測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)之電子稱設(shè)計(jì)

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一、設(shè)計(jì)任務(wù)

1、題目：電子秤的設(shè)計(jì)

1．確定結(jié)構(gòu)

電子秤由傳感器、傳感器專用電源、信號(hào)放大系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及顯示器等五部分組成，其原理框圖如指導(dǎo)書(shū)圖4所示。

2．設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：1）量程為0～1.999Kg，

2）傳感器可采用懸臂梁式的稱重傳感器（懸臂梁上貼有應(yīng)變片）。

13）顯示電路采用3為A/D轉(zhuǎn)換電路、共陰級(jí)數(shù)碼管。

22、設(shè)計(jì)任務(wù)

1）選擇傳感器

2）設(shè)計(jì)傳感器測(cè)量電路：尋常用電橋測(cè)量電路。3）放大電路設(shè)計(jì)

由于傳感器測(cè)量范圍是0～2Kg，假定選擇的某款傳感器的靈敏度為1mV/V、工作電壓為10V，那么其輸出信號(hào)只有0-10mV左右；而A/D轉(zhuǎn)換的輸入應(yīng)為0-1.999Kg，當(dāng)量為1mV/g，因此要求放大倍數(shù)約為200倍，一般采用兩級(jí)放大器。另外，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程，應(yīng)考慮電路抗干擾環(huán)節(jié)、穩(wěn)定性。選擇低失調(diào)電壓、低漂移、高穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性的芯片。最終，電路中還應(yīng)有調(diào)零和調(diào)增益的環(huán)節(jié)，才能保證電子秤沒(méi)有稱重時(shí)顯示零讀數(shù)，稱重時(shí)讀數(shù)正確反映被秤重量。

4）模數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)

A/D轉(zhuǎn)換器可選擇MC14433，也可另選。

4）供電電源：設(shè)計(jì)一個(gè)可滿足本設(shè)計(jì)需求的電源。二、設(shè)計(jì)方案

1、電子秤的主要組成

電子秤由傳感器、傳感器專用電源、信號(hào)放大系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及顯示器等五部分組成，其原理框圖如圖4所示。

傳感器放大系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換顯示器傳感器專用電源

圖4電子秤組成框圖

傳感器將被測(cè)物體的重量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，放大系統(tǒng)把來(lái)自傳感器的微弱信號(hào)放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換把模擬數(shù)字量，數(shù)字量通過(guò)數(shù)字顯示器顯示重量。

2、方案的選用

方案一：采用應(yīng)變式電阻稱重傳感器，將被測(cè)物體的重量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，然后采用AD620差動(dòng)電路放大器把來(lái)自傳感器的微弱信號(hào)放大，然后將放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)MC14433模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最終經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)掃描將數(shù)字量通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)，顯示出來(lái)的數(shù)字就是被測(cè)物體的重量。

方案二：設(shè)計(jì)以51系列單片機(jī)AT89S52為控制核心，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，為了更好地采用模塊化設(shè)計(jì)法，分步的設(shè)計(jì)各個(gè)單元功能模塊，系統(tǒng)的硬件部分可以分為最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互界面和系統(tǒng)電源四大部分。最小系統(tǒng)部分主要包括AT89S52和擴(kuò)展的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號(hào)的前級(jí)處理和A/D轉(zhuǎn)換部分組成，包括運(yùn)算放大器AD620和A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135；軟件部分應(yīng)用單片機(jī)C語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計(jì)的全部控制功能。

通過(guò)對(duì)兩種方案的對(duì)比，考慮到電子秤的稱重確切度、簡(jiǎn)單實(shí)用性、測(cè)量確鑿性和分辯率，以及方案的可行性和操作性等各方面，我們選取方案一進(jìn)行電子稱的設(shè)計(jì)。

三、分模塊設(shè)計(jì)：傳感器工作原理，放大電路，轉(zhuǎn)換模塊，顯示模塊系統(tǒng)電源

1、電子秤的工作原理

電子秤主要是由電橋電路及電阻應(yīng)變式傳感器組成，在現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中往往需要將非電量利用傳感器轉(zhuǎn)變成電量后再進(jìn)行測(cè)量。電阻應(yīng)變式傳感器是一種利

用金屬電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。

1）應(yīng)變式電阻傳感器原理

測(cè)量力時(shí)，可將電阻應(yīng)變片粘貼在承受被測(cè)力的彈性元件上。當(dāng)力作用在彈性元件上時(shí)，它將產(chǎn)生應(yīng)變，通過(guò)粘貼膠將此應(yīng)變傳遞給電阻應(yīng)變片，使應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變化，此現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。由于彈性元件的應(yīng)變與所承受的力的大小成比例，所以應(yīng)用橋式測(cè)量電路測(cè)出電阻應(yīng)變片的電阻變化值即可測(cè)出力的大小。

導(dǎo)體的電阻值可以用下式計(jì)算

R?l?S當(dāng)此應(yīng)變片兩端受拉或受壓以后，它將發(fā)生變化，對(duì)上式進(jìn)行微分，得

?R?l?S?????RlS?最終通過(guò)簡(jiǎn)化得到

?R?K?R其中稱K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，對(duì)于一定材料，它是常數(shù)。???l稱為應(yīng)變。l通過(guò)上式可看出，電阻變化與應(yīng)變片的應(yīng)變是成比例的。通過(guò)測(cè)量電阻的變化，就可測(cè)出應(yīng)變，也就可以測(cè)出受力了。為了顯示與記錄應(yīng)變的大小，還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，因此，需要有專用的測(cè)量電路，尋常采用直流電橋和交流電橋。

2)非平衡電橋的工作原理

在測(cè)量中往往會(huì)由于待測(cè)信號(hào)很小，所以用一般的測(cè)量?jī)x表較難直接測(cè)量，因此常把它轉(zhuǎn)換成電壓變化后再用電測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)定，這正是利用電橋電路來(lái)進(jìn)行這種變換的。

非平衡電橋是利用電橋輸出電流或電壓與電橋各參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量的，常用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)對(duì)象。為了消除非線性誤差，在實(shí)際中常采用差動(dòng)電橋。本次設(shè)計(jì)我們采用差動(dòng)半橋式測(cè)量電路，電路圖如圖3

在圖3中有兩個(gè)應(yīng)變片，一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，它們的阻值變化大小相等，符號(hào)相反。工作時(shí)將兩個(gè)應(yīng)變片接在電橋相鄰臂內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)為半橋差動(dòng)電路，

當(dāng)對(duì)稱時(shí)，即R1?R2，R3?R4且?R1??R2，可導(dǎo)出半橋差動(dòng)電路的輸出電壓為

1?RU0半?U1

2R1這樣當(dāng)載荷W作用時(shí)，產(chǎn)生了

U0半??RU?K?U?2R1CW。這樣，2U0半?其中應(yīng)變??AW，A為常數(shù)。若保持U不變，令C=KAU，

通過(guò)測(cè)量輸出電壓U0，就可測(cè)出載荷W。

2、放大電路的設(shè)計(jì)：

由于傳感器測(cè)量范圍是0～2Kg，靈敏度為1mV/V,其輸出信號(hào)只有0-10mV左右；而A/D轉(zhuǎn)換的輸入應(yīng)為0-1.999Kg，當(dāng)量為1mV/g，因此要求放大倍數(shù)約為200倍，一般采用兩級(jí)放大器。

1）差動(dòng)放大電路

我采用雙放大模式，即前后分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求。我選用LM324四運(yùn)放，連接組成兩級(jí)差動(dòng)放大電路，初級(jí)放大電路如圖3

推導(dǎo)過(guò)程：I=

Vi1∞A1R8Vi1?Vi2R7ViR7IVo=(R8+R7+R8)I=(1+

R8Vo2R8)Vi，R7∞A2Vi2圖3初級(jí)放大電路2R則Avf=1+8

R7考慮到旋鈕旋轉(zhuǎn)的角度有限，若采用單級(jí)差動(dòng)放大，在放大倍數(shù)足夠的條件下，調(diào)理旋鈕的精度就會(huì)降低，調(diào)零的時(shí)候難以數(shù)顯為零，給測(cè)量帶來(lái)不必要的麻煩，同時(shí)，為保證經(jīng)放大的信號(hào)足夠大，采用又一級(jí)放大電路，來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的增益，這樣既滿足了放大倍數(shù)的要求，也使得旋鈕角度增加，調(diào)零更加簡(jiǎn)單，也可以是R8足夠大，第一級(jí)放大滿足倍數(shù)的要求，其次級(jí)只用來(lái)滿足調(diào)零的需要，即讓一級(jí)差動(dòng)放大調(diào)理在試驗(yàn)室溫度下，其次級(jí)的滑動(dòng)變阻器可以適當(dāng)縮小，這樣會(huì)使調(diào)零更加確鑿。

2）AD620放大器。

AD620是一種低耗高精度儀表放大器。僅需一個(gè)外接電阻即可得到1～1000范圍內(nèi)的任意增益；低功耗，最大電源電流1.3mA，?2.3V～?18V的電源電壓；最大輸入失調(diào)電壓125uV，最大溫度漂移1uV/℃，最大輸入偏移電流20nA；最小共模抑制比93dB（增益=10）；輸入電壓噪聲9nV（1KHz）；0.28uV噪聲（0.1Hz～10Hz）；帶寬120KHz（增益=100）；建立時(shí)間15us（0.01%）。AD620的增益是用電阻Rg來(lái)決定的，即用引腳1和8之間的阻抗來(lái)決定的。使用0.1%～1%的電阻，AD620就能提供確切的增益。對(duì)G（增益）=1，Rg引腳不連接（即Rg為無(wú)窮大）。其他的任何增益可按：

49.4K?G??1Rg計(jì)算。

（3.1）

3、模數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)

傳感器的輸出信號(hào)放大后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，該數(shù)字量由顯示器顯示。選擇MC14433.A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)碼管顯示器。

4、系統(tǒng)電源

在系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)完成之后，為了滿足系統(tǒng)的工作要求，系統(tǒng)電源需滿足以下幾種：+12V、-12V、+5V、-5V、+1V。其中+12V、-12V為運(yùn)算放大器AD620的工作電壓；+5V、-5V為A/D轉(zhuǎn)換器MC14433的工作電壓，+1V為其工作時(shí)的基準(zhǔn)電壓；其他各個(gè)芯片的工作電壓VCC均為+5V。

設(shè)計(jì)電路時(shí)，選用LM317和LM337型號(hào)的芯片為核心來(lái)設(shè)計(jì)電源電路。由LM317和LM337提供系統(tǒng)所需的直流穩(wěn)壓電源。LM317特性簡(jiǎn)介以及典型應(yīng)用電路如下：

特性：可調(diào)整輸出電壓低到1.25V；保證1.5A輸出電流；典型線性調(diào)整率0.01%；典型負(fù)載調(diào)整率0.1%；80dB紋波抑制比；輸出短路保護(hù)；過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)；調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)。

典型應(yīng)用電路參考如下：

圖3.13LM317典型應(yīng)用電路

最大輸出電流為2.2A，輸出電壓范圍為1.25～37V；1、2腳之間為1.25V基準(zhǔn)電壓；為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，R1應(yīng)小于240歐姆；改變R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值；二極管D1、D2用于保護(hù)LM317。LM337基本特性功能和用法類似于LM317。四、試驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)各方面的測(cè)試，我們組的電子稱實(shí)物能夠很好地實(shí)現(xiàn)要求的功能。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集的分析，我們對(duì)各種傳感器、放大器及A/D轉(zhuǎn)換器，以及信號(hào)的轉(zhuǎn)

換、傳輸有了更深的認(rèn)識(shí)。但是本次設(shè)計(jì)中我們還有如下問(wèn)題沒(méi)有更好的處理：

1、電子電路的設(shè)計(jì)中對(duì)各種影響因素的考慮不夠完全，譬如在對(duì)過(guò)電壓狀況的處理中未作防范措施。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)不夠優(yōu)化，有待改善。譬如沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)的超量程和欠量程信號(hào)設(shè)計(jì)報(bào)警電路。

3、對(duì)各種實(shí)用芯片價(jià)格了解不夠，選擇上任有欠缺，如所選的稱重傳感器價(jià)格較貴。五、感想

在這次課程設(shè)計(jì)中，我對(duì)傳感器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)有了更深入的了解，而且更重要的是又學(xué)到了好多新的知識(shí)，獲得了新的經(jīng)驗(yàn)。我從中學(xué)會(huì)了如何去做設(shè)計(jì)，深刻了解到團(tuán)隊(duì)精神的重要性，在這次的課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，在一些材料的選用，與其它同學(xué)進(jìn)行了交流，提高了自己的工作效率。

在如此短的時(shí)間。依靠個(gè)人能力是不可能完成如此繁瑣的資料查找與收集的。所以，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了同學(xué)之間的交流，大大增進(jìn)了我們班的凝聚力，協(xié)作的精神更強(qiáng)了。而且自己也學(xué)到了好多實(shí)際的有用的東西，相