電子秤實驗報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 便攜式電子秤的設計實現(xiàn)班 級: 學 號: 姓 名: 摘 要手提電子秤具有稱重精確度高，簡單實用，攜帶方便成成本低，制作簡單，測量準確，分辨率高，不易損壞和價格便宜等優(yōu)點。是家庭購物使用的首選。本次實驗目的在于:通過對便攜式電子秤的設計與制作,了解電阻應變片的工作原理,掌握其使用方法;掌握數(shù)碼顯示電路的設計使用方法;掌握模數(shù)轉(zhuǎn)換器、儀用放大器的使用方法；掌握電子電路系統(tǒng)設計的基本方法，培養(yǎng)提高綜合利用多學科相關(guān)知識進行初步工程設計與實際裝調(diào)系統(tǒng)電路的能力。本次便攜式電子秤設計采用箔式電阻應變片E350ZAA作為傳感器，將力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，差動電路采用INA114來

2、放大微小電壓信號，轉(zhuǎn)換電路采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL進行A/D轉(zhuǎn)換，顯示電路采用LED數(shù)碼管。最終實現(xiàn)了將被稱重物體的質(zhì)量顯示在數(shù)碼管上的功能，稱重范圍為2kg以內(nèi)，單位為g。經(jīng)過最終測量，所設計制作完成的電子秤稱重最大絕對誤差為5g，關(guān)鍵詞：便攜式； 電子秤； 應變片； 7107一、 設計選題及設計任務要求設計選題：便攜式電子秤的設計實現(xiàn)任務與要求：設計一個LED數(shù)碼顯示的便攜式電子秤，要求如下1 采用電阻應變式傳感器2 稱重范圍為0 2kg3 測量精度：不低于20克二、 方案設計與論證設計方案：方案一：基于單片機的便攜式電子秤1） 原理框圖圖1-1 基于單片機的便攜式電子秤原理框圖2）系

3、統(tǒng)設計思路、工作原理及單片機程序流圖稱重傳感器根據(jù)壓力的變化提供相應的線性變化的電信號，該電信號經(jīng)過高精度差動放大器放大。輸入給雙積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，數(shù)字信號可直接由單片機以串行方式讀入。單片機選用STC89C52型單片機，P0口定義為輸出口，其中P0.0P0.6輸出要顯示數(shù)據(jù)的段碼。P1口中的P1.0P1.3也定義為輸出，顯示輸出數(shù)據(jù)的位碼。顯示器用動態(tài)掃描。3） 該設計方案優(yōu)缺點a.優(yōu)點：該系統(tǒng)采用了單片機作為顯示模塊的驅(qū)動電路，具有較好的系統(tǒng)擴展性，在顯示壓力的同時，還可以通過單片機的其他管腳輸出信號以達到的功能的擴展。例如，在平時日常使用外，也可以作為工程應用中顯示及反饋

4、模塊，通過對壓力測量進行閾值的設定，來判定是否對系統(tǒng)的輸入進行修正。b.缺點：系統(tǒng)的組成模塊相對較多，在進行系統(tǒng)調(diào)試時可能會出現(xiàn)較多問題，也提高了系統(tǒng)的成本。并且單片機的編程時將會需要大量的時間，對系統(tǒng)的標定比較困難。不適合僅僅應用為日常生活。方案二：基于普通A/D轉(zhuǎn)換器及編碼器的便攜式電子秤1） 原理框圖圖1-2基于普通A/D轉(zhuǎn)換器及編碼器的便攜式電子秤原理框圖2） 系統(tǒng)設計思路、工作原理壓力傳感器實現(xiàn)壓電轉(zhuǎn)換，將壓力轉(zhuǎn)換為電信號。經(jīng)過高精度差動放大器放大后。輸入給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,由該數(shù)字信號控制編碼器的編碼，從而控制數(shù)碼管顯示。3） 設計的優(yōu)缺點該a. 優(yōu)點：每個模塊的功能單一

5、，且沒有復雜的編程問題。在整個系統(tǒng)進行調(diào)試時，可以比較方便的對每個模塊 進行測試，能夠迅速找到出現(xiàn)問題的模塊。比較容易制作。b. 缺點：使用的芯片較多，信號的噪聲較大，且數(shù)碼管與編碼器的電路比較繁雜，在實際焊接中容易出現(xiàn)問題。方案三：基于普通ICL7107的便攜式電子秤1） 原理框圖圖1-3 基于普通ICL7107的便攜式電子秤原理框圖2） 系統(tǒng)設計思路、工作原理壓力傳感器實現(xiàn)壓電轉(zhuǎn)換，將壓力轉(zhuǎn)換為電信號。經(jīng)過高精度差動放大器放大后。輸入給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而控制數(shù)碼管顯示。3） 該設計的優(yōu)缺點a. 優(yōu)點：每個模塊的功能單一，且沒有復雜的編程問題。ICL7107可直接驅(qū)動數(shù)碼管，在整個系統(tǒng)進行調(diào)試

6、時，可以比較方便的對每個模塊進行測試，能夠迅速找到出現(xiàn)問題的模塊。比較容易制作。b. 缺點：功能單一，僅能作為日常生活使用。不可有其他的功能擴展。方案論證：方案介紹中時已經(jīng)對每個方案的優(yōu)劣進行了闡述。通過下表對每種方案的突出特點進行比較。表1-1 各方案突出特點比較制作難易成本功能擴展方案一制作困難高擴展能力強，可用于其他領(lǐng)域方案二模塊較多電路發(fā)雜但易于檢查中功能單一方案三模塊最少，電路簡單，易于檢查低功能單一綜述：鑒于本實驗僅要求實現(xiàn)一個普通功能的電子秤，沒對其有更高的要求，所以方案一并不是十分合適，它的制作流程過于復雜，難以調(diào)試，且成本較高。所以這里并不采用方案一。對于方案二，它的電路連接

7、與方案三相比較為復雜。且功能模塊也較多，沒有方案三易于調(diào)試。成本也相對較高。這里也不采用。綜上所述，本次實驗選擇實驗三為最終的設計方案。三、 單元電路設計與分析1. 測量電路：電阻應變式傳感器可將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化 , 再經(jīng)相應的測量電路而最后顯示或記錄被測量值的變化。在這里，我們用電阻應變式傳感器作為測量電路的核心。并應根據(jù)測量對象的要求，恰當?shù)剡x擇精度和范圍度。（1）電阻應變式傳感器的組成以及原理：電阻應變式傳感器簡稱電阻應變計。當將電阻應變計用特殊膠劑粘在被測構(gòu)件的表面上時，則敏感元件將隨構(gòu)件一起變形，其電阻值也隨之變化，而電阻的變化與構(gòu)件的變形保持一定的線性關(guān)系，進而通

8、過相應的二次儀表系統(tǒng)即可測得構(gòu)件的變形。通過應變計在構(gòu)件上的不同粘貼方式及電路的不同聯(lián)接，即可測得重力、變形、扭矩等機械參數(shù) （2）電阻應變式傳感器的測量電路：圖2-1電阻應變式傳感器的測量電路電阻應變片的電阻變化范圍為0.00050.1歐姆。所以測量電路應當能精確測量出很小的電阻變化，在電阻應變傳感器中做常用的是橋式測量電路。 橋式測量電路有四個電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓E，另一個對角線為輸出電壓Uo。其特點是：當四個橋臂電阻達到相應的關(guān)系時，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計來測量，所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。 測量電橋如圖2-1它由箔式電阻應變片電阻R1、

9、R2、R3、R4組成測量電橋，測量電橋的電源由穩(wěn)壓電源E供給。物體的重量不同，電橋不平衡程度不同，指針式電表指示的數(shù)值也不同?；瑒邮骄€性可變電阻器RP1作為物體重量彈性應變的傳感器，組成零調(diào)整電路，當載荷為0時，調(diào)節(jié)RP1使數(shù)碼顯示屏顯示零。這里若考慮系統(tǒng)高穩(wěn)定性，可選用E350ZAA的2kg稱重傳感器。E350ZAA表示圖形如下：圖2-2 E350ZAA實物圖型由圖可知上下各貼一個電阻應變片，組成半橋測量電路，記兩個電阻應變片分別是R1、R4設計時要求：R5=R6; R1=R4=R;2. 差動放大電路：原理：由于應變片收到力作用阻值變化很小，輸出電壓也很微弱，只有幾mV，必須通過一個模擬放大

10、器對其進行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求。因此本次設計中，要求用一個放大電路，即差動放大電路，主要的元件為差動放大器。圖2-3 差動放大電路結(jié)構(gòu)圖放大倍數(shù)的推導過程：VO=(R8+R7+R6)=(1+2R8R7)ViAvf=1+2R8R7在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表儀器放大器的選型很多，在這里使用一種用途非常廣泛的放大器，業(yè)自動控制、儀器儀表、電氣測量等數(shù)字采集的系統(tǒng)就是典型的差動放大器INA126P。它只需高精度和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應用于工中。原理框圖及封裝圖如下： 圖2-4 INA126P原理圖圖2-5 INA12

11、6P封裝圖根據(jù)差動放大器原理可計算出：G=5+80kRG3. A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路：A/D轉(zhuǎn)換的作用是進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。在選擇A/D轉(zhuǎn)換時，先要確定A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，該設計運用的是雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107，A/D轉(zhuǎn)換誤的位數(shù)確定與整個測量控制系統(tǒng)所需測量控制的范圍和精度有關(guān)，系統(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)很多，包括傳感器的變換精度，信號預處理電路精度A/D轉(zhuǎn)換器以及輸出電路等。（1）ICL7107雙積分型的AD轉(zhuǎn)換器的特點： ICL7107是31/2位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，屬于CMOS大規(guī)模集成電路，它的最大顯示值為士1999，最小分辨率為100uV，轉(zhuǎn)換精度為

12、0.05士1 個字。 能直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管，不需要另加驅(qū)動器件，使整機線路簡化，采用士5V兩組電源供電，并將第21腳的GND接第30腳的IN 。 在芯片內(nèi)部從V+與COM之間有一個穩(wěn)定性很高的2.8V，通過電阻分壓器可獲得所需的基準電壓VREF 。 能通過內(nèi)部的模擬開關(guān)實現(xiàn)自動調(diào)零和自動極性顯示功能。 輸入阻抗高，對輸入信號無衰減作用。 整機組裝方便，無需外加有源器件，配上電阻、電容和LED共陽極數(shù)碼管，就能構(gòu)成一只直流數(shù)字電壓表頭。 噪音低，溫漂小，具有良好的可靠性，壽命長。 芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。 不設有一專門的小數(shù)點驅(qū)動信號。使用時可將LED共陽極數(shù)數(shù)碼管公共

13、陽極接V+. 可以方便的進行功能檢查。(2) ICL7107引腳功能V和V-分別為電源的正極和負極，A1-G1,A2-G2,A3-G3：分別為個位、十位、百位筆畫的驅(qū)動信號，依次接個位、十位、百位LED顯示器的相應筆畫電極。AB4：千位筆畫驅(qū)動信號。接千位LEO顯示器的相應的筆畫電極。POL：液晶顯示器背面公共電極的驅(qū)動端，簡稱背電極。Oscl-OSc3 ：時鐘振蕩器的引出端，外接阻容或石英晶體組成的振蕩器。 COM ：模擬信號公共端，簡稱“模擬地”，使 用時一般與輸入信號的負端以及基準電壓的負極相連。TEST ：測試端，該端經(jīng)過500歐姆電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱“邏輯地”或“數(shù)字地”

14、。當其接高電平時數(shù)碼管全亮。VREF VREF- ：基準電壓正負端。CREF：外接基準電容端。INT：27是一個積分電容器，必須選擇溫度系數(shù)小不致使積分器的輸入電壓產(chǎn)生漂移現(xiàn)象的元件IN和IN- ：模擬量輸入端，分別接輸入信號的正端和負端。AZ：積分器和比較器的反向輸入端，接自動調(diào)零電容CAz 。BUF：緩沖放大器輸出端，接積分電阻Rint。 (3) ICL7107的工作原理雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用脈沖時間間隔，進而得出相應的數(shù)字性輸出。ICL7107包括積分器

15、、比較器、計數(shù)器，控制邏輯和時鐘信號源。積分器是A/D轉(zhuǎn)換器的心臟，在一個測量周期內(nèi)，積分器先后對輸入信號電壓和基準電壓進行兩次積分。比較器將積分器的輸出信號與零電平進行比較，比較的結(jié)果作為數(shù)字電路的控制信一號。時鐘信號源的標準周期Tc 作為測量時間間隔的標準時間。它是由內(nèi)部的兩個反向器以及外部的RC組成的。其振蕩周期TC=2RCln1.5=2.2RC。(4). 顯示電路顯示部分可以將處理得出的信號在顯示器上顯示，讓人們直觀的看到被測體的質(zhì)量。本實驗采用LED數(shù)碼管，LED數(shù)碼管具有功耗低的特點。本設計中LED顯示電路采用4個1位的共陽數(shù)碼管。其原理圖如下： 圖2-6 共陽數(shù)碼管原理圖要點：（

16、1）.辨認引腳：芯片的第一腳，是正放芯片，面對型號字符，然后，在芯片的左下方為第一腳。（2）.關(guān)鍵點的電壓：芯片第一腳是供電，正確電壓是 DC-5V 。第 36 腳是基準電壓，正確數(shù)值是 100mV，第 26 引腳是負電源引腳，正確電壓數(shù)值是負的。芯片第 31 引腳是信號輸入引腳，可以輸入 ±199.9mV 的電壓。在一開始，可以把它接地，造成“0”信號輸入，以方便測試。（3）.注意芯片 27,28,29 引腳的元件數(shù)值，它們是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容網(wǎng)絡，這三個元件屬于芯片工作的積分網(wǎng)絡，不能使用磁片電容。芯片的 33 和 34 腳接的 104 電容也不能使用磁片

17、電容。（4）.注意接地引腳：芯片的電源地是 21 腳，模擬地是 32 腳，信號地是 30 腳，基準地是 35 腳，通常使用情況下，這 4 個引腳都接地。（5）.比例讀數(shù)：把 31 腳與 36 腳短路，就是把基準電壓作為信號輸入到芯片的信號端，這時候，數(shù)碼管顯示的數(shù)值最好是 100.0 ，通常在 99.7 100.3 之間，越接近 100.0 越好。這個測試是看看芯片的比例讀數(shù)轉(zhuǎn)換情況，與基準電壓具體是多少 mV 無關(guān)，也無法在外部進行調(diào)整這個讀數(shù)。如果差的太多，可以通過調(diào)節(jié)與36腳與+5V之間的電位器使36腳的電壓接近100mV。圖2-7 ICL7107的引腳圖及典型電路ICL7107的引腳圖

18、及典型電路以及各電阻電容參數(shù)如圖3-4-1所示四·安裝調(diào)試及測量數(shù)據(jù)分析1.組成本裝置由稱重傳感器、差分放大電路、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)碼顯示電路四部分組成，總體電路圖見附錄。R1R4為稱重傳感器的4片電阻，其中R1、R4為箔式電阻應變片。R5、R6與Rp1組成零調(diào)整電路（當載荷為零時，調(diào)節(jié)Rp1（原理圖中為R8）使數(shù)碼管顯示為零）。放大電路采用集成儀用放大器INA126P，電位器RG(原理圖中為R10)用來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。AD轉(zhuǎn)換器采用了ICL7107雙積分型AD轉(zhuǎn)換器。顯示屏采用4個單位共陽極數(shù)碼管。根據(jù)電路圖將個單元電路中各部件焊接在印制板上。2.各單元電路安裝及數(shù)據(jù)測量過程（1） A/

19、D轉(zhuǎn)換電路及數(shù)碼管顯示單元電路的安裝及數(shù)據(jù)測量將A/D轉(zhuǎn)換電路及數(shù)碼管顯示電路焊接好后，對此部分電路進行測試：將1腳接+5V電壓，26腳接-5V電壓，21腳與30腳短接并接地，調(diào)節(jié)電位器R4的阻值使36腳電壓為100mV。把 31 腳與 36 腳短路，實驗中觀察到此時數(shù)碼管顯示在100與100.2間跳動，在正常范圍99.7-100.3實驗，說明芯片狀況良好。斷開31與36引腳，向31腳加不同的電壓信號，觀察數(shù)碼管顯示情況，得到一組數(shù)據(jù)如下表所示表1-2 A/D轉(zhuǎn)換電路輸入信號及數(shù)碼管顯示關(guān)系31腳輸入電壓Vin(mV)38.578.0117.2數(shù)碼管顯示3958011202由上表可知，ICL7

20、107在誤差允許范圍內(nèi)比例關(guān)系很好，基本滿足了數(shù)碼管顯示與輸入電壓數(shù)值上10倍的關(guān)系（2） 差動放大電路單元安裝及數(shù)據(jù)測量在INA114P的1、8兩個引腳跨接10k電位器RG(原理圖中為R10)。所有焊點焊好后將4腳接-5V，7腳接+5V，5腳接地，然后從2、3腳給輸入信號，注意正負極性，測量6腳與5腳之間的輸出信號。測出一組輸出數(shù)據(jù)如下表所示：表1-3 差動發(fā)達電路輸入與輸出關(guān)系表VIN(mV)0.41.01.6VO（mV）38.578.0117.2由上表可算得差放的放大倍數(shù)為：82.5由公式G=5+80kRG可算得RG=1.03K（3） 傳感器電路安裝及數(shù)據(jù)測量按電路圖焊接好箔式電阻應變片

21、E350ZAA與調(diào)零電路。在E350ZAA兩端加上+5V電壓，用萬用表測量輸出端信號，當應變片上不受力時調(diào)節(jié)Rp1，使輸出電壓為零。在應變電阻傳感器上放質(zhì)量不同的重物，記錄輸出電壓信號。由于實驗室中只有3個標準400g重物，因此連同不放重物時只能得到傳感器電路3組輸入輸出數(shù)據(jù)，見下表：表1-4傳感器所放重物質(zhì)量與輸出電壓信號關(guān)系重物質(zhì)量（g）04008001200輸出電壓（mV）00.41.01.6由表格可知：輸出電壓信號與傳感器所承受質(zhì)量近似成正比3.系統(tǒng)整體電路安裝及數(shù)據(jù)測量將各單元電路按照原理電路圖焊接起來組成整體電路，將+5V電源、-5V電源以及地端分別接在便攜式電子秤系統(tǒng)電路的響應輸

22、入端。調(diào)試過程：（1）首先在秤體上無負載時調(diào)整Rp1(原理圖中為R8)，使顯示器準確顯示零。（2）在秤體上放置400g重物，再調(diào)整Rp2(原理圖中為R10)，使數(shù)碼管顯示400。（調(diào)節(jié)Rp2增益比）（3）將重物拿下，觀察數(shù)碼管是否顯示在0附近。若相差超過20則繼續(xù)調(diào)節(jié)Rp1（原理圖中為R8）至0左右。（4）重新進行2、3步驟，直到數(shù)碼管顯示質(zhì)量誤差在20g以內(nèi)，越精確越好。 數(shù)據(jù)測量及計算過程電子秤所放重物質(zhì)量與數(shù)碼管顯示數(shù)值如下表所示表4-3-1 電子秤整體功能實現(xiàn)情況重物質(zhì)量（g）04008001200數(shù)碼管顯示數(shù)值-0023958011202根據(jù)表中所測量記錄的實際數(shù)據(jù)最大絕對誤差為：5g滿足設計要求測量精度不低于20g。五 結(jié)果分析通過對各單元電路的實測數(shù)據(jù)進行分析，可得出結(jié)論：各部分單元電路線性度都良好偏差較小，級聯(lián)后電子秤整體狀況良好，精度較高。實驗中仍然有誤差的存在，主要原因包括外界噪聲的干擾，萬用表測量誤差，儀用放大器零點漂移，電阻電容等器件精度不高等原因。六 結(jié)束語隨著集成電路和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大變化。越來越多的領(lǐng)域需要用到各