測控電路設(shè)計實踐

1、 測控電路設(shè)計實踐報告 題目 人體電子秤設(shè)計 院 系 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器 班 級 測控1303 學(xué)生姓名 2013010472楊通香2013010460郭健寧 指導(dǎo)老師 鄭青玉、那云虓、李東、王小飛 實驗時間 2016 6 26-2016 7 8 目 錄1、 課程設(shè)計目的及意義.32、 系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù).33、 總體設(shè)計方案.44、 電路設(shè)計及調(diào)試.54.1稱重傳感器電路.54.2放大電路.64.3比較電路.84.4報警系統(tǒng).105、 實驗數(shù)據(jù)分析與處理126、 電路設(shè)計過程中的問題及調(diào)試.14七、電路系統(tǒng)實物驗證.15八、總結(jié)16一、課程設(shè)計目的及意義測控電路課

2、程設(shè)計是測控電路課程體系的一個重要組成環(huán)節(jié)，獨立實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是對測控電路理論部分的必要補充。課程設(shè)計內(nèi)容為典型測控系統(tǒng)電路設(shè)計，通過課程設(shè)計，使學(xué)生完成測控系統(tǒng)任務(wù)分析、電路總體設(shè)計、單元電路設(shè)計以及電路調(diào)試等各個環(huán)節(jié)。掌握有關(guān)傳感器接口電路、信號處理電路、放大電路、運算電路、顯示電路以及執(zhí)行部件驅(qū)動電路等內(nèi)容在測控系統(tǒng)中的使用方法。了解有關(guān)電子器件和集成電路的工作原理。在課程設(shè)計中，做到理論聯(lián)系實際，加深對理論知識的進(jìn)一步理解，提高分析問題和解決問題的能力。本課程設(shè)計以AD620、LM741、與門電路為核心，進(jìn)行智能人體電子秤的設(shè)計,并詳述該系統(tǒng)硬件的設(shè)計方法。該系統(tǒng)集稱重、顯示、報警于一體

3、,功能齊全,實用性強，充分利用了電路分析、模擬電路、測控電路、信號分析與處理、傳感器等課堂上學(xué)到的知識，有機的將所學(xué)到的知識融合在一起，投入到實際運用中，便于對知識的綜合掌握及運用。二、系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)任務(wù)：設(shè)計一個人體電子秤測量系統(tǒng)。要求：1）基本要求最大稱重：150KG 用3位半數(shù)字顯示表頭顯示體重，輸入電壓范圍0-2V,當(dāng)體重大于W1時，點亮LED1，發(fā)出聲音提示；當(dāng)體重小于W2時，點亮LED2，發(fā)出聲音提示。2）提高部分提高線性度可以設(shè)置W1和W2;語音提示；自由發(fā)揮 三、總體方案設(shè)計本系統(tǒng)主要由稱重傳感器模塊、濾波放大電路模塊、調(diào)零模塊、報警電路模塊、LCD顯示模塊等部分組成。人體

4、的體重信息由稱重傳感器轉(zhuǎn)換成電信號,并通過測量電路進(jìn)行濾波放大,通過顯示電路進(jìn)行顯示,如體重超出設(shè)定范圍系統(tǒng)還會報警。圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖四、電路設(shè)計及調(diào)試4.1稱重傳感器電路稱重傳感器是影響電子秤測量精度的關(guān)鍵部件。選用適當(dāng)傳感器,用來感知被測量,當(dāng)物體放在秤盤上時,壓力傳給傳感器,該傳感器發(fā)生形變,從而使阻抗發(fā)生變化,電橋失去平衡,傳感器輸出一個變化的模擬信號。圖2：稱重傳感器電路圖3：AD620引腳配置框圖放大電路采用四個半橋式傳感器構(gòu)成全橋。當(dāng)壓力傳感器受到外力，RV4與RV5拉伸，電阻變大，RV2與RV3壓縮，電阻變小，故產(chǎn)生輸出電勢差，并輸入芯片AD620中，通過其進(jìn)行放大。4.2放

5、大電路AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至10000。此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設(shè)計，并且功耗較低(最大電源電流僅1.3 mA)，因此非常適合電池供電的便攜式(或遠(yuǎn)程)應(yīng)用。增益方程式為： G =48.9 k/R G + 1 G是放大倍數(shù)，RG是連接在1管腳和8管腳的可調(diào)電阻。AD620主要技術(shù)指標(biāo):帶寬: 800MHz輸出功率: 2. 4mW功率增益:120dB工作電壓: 正負(fù)3V-正負(fù)15V靜態(tài)功耗: 0. 48mW輸入失調(diào)電壓: 小于等于60uV轉(zhuǎn)換速率: 1. 2V/LS 封裝形式:DIP8 工作溫度

6、范圍: -55到+125攝氏度電路連接：圖4：620放大調(diào)零電路圖5：調(diào)零電路 AD620的2、3引腳接壓力傳感器的信號輸入，7引腳接7.3V的高電平，4引腳接-5V的低電平。5引腳為調(diào)零端口，電路連接為調(diào)節(jié)RV9可以輸出一個調(diào)零電壓。達(dá)到初始化調(diào)零的作用。4.3比較電路利用三個741芯片組成的比較電路。利用3管腳上的滑動變阻器，改變其阻值，使3管腳的標(biāo)準(zhǔn)電壓改變。當(dāng)2管腳的輸入電壓大于3管腳的標(biāo)準(zhǔn)電壓，741輸出低電平，三極管無法導(dǎo)通，LED燈與蜂鳴器不工作。反之，當(dāng)2管腳輸入電壓小于3管腳的標(biāo)準(zhǔn)電壓，741輸出高電平，三極管導(dǎo)通，LED燈與蜂鳴器工作。（一）最大測量上限比較電路：圖6：上限

7、電壓比較電路電路連接原理說明：用741設(shè)計的比較器電路，741的7引腳接+5V，4引腳接-5V電勢，3引腳接AD620的6引腳輸出。7242引腳接標(biāo)準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)電路：圖7：設(shè)置上限標(biāo)準(zhǔn)電壓電路調(diào)節(jié)RV7=1.2/10k，741的2引腳輸出為0.8V。根據(jù)比較器的原理，當(dāng)AD620的6引腳的輸出電壓大于0.8V時，741的6引腳輸出高電平，導(dǎo)通NPN三極管，點亮LED1燈，蜂鳴器響起。達(dá)到上限報警功能。超過80KG是報警。（二）最小測量下限電路：圖8：最小測量下限電路圖9：下限電壓比較電路（1）使用芯片74LS08與門電路，將兩個參考下限電壓與起來，所以在兩個下限電壓之間才會輸出高電平。圖10：與

8、門電路當(dāng)Vo小于0.1時電路輸出低電平，不報警，即電子秤上不站人。當(dāng)輸出電壓在0.1到0.152之間時，輸出為高電平，報警，此時表明電子秤人的重量大于10Kg小于15Kg。當(dāng)電壓值在0.152到0.8之間時，電路輸出為低電平，不報警，可正常測量體重。當(dāng)電壓值大于0.8時，電路輸出為高電平，報警，表示超重。4.5報警系統(tǒng)圖11：蜂鳴器元器件：蜂鳴器、LED燈蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機、打印機、復(fù)印機、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。發(fā)光二極管簡稱為LED。由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）、硅（Si）等

9、的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。當(dāng)達(dá)到報警需要的條件時，比較器相應(yīng)輸出口輸出高電平，使二極管導(dǎo)通，然后使得蜂鳴器和LED燈工作。圖13：共用報警電路圖12：下限電壓報警電路（1）電路說明：比較器的原理同上限，U2的741設(shè)置的比較標(biāo)準(zhǔn)電壓為0.15V電壓，U5的741設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)電壓為0.1V，當(dāng)AD620的輸出電壓小于0.152的電壓時與大于0.1V時a3輸出高電平，點亮LED2燈，使蜂鳴器響起。達(dá)到在15-10KG的重量時報警?？傠娐穲D：圖14.總電路圖五、 實驗數(shù)據(jù)分析與處理實際測量放大倍

10、數(shù)：（1）620原始輸入：0.02mv620原始輸出：1.5mv620放大后輸出：0.590v（2）620原始輸入：0.02mv620原始輸出：1.9mv620放大后輸出：0.669v（3）620原始輸入：0.2mv620原始輸出：2.4mv620放大后輸出：0.842v理論計算放大倍數(shù)：電位器電阻：128.2分析：測量的放大倍數(shù)和理論放大倍數(shù)的差距在誤差允許的范圍之內(nèi)，但是有點波動，經(jīng)查明原因是由于噪聲的干擾引起的。測量誤差計算：標(biāo)準(zhǔn)重量（KG）1056.866.884.6測量重量（KG）9.857.267.984.8圖15：標(biāo)準(zhǔn)體重與輸出電壓曲線圖橫坐標(biāo)是AD620的輸出電壓，縱坐標(biāo)是傳感

11、器承受的重量。藍(lán)線表示標(biāo)準(zhǔn)曲線，紅線是電路測線曲線。兩條線幾乎重疊，說明誤差很小。9.25k+7.3v1.2/10k上限電壓比較器電阻計算：下限電壓比較器電阻計算：+7.3v9.42k0.139/10k+7.3v9.3k0.202/10k六、電路設(shè)計過程中的問題及調(diào)試電路設(shè)計過程中的問題：差模放大電路起初用的是AD204,因為AD204比AD620更加精準(zhǔn)，但是由于實驗室沒有AD204，且AD204的價格比AD620要高很多，所以最終選擇的差模放大電路用的是AD620。電路調(diào)試過程中的問題：問題1：起初接入傳感器時，AD620放大輸出的電壓超過正常值，輸出4.80V。經(jīng)過查明，是因為調(diào)零電路給

12、出的電壓是-2.1V。解決方法：將調(diào)零電路的電壓端口接到+5V。這樣就可以給出一個正值的參考電壓，達(dá)到調(diào)零效果。問題2：下限的比較器設(shè)置為0.10V-0.152V，在AD620輸出電壓為這個區(qū)間里面時候，LED燈會亮起，蜂鳴器會亮起。但是，電路檢測出來的結(jié)果是，當(dāng)AD620輸出的電壓在0.1V以下時，LED燈才會亮起蜂鳴器響起。解決方法：由于設(shè)置下限報警是用一個與門實現(xiàn)的，但是現(xiàn)實中74LS08芯片并沒有發(fā)揮預(yù)期的效果，經(jīng)過檢測，發(fā)現(xiàn)把74LS08芯片的輸入的兩個引腳直接短接，出來的結(jié)果可以達(dá)到與門的效果。電路檢測沒有問題。問題3：由于起初接入傳感器時，調(diào)零后還會有波動，開始以為是噪聲問題，于

13、是接上50HZ的巴斯沃特低通濾波器。接入低通濾波器后，測試的結(jié)果是LED燈和蜂鳴器不靈敏了，LED燈是還沒到的報警重量就開始閃，蜂鳴器的叫聲很沙啞。解決方法：把低通濾波器從電路中去掉，因為比較器出來的電勢變化是階躍的，加了濾波器以后波形變得平滑了，所以才會出現(xiàn)上面的問題。至于有波動，是正?，F(xiàn)象，因為實驗室里本來就有細(xì)微的電勢變化，經(jīng)過傳感器和AD620的放大以后，就變得有點波動，但是波動也只是0.01級別的波動，不影響正常測量。七、電路系統(tǒng)實物驗證圖16：下限報警啟動如圖，把一個10KG的物體放在秤上，測得重量是10.2KG。剛好達(dá)到10-15KG的下限，綠燈亮起，蜂鳴器響起。圖17：上限80

14、KG報警啟動當(dāng)超過80KG時，紅燈會亮起報警。圖18：上限停止報警低于80KG時上限紅燈滅，停止報警。八、總結(jié)經(jīng)過兩個星期的課程設(shè)計，從最開始的了解任務(wù)詳情，到整理思路，再到設(shè)計電路，然后搭電路，最后調(diào)試查錯。我們實踐學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)到了很多關(guān)于電路的知識。整理思路:我們的任務(wù)是設(shè)計一個電子秤，要求在較輕的質(zhì)量測量時，電路會報警，提示質(zhì)量較輕。如果質(zhì)量太大，也會報警。知道這兩個要求以后，我們便有了思路，可以用兩個比較器實現(xiàn)。于是便開始設(shè)計了兩個741芯片的計較器。我們打算用一個全橋電路來模擬壓力傳感器的輸出，以便和信號放大調(diào)零的電路。我們查詢資料，決定用四個電位器模擬全橋電路，用AD620作為信號放大芯片。設(shè)計電路：我們用的是protues8.0的電路仿真軟件。在設(shè)計電路的過程中，我們經(jīng)過在軟件上仿真，模擬調(diào)試電壓和電阻