傳感器電子稱

1、 傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書 電子秤的設(shè)計(jì)與制作 院 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 鄧靜 劉偉 吳志 劉志偉 羅仁甫 劉凱 指導(dǎo)教師： 王勇剛老師 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 自本1004班 完成時(shí)間： 2012年12月1日 簡(jiǎn)易電子稱的設(shè)計(jì)及制作1. 設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 設(shè)計(jì)任務(wù)：用學(xué)過的傳感器設(shè)計(jì)并制作一個(gè)能測(cè)量重量的裝置，并能測(cè)量不大于1KG的物體，誤差小于±1%。 設(shè)計(jì)要求：（1）畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；（2）元器件及參數(shù)選擇；（3）編寫設(shè)計(jì)報(bào)告并寫出設(shè)計(jì)的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。 2.方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)分三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集及放大模塊、模數(shù)（A/

2、D）轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊。本電路應(yīng)用壓敏電阻構(gòu)成秤重電橋來采集電壓的微小變化，經(jīng)過儀表放大器AD623組成的放大電路放大后送入A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7107，對(duì)輸入電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出；顯示模塊直接連接數(shù)碼管構(gòu)成，顯示實(shí)際測(cè)量值。外部電路非常簡(jiǎn)單，方便制作。3. 原理設(shè)計(jì) 本電子稱電路時(shí)通過秤重電橋產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)放大電路把信號(hào)放大后輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7107進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由于此芯片可直接用于數(shù)字顯示，故轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量直接用數(shù)碼顯示器進(jìn)行顯示。此方案的優(yōu)點(diǎn)是外部電路非常簡(jiǎn)單，但同能實(shí)現(xiàn)較高的精度。缺點(diǎn)是無法對(duì)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制，其電路方框圖如圖1：數(shù)據(jù)采集電路顯示電路放大電路A/D

3、轉(zhuǎn)換電路圖1數(shù)字電子稱方案框圖 電阻應(yīng)變式傳感器的原理：電阻應(yīng)變式傳感器是將被測(cè)量的力，通過它產(chǎn)生的金屬?gòu)椥宰冃无D(zhuǎn)換成電阻變化的元件。由電阻應(yīng)變片和測(cè)量線路兩部分組成。電阻應(yīng)變片也會(huì)有誤差，產(chǎn)生的因素很多，所以測(cè)量時(shí)我們一定要注意，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：電阻絲溫度系數(shù)引起的，電阻絲與被測(cè)元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。對(duì)于因溫度變化對(duì)橋接零點(diǎn)和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會(huì)因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對(duì)要求精度較高的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償片，并從外部對(duì)它加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償

4、。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點(diǎn)。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，通過線性補(bǔ)償，也可得到改善。滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。單臂電橋測(cè)量電路中，將一個(gè)應(yīng)變片接入電橋?qū)?，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1R2R3R4，其變化值R1R2R3R4時(shí)，其橋路輸出電壓UoUR/R。4. 電路設(shè)計(jì) 數(shù)字電子稱從原理上講應(yīng)該算是一種典型的數(shù)字電路，可以由許多中小規(guī)模集成電路組成，所以可以分成幾個(gè)獨(dú)立的電路。 （1）電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路常規(guī)的電阻應(yīng)變片K值很小，約為2，機(jī)械應(yīng)變度約為0.0

5、000010.001，所以，電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍為0.00050.1歐姆。所以測(cè)量電路應(yīng)當(dāng)能精確測(cè)量出很小的電阻變化，在電阻應(yīng)變傳感器中做常用的是橋式測(cè)量電路。橋式測(cè)量電路有四個(gè)電阻，其中任何一個(gè)都可以是電阻應(yīng)變片電阻，電橋的一個(gè)對(duì)角線接入工作電壓+5V，另一個(gè)對(duì)角線為輸出電壓-5V。其特點(diǎn)是：當(dāng)四個(gè)橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計(jì)來測(cè)量，所以電橋能夠精確地測(cè)量微小的電阻變化。測(cè)量電路是電子秤設(shè)計(jì)電路中是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，我們?cè)谥谱鞯倪^程中應(yīng)盡量選擇好元件，調(diào)整好測(cè)量的范圍的精確度，以避免減小測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差。橋式電路圖如圖2所示：圖 2 橋式測(cè)量電路

6、圖它由電阻應(yīng)變片電阻R1、R2、R3、R4組成測(cè)量電橋，R1R2R3R4350，加熱絲阻值為50左右，測(cè)量電橋的電源由穩(wěn)壓電源供給。將差動(dòng)放大器調(diào)零，合上電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位RP，使數(shù)顯表顯示0.00V，就可以稱重，成為一臺(tái)原始的電子秤。 （2）放大電路AD623是一個(gè)集成單電源儀表放大器，它能在單電源（+3V到+12V)下提供滿電源幅度的輸出。它允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，以得到更好的靈活性。符合8引腳的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置。在無外接電阻條件下，AD623被設(shè)置為單增益（G=1）。在外接電阻后，AD623可編程設(shè)置增益，增益最高可達(dá)1000倍。其電路圖如圖3所示： 圖 3 放大電路A

7、D623通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比（AC CMRR）而保持最小的誤差。線路噪聲及諧波將由于CMRR在高達(dá)200HZ時(shí)仍保持恒定。它有較寬的共模輸入范圍，可以放大具有低于地電平150mv共模電壓信號(hào)。它在雙電源（2.5至6V）仍能提供優(yōu)良性能。低功耗，寬電源電壓范圍，滿電源幅度輸出，使AD623成為電池供電的理想選擇。在低電源電壓下工作時(shí)，滿電源幅度輸出級(jí)使動(dòng)態(tài)范圍達(dá)最大。它可以取代分立的儀表放大器設(shè)計(jì)，且在最小的空間提供很好的線性度，溫度穩(wěn)定性很可靠性。（3）A/D轉(zhuǎn)化器一個(gè)電子秤系統(tǒng)最重要的參數(shù)是內(nèi)部分辨率、ADC動(dòng)態(tài)范圍、無噪聲分辨率、更新速率、系統(tǒng)增益和增益誤差漂移。

8、該系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成比率工作方式，所以它與電源電壓波動(dòng)無關(guān)。ICL7106和ICL7107是高性能，低功耗三位半數(shù)字A/D轉(zhuǎn)電路。它包含七段譯碼器，顯示驅(qū)動(dòng)器，參考源和時(shí)鐘系統(tǒng)。ICl7107可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，具有低于10µV自動(dòng)校零功能，零漂小于1µV/°C低于10pA的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個(gè)字。由于兩個(gè)輸入端最大承受電壓為200mV因此要實(shí)現(xiàn)最大值為2000mV的顯示可以用以下分壓形式（本設(shè)計(jì)所采用的），ICL7107型A/D轉(zhuǎn)換器是把模擬電路與數(shù)字電路集成在一塊芯片上的大規(guī)模的CMOS集成電路，它具有功耗低、輸入阻抗高、噪聲低，能直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極LED顯示

9、器，不需另加驅(qū)動(dòng)器件，使轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)化等特點(diǎn)。其電路圖如圖4所示： 圖 4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖由于所選用的芯片ICl7107已經(jīng)具有譯碼功能，故在顯示時(shí)只需要接上數(shù)碼顯示器即可用于顯示。管腳分布如下表1所示：表1 ICl7107管腳說明端 名功 能V+和V-電源的正極和負(fù)極aUgUaTgTaHgH個(gè)位、十位、百位筆畫的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，依次接至個(gè)位、十位、百位數(shù)碼管的相應(yīng)筆畫電極abk千位筆畫驅(qū)動(dòng)信號(hào)，接千位數(shù)碼管的a、b兩個(gè)筆畫電極PM負(fù)極性指示的輸出端，接千位數(shù)碼管的g段。PM為低電位時(shí)顯示負(fù)號(hào)INT積分器輸出端，接積分電容BUF緩沖放大器的輸出端，接積分電阻AZ積分器和比較器的反相輸入端，接自動(dòng)調(diào)零電

10、容IN+、IN-模擬量輸入端，分別接輸入信號(hào)的正端與負(fù)端COM模擬信號(hào)公共端，即模擬地CREF外接基準(zhǔn)電容端VREF+、VREF-基準(zhǔn)電壓的正端和基準(zhǔn)電壓的負(fù)端TEST測(cè)試端。該端經(jīng)500電阻接至邏輯線路的公共地。當(dāng)作“測(cè)試指示”時(shí)，把它與V+短接后，LED全部筆畫點(diǎn)亮，顯示數(shù)1888OSC1OSC2時(shí)鐘振蕩器的引出端，外接阻容元件組成多諧振蕩器 （4）數(shù)碼顯示電路由于A/D轉(zhuǎn)化選擇的ICL7107，所以顯示部分直接接入四個(gè)共陽(yáng)極數(shù)碼管即可，簡(jiǎn)單方便，容易操作?？梢员苊馔饨与娐窂?fù)雜的情況，同時(shí)也能很準(zhǔn)確的顯示出當(dāng)前物體的重量。其電路圖如圖5所示,引腳圖如圖6所示。 圖 6 數(shù)碼管顯示電路圖圖

11、5 一位一體數(shù)碼管引腳圖5. 安裝調(diào)試 按圖7連接電路圖 圖7系統(tǒng)電路總原理圖 將差動(dòng)放大器調(diào)零，合上電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位RP1，使數(shù)顯表顯示0.00V，就可以稱重，成為一臺(tái)原始的電子秤。這個(gè)電路主要是由AD623運(yùn)算放大器及電位器RP2組成的放大電路。通過調(diào)節(jié)RP2的值，就可以獲得所需要的增益，配合ICL7107提供的最大增益，可以將輸入信號(hào)放大到所需要的幅度。選擇運(yùn)放時(shí)要注意，由于輸入信號(hào)的幅度很小，因此對(duì)運(yùn)放的噪聲性能和失調(diào)電壓要求非常高，應(yīng)選擇低噪聲、低失調(diào)的運(yùn)算放大器。 利用ICl7107A/D轉(zhuǎn)換器組裝成3.5位數(shù)字電路,外圍元件的作用是：（1）R2,C3為時(shí)鐘振蕩器的RC網(wǎng)

12、絡(luò)。（2）RP3,R3是基準(zhǔn)電壓的分壓電路。R2使基準(zhǔn)電壓VREF1V（3）R4,C5為輸入端阻容濾波電路，以提高電壓表的抗干攏能力，并能增強(qiáng)它的過載能力。（4）C6,C4分別是基準(zhǔn)電容和自動(dòng)調(diào)零電容。（5）R5,C7分別是積分電阻和積分電容。（6）ICL7107的第21腳（GND）為邏輯地，第37腳（TEST）經(jīng)過芯片內(nèi)部的500電阻與GND接通。（7）芯片本身功耗小于15mW（不包括LED），能直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極的LED顯示器，不需要另加驅(qū)動(dòng)器件，在正常亮度下每個(gè)數(shù)碼管的全亮筆畫電流大約為4050mA。（8）ICL7107沒有專門的小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使用時(shí)可將共陽(yáng)極數(shù)碼管的公共陽(yáng)極接V+，小數(shù)點(diǎn)

13、接GND時(shí)點(diǎn)亮，接V+時(shí)熄滅。6.總結(jié) 課題總結(jié)：目前，電子秤正朝著小型化、高精度、智能化方向發(fā)展。ICL7107采用較小的封裝，尺寸很小，所需的外圍器件也很少，滿足了電子秤小型化的需求；其內(nèi)置各種控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，并且可以通過SPI接口方便地控制和讀取這些寄存器，滿足了電子秤智能化的需求。因此ICL7107是電子秤中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的理想選擇。在電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)中，我們花了大量的時(shí)間和精力進(jìn)行資料查閱和方案論證，結(jié)合自己所學(xué)，認(rèn)真解決每一個(gè)功能模塊中遇到的問題有時(shí)，為了解決一個(gè)具體問題，竟到了絞盡腦汁的地步。在設(shè)計(jì)完各個(gè)功能模塊之后，我用Protel99SE繪圖軟件進(jìn)行了各個(gè)模塊的繪制，并

14、最終繪制成一個(gè)總的電路原理圖。另外，我還用仿真軟件進(jìn)行某些功能模塊的仿真，收到了很好的效果。但由于缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，電路中還有些功能不夠完善，有寫參數(shù)不夠精確，而且抗干擾能力也不夠好。自己所學(xué)的書本知識(shí)應(yīng)用到實(shí)處?？吹阶约涸O(shè)計(jì)的功能電路能在仿真軟件中運(yùn)行，我有了很大的成就感。另外，通過具體的操作，我掌握了各個(gè)功能模塊的接口設(shè)計(jì)方法，無論是在設(shè)計(jì)思想還是在動(dòng)手能力上都有了很大的提高。 經(jīng)驗(yàn)體會(huì)：通過這幾周的課設(shè)我經(jīng)歷了很多，自從老師把題目公布讓我們分組選擇想要做的題目，大家坐在一起分析題目，然后設(shè)計(jì)電路圖，再做實(shí)物，在這個(gè)過程中我們經(jīng)歷了很多，這一點(diǎn)點(diǎn)的我們都記在心里。因?yàn)榇蠖r(shí)我們有過課程設(shè)計(jì)的經(jīng)

15、歷，這給我們這次課程設(shè)計(jì)打下了很好的基礎(chǔ)。我們?cè)谧鲭娐吩韴D時(shí)一個(gè)模塊的一個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和分析電路，不懂的就上網(wǎng)查資料或者查找相關(guān)的書籍，把腦中的一個(gè)個(gè)問號(hào)慢慢的都變成句號(hào)的時(shí)候，回過頭看看，自己學(xué)到了很多很多，我很感激這次課程設(shè)計(jì)給我?guī)淼氖斋@，那段時(shí)間真的很讓我難忘。經(jīng)驗(yàn)是一點(diǎn)點(diǎn)的積累起來的，通過這次課程設(shè)計(jì)，給了自己些許的自信感，不要一開始就認(rèn)為不可以，認(rèn)為自己不行，只要堅(jiān)定信念，再加自己的勤奮與努力，一定會(huì)完成任務(wù)的。最想感謝的就是老師，是老師的精心的講解與設(shè)計(jì)，是老師的信任和對(duì)我們的施壓，我們才會(huì)挑戰(zhàn)高難度的課題，才會(huì)發(fā)現(xiàn)自己具有這種實(shí)力。參考文獻(xiàn)：1 賈伯年，俞樸.傳感器技術(shù)M. 東南大學(xué)出版社，2000