
AD620中，通过其进行放大。

4.2放大电路
AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000。

此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且
功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用。

增益方程式为：
G =48.9 kΩ/R G + 1
G是放大倍数，RG是连接在1管脚和8管脚的可调电阻。

AD620主要技术指标:
带宽: 800MHz输出功率: 2. 4mW
功率增益:120dB工作电压: 正负3V-正负15V
静态功耗: 0. 48mW输入失调电压: 小于等于60uV
转换速率: 1. 2V/LS 封装形式:DIP8
工作温度范围: -55到+125摄氏度
图3：AD620引脚配置框图
电路连接：
AD620的2、3引脚接压力传感器的信号输入，7引脚接7.3V 的高电平，4引脚接-5V 的低电平。

5引脚为调零端口，电路连接为调节RV9可以输出一个调零电压。

达到初始化调零的作用。

4.3比较电路
利用三个741芯片组成的比较电路。

利用3管脚上的滑动变阻器，改变其阻值，使3管脚的标准电压改变。

当2管脚的输入电压大于3管脚的标准电压，741输出低电平，三极管无法导通，LED 灯与蜂鸣器不工作。

反之，当2管脚输入电压小于3管脚的标准电压，741输出高电平，三极管导通，LED 灯与蜂鸣器工作。

（一）最大测量上限比较电路：
图4：620放大调零电路
图5：调零电路
电路连接原理说明：
用741设计的比较器电路，741的7引脚接+5V ，4引脚接-5V 电势，3引脚接AD620
的6引脚输出。

7242引脚接标准电压调节电路：
调节RV7=1.2/10k Ω，741的2引脚输出为0.8V 。

根据比较器的原理，当AD620的6引脚的输出电压大于0.8V 时，741的6引脚输出高电平，导通NPN 三极管，点亮LED1灯，蜂鸣器响起。

达到上限报警功能。

超过80KG 是报警。

（二）最小测量下限电路：
图6：上限电压比较电路
图7：设置上限标准电压电路
图8：最小测量下限电路
图9：下限电压比较电路（1）
使用芯片74LS08与门电路，将两个参考下限电压与起来，所以在两个下限电压之间才会输出高电平。

当Vo 小于0.1时电路输出低电平，不报警，即电子秤上不站人。

当输出电压在0.1到0.152之间时，输出为高电平，报警，此时表明电子秤人的重量大于10Kg 小于15Kg 。

当电压值在0.152到0.8之间时，电路输出为低电平，不报警，可正常测量体重。

当电压值大于0.8时，电路输出为高电平，报警，表示超重。

4.5报警系统
元器件：蜂鸣器、LED 灯
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

发光二极管简称为LED 。

由含镓（Ga ）、砷（As ）、磷（P ）、氮（N ）、硅（Si ）等的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。

在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

当达到报警需要的条件时，比较器相应输出口输出高电平，使二极管导通，然后使得蜂鸣器和LED 灯工作。

图10：与门电路
图11：蜂鸣器
图12：下限电压报警电路（1）
图13：共用报警电路
电路说明：
比较器的原理同上限，U2的741设置的比较标准电压为0.15V电压，U5的741设置的标准电压为0.1V，当AD620的输出电压小于0.152的电压时与大于0.1V时a3输出高电平，点亮LED2灯，使蜂鸣器响起。

达到在15-10KG的重量时报警。

总电路图：
图14.总电路图
五、实验数据分析与处理
实际测量放大倍数：
（1）620原始输入：0.02mv
620原始输出：1.5mv
620放大后输出：0.590v
（2）620原始输入：0.02mv
620原始输出：1.9mv
620放大后输出：0.669v
（3）620原始输入：0.2mv
620原始输出：2.4mv
620放大后输出：0.842v
理论计算放大倍数：
电位器电阻：128.2Ω
分析：测量的放大倍数和理论放大倍数的差距在误差允许的范围之内，但是有点波动，经查明原因是由于噪声的干扰引起的。

测量误差计算：
标准重量（KG）10 56.8 66.8 84.6
测量重量（KG）9.8 57.2 67.9 84.8
1 2 3 4109.80.2 56.857.20.4 66.867.90.9 84.684.80.2
σσσσ=-=
=-=-=-=-=-=-
2
10.512
n
t
i
n
σ
σ=
==
∑
图15：标准体重与输出电压曲线图
横坐标是AD620的输出电压，纵坐标是传感器承受的重量。

蓝线表示标准曲线，红线是电路测线曲线。

两条线几乎重叠，说明误差很小。

上限电压比较器电阻计算：
1.2/10kΩ9.25kΩ
+7.3v
下限电压比较器电阻计算：
六、电路设计过程中的问题及调试
电路设计过程中的问题：
差模放大电路起初用的是AD204,因为AD204比AD620更加精准，但是由于实验室没有AD204，且AD204的价格比AD620要高很多，所以最终选择的差模放大电路用的是AD620。

电路调试过程中的问题：
问题1：起初接入传感器时，AD620放大输出的电压超过正常值，输出4.80V 。

经过查明，0.202/10k Ω 9.3k Ω +7.3v
0.139/10k Ω 9.42k Ω +7.3v
是因为调零电路给出的电压是-2.1V。

解决方法：将调零电路的电压端口接到+5V。

这样就可以给出一个正值的参考电压，达到调零效果。

问题2：下限的比较器设置为0.10V-0.152V，在AD620输出电压为这个区间里面时候，LED 灯会亮起，蜂鸣器会亮起。

但是，电路检测出来的结果是，当AD620输出的电压在0.1V以下时，LED灯才会亮起蜂鸣器响起。

解决方法：由于设置下限报警是用一个与门实现的，但是现实中74LS08芯片并没有发挥预期的效果，经过检测，发现把74LS08芯片的输入的两个引脚直接短接，出来的结果可以达到与门的效果。

电路检测没有问题。

问题3：由于起初接入传感器时，调零后还会有波动，开始以为是噪声问题，于是接上50HZ 的巴斯沃特低通滤波器。

接入低通滤波器后，测试的结果是LED灯和蜂鸣器不灵敏了，LED 灯是还没到的报警重量就开始闪，蜂鸣器的叫声很沙哑。

解决方法：把低通滤波器从电路中去掉，因为比较器出来的电势变化是阶跃的，加了滤波器以后波形变得平滑了，所以才会出现上面的问题。

至于有波动，是正常现象，因为实验室里本来就有细微的电势变化，经过传感器和AD620的放大以后，就变得有点波动，但是波动也只是0.01级别的波动，不影响正常测量。

七、电路系统实物验证
图16：下限报警启动
如图，把一个10KG的物体放在秤上，测得重量是10.2KG。

刚好达到10-15KG的下限，绿灯亮起，蜂鸣器响起。

图17：上限80KG报警启动
当超过80KG时，红灯会亮起报警。

图18：上限停止报警
低于80KG时上限红灯灭，停止报警。

八、总结
经过两个星期的课程设计，从最开始的了解任务详情，到整理思路，再到设计电路，然后搭电路，最后调试查错。

我们实践学习中学习到了很多关于电路的知识。

整理思路:我们的任务是设计一个电子秤，要求在较轻的质量测量时，电路会报警，提示质量较轻。

如果质量太大，也会报警。

知道这两个要求以后，我们便有了思路，可以用两个比较器实现。

于是便开始设计了两个741芯片的计较器。

我们打算用一个全桥电路来模拟压力传感器的输出，以便和信号放大调零的电路。

我们查询资料，决定用四个电位器模拟全
桥电路，用AD620作为信号放大芯片。

设计电路：我们用的是protues8.0的电路仿真软件。

在设计电路的过程中，我们经过在软件上仿真，模拟调试电压和电阻，确定电路安全可靠。

最后把电路设计出来以后，能够正确地仿真。

搭建调试电路:搭建和调试电路是计较麻烦和耗时间的工作，这个工作有我们一起完成，在调试的过程中出现了很多问题，我们经过电路的原理分析，最终得以解决。

在这次的测控电路的课程设计中，我们学会了一些基础的电路故障排查方法，并且能够设计一些简单的电路系统。

参考文献：
《电工学》秦曾煌2009年六月第七版
《传感器原理及检测技术》梁福平2014年2月第一版
《测控电路及应用》史红梅2011年1月第一版。