便攜式電子秤的設計

1、電子電路綜合實驗總結報告便攜式電子秤的設計班 級: 20110821 學 號: 2011082102 姓 名: 鄧為丹 指導老師: 張文旭 實驗日期: 2013年5月成 績: 信息與通信工程學院一、任務要求手提電子稱具有稱重精確度高，簡單實，攜帶方便成本低，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。本設計主要任務是設計一個LED或LCD顯示的便攜式電子稱。二、設計要求極其指標 1、稱重范圍為20g2kg; 2、堅定分度值：級（檢定分度值在一百到一千之間）； 3、顯示分辨力：1g; 4、采用電阻應變式傳感器檢測物體重； 5、采用模擬數字電路構建系統(tǒng)，完成主要電

2、路設計，包括了傳感器電路，差動放大電路，A/D轉換電路以及顯示電路等； 6、顯示電路采用LED數碼管進行顯示；三、方案設計與論證1、方案一 首先，利用由電阻應變式傳感器組成的測量電路測出物質的重量信號。其次，由差動放大器電路把傳感器輸出的微弱信號進行一定倍數的放大，然后送入A/D轉換電路中。再由A/D轉換電路把接收到的模擬信號轉換成數字信號，傳送到顯示電路，最后由顯示電路顯示數據。 電阻應變式傳感器就是將被測物理量的變化轉換成電阻值的變化 , 再經相應的電路轉化為電壓差值。我們用電阻應變式傳感器E350-ZAA作為測量電路的核心。差動放大電路將由測量電路傳過來的電壓差值放大，再將放大電壓傳送給

3、A/D轉換電路。本模塊我們采用INA114AP做為核心元件。A/D轉換電路主要采用ICL7107將模擬信號轉換為數字信號并通過LED數碼管顯示。方案一優(yōu)缺點：優(yōu)點：本設計無復雜的程序，由硬件搭建，各部分分工明確。在進行系統(tǒng)調試及故障查詢時可分級測試。缺點：芯片成本較高，無拓展功能。2、方案二： 稱重傳感器根據壓力的變化提供相應的線性變化的電信號，該電信號經過高精度差動放大器放大。輸入給雙積分型模數轉換器。轉化為數字信號，數字信號可直接由單片機以串行方式讀入。 單片機選用STC89C51型單片機，P0口定義為輸出口，其中P0.0P0.6輸出要顯示數據的段碼。P1口中的P1.0P1.3也定義為輸出

4、，顯示輸出數據的位碼。顯示器用動態(tài)掃描。方案二優(yōu)缺點：優(yōu)點：與方案1不同的是，A/D轉換器后面利用單片機實現顯示控制，該方案具有較好的控制性和靈活性。比如在顯示壓力的同時，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。缺點：系統(tǒng)的組成模塊相對較多，在進行系統(tǒng)調試時可能會出現較多問題。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。3、方案三：壓力傳感器實現壓電轉換，將壓力轉換為電信號。經過高精度差動放大器放大后，輸入給模數轉換器，轉化為數字信號，由該數字信號控制編碼器的編碼，從而控制數碼管顯示。方案三優(yōu)缺點：優(yōu)點：本設計無復雜的程序，由硬件搭建，各部分分工明確。在進行系統(tǒng)調試及

5、故障查詢時可分級測試。缺點：數碼管與編碼器的電路比較繁雜，在實際焊接中容易因為短路或虛焊而出現問題。 4、方案四： 本設計方案采用了電容傳感器，利用參考電容進行測量補償，并利用555多諧振蕩器將電容變化量轉換成頻率的變化量。定時器采用了ICM7556，該芯片是CMOS型定時器，具有最大負載電流小，功耗低的特點。數據選擇器采用SN74HC157，是具有公共選通輸入端的四2選1數據選擇器，只用其中一組數據選擇。數據選擇端由單片機控制，其中單片機選用PIC16F877。方案四優(yōu)缺點：優(yōu)點：本方案用電容作為敏感元件，更加靈敏，且運用定時器，數據選擇器等使結果更加精確，并且有鍵盤開關。缺點：使用芯片多，

6、成本高，對編程能力及芯片的理解運用能力有很高要求。5、4種方案設計優(yōu)缺點比較及方案的選擇：優(yōu)點缺點方案一易于檢查、模塊最少、電路簡單功能單一方案二有較強的控制性和靈性、擴展能力強成本高、制作困難方案三易于檢查模塊較多、電路復雜、功能單一方案四靈敏，精確，拓展能力強成本高、對芯片理解運動能力強鑒于本實驗僅要求實現一個普通功能的電子秤，沒對其有更高的要求，所以方案二和方案四并不是十分合適，它們的制作流程過于復雜，難以調試，且成本較高。所以這里并不采用方案二和方案四。對于方案三，它的電路連接與方案一相比較為復雜。且功能模塊也較多，沒有方案一易于調試。成本也相對較高。這里也不采用。由上表可知選取方案一

7、最為合適，其制作流程相對簡單，并可完成實驗所要求指標，但其他方案可適用于其他領域的實驗要求。綜上，本次實驗選擇了設計方案一為最終的設計方案。四、單元電路設計與分析1、電阻應變式傳感器電路電阻應變式傳感器可將被測物理量的變化轉換成電阻值的變化 , 再經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。并應根據測量對象的要求，恰當地選擇精度和范圍度。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件的表面上時，則敏感元件將隨構件一起變形，其電阻值也隨之變化，而電阻的變化與構件的變形保持一定的線性關

8、系，進而通過相應的二次儀表系統(tǒng)即可測得構件的變形。通過應變計在構件上的不同粘貼方式及電路的不同聯接，即可測得重力、變形、扭矩等機械參數 2）電阻應變式傳感器的測量電路：圖5 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5所示。它由箔式電阻應變片電

9、阻R1、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，組成零調整電路，當載荷為0時，調節(jié)RP1使數碼顯示屏顯示零。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6 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：R1=R2=R3=R4=R; R5=R6;R1=R4=R傳感器輸出的電壓為：U=14E(R1R1+R4R4)=E*R2R2、差動放大電路

10、：本次設計中，要求用一個放大電路，即差動放大電路，主要的元件就是差動放大器。在許多需要用A/D轉換和數字采集的單片機系統(tǒng)中，多數情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數的放大，才能滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求，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，我們這里使用一種用途非常廣泛的放大器，就是典型的差動放大器INA114AP。它只需高精度和幾只電阻器，即可構成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應用于工業(yè)自動控制、儀器儀表、電氣測量等數字采集的系統(tǒng)中。本設計中差動放大電路結構圖如下：圖7 差動放大電路結構圖放大倍數的推導過程：I=

11、Vi1-Vi2R7VO=(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，就是典型的差動放大器INA114AP。它只需高精度和幾只電阻器，即可構成性能優(yōu)越的儀表用放大器。其原理圖如下：圖8 放大器INA114AP原理圖3、A/D轉換及顯示電路：A/D轉換的作用是進行模數轉換，把接收到的模擬信號轉換成數字信號輸出。在選擇A/D轉換時，先要確定A/D轉換的位數，該設計運用的是雙積分式A/D轉換器ICL7107，A/D轉換誤的位數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

12、，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轉換器以及輸出電路等。1）ICL7107雙積分型的A/D轉換器的特點：ICL7107是31/2位雙積分型A/D轉換器，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，轉換精度為0.05±1個字。能直接驅動共陽極LED數碼管，不需要另加驅動器件，使整機線路簡化，采用±5V兩組電源供電，并將第21腳的GND接第30腳的IN 。在芯片內部從V+與COM之間有一個穩(wěn)定性很高的2.8V基準電源，通過電阻分壓器可獲得所需的基準電壓VREF 。能通過內部的模擬開關實現自動調零和自動極性

13、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共陽極數碼管，就能構成一只直流數字電壓表頭。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點驅動信號。使用時可將LED共陽極數數碼管公共陽極接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

14、電極的驅動端，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。第38腳至第40腳電容量的選擇是根據下列公式來決定：fosl=0.45/RC 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，該端經過500歐姆電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱“邏輯地”或“數字地”。當其接高電平時數碼管全亮。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，必須選擇溫度系數小不致使積分器的輸入電壓產生漂移現象的元件IN和IN- ：模擬量輸入端，分別接輸入信號的正端和負

15、端。AZ：積分器和比較器的反向輸入端，接自動調零電容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轉換器ICL7107是一種間接A/D轉換器。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，進而得出相應的數字性輸出。它的原理性框圖如圖2所示，它包括積分器、比較器、計數器，控制邏輯和時鐘信號源。積分器是A/D轉換器的心臟，在一個測量周期內，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，比較的結果作為數字電路的控制信一號。時鐘信號源的

16、標準周期Tc 作為測量時間間隔的標準時間。它是由內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、LED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量。本實驗采用LED數碼管，LED數碼管具有功耗低的特點。本設計中LED顯示電路采用4個1位的共陽數碼管，型號：LG5011BSR 圖9 共陽數碼管原理圖要點：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）關鍵點的電壓：芯片第一腳是供電，正確電壓是DC5V。第36腳是基準電壓，正確數值是100mV，第26引腳是負電源引腳，正確電壓數值是

17、負的，在-3V至-5V都認為正常，但是不能是正電壓，也不能是零電壓。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引腳的元件數值，它們是0.22uF,47K,0.47uF阻容網絡，這三個元件屬于芯片工作的積分網絡，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：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

18、，數碼管顯示的數值最好是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轉換情況，與基準電壓具體是多少毫伏無關，也無法在外部進行調整這個讀數。如果差的太多，就需要更換芯片了。ICL7107的引腳圖及典型電路以及各電阻電容參數如圖11所示：圖10 ICL7107的引腳圖及典型電路五、 安裝調試及測量數據分析1、 測試儀器與設備（1）萬用表 （2）電源：EM1712 DC （3）標準重物（砝碼）2、 電阻應變式傳感器電路按電路圖焊接好箔式電阻應變片E350ZAA與調零電路。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

19、節(jié)平衡電路中的RP1，使得傳感器輸出差分信號（綠線和白線）電壓為零。在應變電阻傳感器上放質量不同的重物，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組輸入輸出數據，見下表：重物質量（g）04008001200輸出電壓（mV）00. 81.52.1表1 傳感器所放重物質量與輸出電壓信號關系由表格可知：輸出電壓信號與傳感器所承受質量近似成正比。3、差動放大電路單元安裝及數據測量在INA114P的1、8兩個引腳跨接10k電位器RG,焊接之前使用萬用表測得阻值為1.29k。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，

20、注意正負極性，測量6腳與5腳之間的輸出信號。測出一組輸出數據如下表所示：VIN(mV)0.51.52.53.55.0VO（mV）19.560.299.1140.5199表2 差動發(fā)達電路輸入與輸出關系表圖11 差動放大電路VO-VIN曲線將Y軸截距設為0后可從圖表中得出擬合直線斜率為39.882。根據差動放大電路放大倍數理論公式G=1+50kRG可算得理論放大倍數為39.76，實際值與理論值的誤差約為0.31%。4、A/D轉換電路及數碼管顯示單元電路的安裝及數據測量將A/D轉換電路及數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30腳短接并接地，調

21、節(jié)畫的那個變阻器RP3阻值使36腳電壓即參考電壓為100mV。將輸入端36腳加入100mV模擬電壓，即把31腳與36腳短路，實驗中觀察到此時數碼管顯示在98.6與98.7間跳動，離正常范圍99.7-100.3雖有一些差距，但芯片狀況良好，可以使用。5、整體電路安裝及數據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)電路的響應輸入端。調試過程如下：1）首先在秤體上無負載時調整RP1，使顯示器準確顯示零。2）在秤體上放置400g重物，再調整Rp2，使數碼管顯示400。3）將重物拿下，觀察數碼管是否顯示在0附近。若相差超過20則繼續(xù)調節(jié)R

22、P1至0左右。4）重新進行2、3步驟，知道數碼管顯示質量誤差在20g以內，越精確越好。5）將3個400g的標準砝碼置于傳感器上，測試并記錄下不同重量的測試值，并記錄下此時差放6腳對地的電壓：標準重量（g）04008001200測試顯示數值-0034048031197相對誤差0.99%0.37%0.25%6腳對地電壓值2.8mV40.3mV79.8mV119.5根據表中所測量記錄的實際數據可以計算出電子稱的誤差：Xmax=4gr=XmaxXn*100=0.99六、結果分析1、數據分析：（1） A/D轉換及LED顯示電路的調試部分，數碼管顯示為986-97，與1000接近，符合要求；（2） 放大電

23、路調試部分，放大倍數為：39.882，理論值為：39.76，誤差為（39.882-39.76）/39.76=0.31%；（3） 整體調試部分，最大誤差約為0.99%。按照100mV與示數1000的對應關系,可知實際測試的數據與實際重量基本符合，其相對誤差較小，基本符合要求。2、 誤差分析：（1）電阻應變式傳感器本身存在誤差，變化不靈敏，懸掛重物取消后需要恢復時間。其次其本身有重力，不同情況下放置支持點不同零輸入顯示不同。（2）放大器放大倍數不穩(wěn)定，使顯示有波動以及放大器的零點漂移。實驗用的ICL7107芯片存在一定的系統(tǒng)誤差。（3）所用元件與標稱值之間存在誤差。（4）焊接過程的操作帶來的誤差。

24、（5）外界噪聲的干擾。（6）測試時使用萬用表測量誤差。 3、實驗中遇到的問題及解決辦法：（1）進行A/D轉換及LED顯示電路的調試時36管腳無法調至100mV，顯示屏上也無法顯示出1000。首先檢查7107外圍電路是否正確，在第一次檢查中未發(fā)現錯誤；其次，檢查芯片是否有問題，更換正確芯片后問題仍然存在，說明我的電路焊接上確實有問題；最后，我又排查了一遍電路，發(fā)現36管腳的滑動變阻器進行了虛焊，重新焊接后，故障解除。（2）在調試時，INA114的輸出電壓始終不變，無論怎么改變RP2都沒有效果，這個值已經超出了測試范圍，然后還是檢查電路，最終是因為電位器RP2損壞，整個RP2短路，已無調節(jié)作用。（

25、3）LED數碼管顯示時有b2和b3不亮，我以為是電路焊接錯誤，經過兩邊排查，沒有發(fā)現焊接錯誤，最終發(fā)現數碼管和插座的接觸不良導致，將數碼管插至某個角度和位置時才會發(fā)光。七、心得體會：本次實驗，我完成了一個小型電子秤，電子稱的構造并不難，但完成的過程卻并不容易，因此在成功完成時很欣喜。電子秤是由四個部分緊密連接在一起的。因此，只有充分了解有關集成芯片、傳感器以及各部分之間的關系才能達到要求。首先是傳感器的精密度，它將直接影響電子秤的稱重準確度。課程設計時由于傳感器發(fā)出的信號不是很穩(wěn)定，所以稱重時數碼管有一定范圍內的數據跳動。如果使用精密度較高的傳感器，效果會好的多。其次是數據采集處理階段，此階段是對傳感器發(fā)出的信號進行量化、采集，主要分為信號放大、采集，然后進行A/D轉換。該階段需注意的地方是對傳感器輸出的信號進行放大時，應選取合適的運算放大電路。最好是預先計算好應放大