电子秤设计机械测试技术

1、摘要电子秤采用现代传感器技术、 电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量 要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程 控制的应用要求。本课程设计的电子秤是利用全桥测量原理， 通过对电路输出电压和标准重量 的线性关系， 建立具体的数学模型， 将电压量纲 V改为重量纲 g 即成为一台原始 电子秤。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。 电阻应变式传 感器是传感器中应用最多的一种， 本设计采用全桥测量电路， 使系统产生的误差 更小，输出的数据更精确。 而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模 拟信

2、号进行一定倍数的放大，以满足 A/D转换器对输入信号电平的要求。 A/D 转 换的作用是把模拟信号转变成数字信号， 进行模数转换， 然后把数字信号输送到 显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。关键词 : 一体化；全桥测量原理；传感器目录第一章 数字电子秤简介1.1 数字电子秤的基本原理 1第二章 数字电子秤的构成 22.1 传感器 错误！未定义书签。2.2 三运放大电路 22.3 间接比较型模式转换器ADC 32.4 CT74LS290 计数器介绍 62.5 集成二进制七段译码驱动器介绍 7第三章 设计总结 错误！未定义书签。第四章 附录 10第五章. 参考文献 13一、数字电子秤简介

3、电子秤采用现代传感器技术、 电子技术和计算机技术一体化的电子称量 装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量 要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程 控制的应用要求。1.1 数字电子秤的基本原理数字电子秤一般由以下 5 部分组成：传感器、信号放大系统、数转换系统、 显示器、和量程切换系统。其原理图如图 1.1 所示。图 1.1 原理图 电子秤的测量过程实际是通过传感器将被测物体的重量转换成电压信号输 出，放大系统把来自传感器的微弱信号放大， 放大后的电压信号经过模数转换把 模拟信号转换成数字量，数字量通过显示器显示重量。第二章、数字电子秤的构

4、成2.1 传感器电子秤传感器的测量电路通常使用桥式测量电路， 它将应变电阻值的变化 转换为电压或电流的变化，这就是传感器输出的电信号。电桥电路有四个电阻， 其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压 Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电 桥输出为零， 或则就有电压输出， 可利用灵敏检流计来测量， 所以电桥能够精确 地测量微小的电阻变化。测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节， 在制作的过程中应尽量选 择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。图 2.1 全桥测量电桥图(其中 激励电压 : 9VDC 12VDC

5、 输入阻抗: 405 10 极限过载范围 : 150%；使用温度范围 : -20 +602.2 三运放大电路本次课程设计中， 需要一个放大电路，V0 输出为 02mv)灵敏度: 2 0.1mV/V输出阻抗: 350 3安全过载范围 : 120%我们将采用三运放大电路， 主要的元件就是三运放大器。 在许多需要用 A/D转换和数字采集系统中， 多数情况下， 传 感器输出的模拟信号都很微弱， 必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放 大，才能满足 A/D转换器对输入信号电平的要求， 在此情况下， 就必须选择一种 符合要求的放大器。图 2.2 三运放大电路结构图为使系统产生的误差更小，传统上，设计秤

6、重、测力、转矩及压力测量系统时， 输出的数据更精确广泛采用全桥接电阻传感器的方法。本设计采用全桥测量电 路。大多数桥接传感器都要求较高的激励电压（通常为 10 V），同时输出较低的 满量程差动电压，约为 2 mv/v。传感器的输出通常由仪表放大器加以放大。2.3 间接比较型模式转换器 ADC2.3.1 双积分 ADC简介间接比较型 A/D 转换器是先将模拟信号电压变换为相应的某种形式的中间 信号，然后再将这个中间信号变换为二进制代码输出。双积分式 ADC 就是一种 首先将输入的模拟信号变换成与其成正比的时间间隔， 然后再在这段时间间隔内 对固定频率的时钟脉冲信号进行计数的 A/D 转换器，所获

7、得的计数值就是正比 于输入模拟信号的数字量。图 2.3.1 原理图双积分 ADC 电路由积分器、 比较器、计数器、参考电压源、 电子切换开关、 逻辑控制及 CP 信号几部分组成，原理框图和积分波形如图 2.3.1,2.3.2示。图 2.3.2 积分波形图图 2.3.2 所示为双积分 ADC 原理图，图中 S0，S1 为模拟开关，控制逻辑包 括一个 n为计数器，附加触发器 Fc，模拟开关驱动电路 L0，L1及门 G1，G2等。转换开始前，令转换控制信号 Vs=0 计数器和附加触发器均置 0，S0 闭合， 电容器充分放电， V01=0。当 Vs=1 以后,S0断开， A/D 转换开始。分下面两个阶

8、 段：1) 通过2次积分将 Vi转换成相应的时间间隔。转换开始时 t=0,S 1与Vi接通，2) Vi 通过 R对C充电，积分器输出电压负向线性变化，积分器对 Vi在 0t1 时间积分。t1Vi当 t=t 1 时, V 01(t1)Vidtt10RC式中， Vi为 0t 1时的输入模拟电压的值。t2，完成 A/D 转换。通过 R 对C 反向充电， V01逐渐上升，3) 量化编码阶段。利用计数器对已知的时钟脉冲计数至 从 t=t1 开始，S1 与参考电压 VREF 接通， 经 t2t1 时间间隔， V0=0。t(Ft (t 2t 2ViV 0 1(t 2) V 0t(1 )1 t VR EdF

9、t t1RC所以 T2 t 2 t 1 t1 ViVREF因为 VREF 和 t 1为定值，所以 T2与 Vi 成正比，即将 Vi变换为与它成正比的时间间隔在 T2 阶段，将 CP(周期为 Tc)送入计数器计数，则 N TTc2t1ViTc VREF图 2.3.3 双积分 A/D 装换器原理图由此可见，计数器计数所获得的数字量正比于输入模拟电压。双积分 A/D 转换器工作波形如图 2.3.4 所示。它具有工作性能稳定的优点， 输出数字量与积分器时间常数无关， 对干扰（如工频干扰等） 有很强的抑制作用， 但该电路转换速度低。图 2.3.4 双积分 A/D 装换器工作波形图2.4 CT74LS29

10、0计数器介绍由双积分 A/D 装换器转换出的数字脉冲进入 CT74LS290计数器中进行计数进 位计算其工作原理如下当输入第 1 9 个脉冲时，百分位片计数；十分位片、个位片、十位片的 CP0 未出现脉冲下降沿，因而保持计数“ 0”状态不变；当输入第 10 个脉冲时，百分位片返回计数 “0”状态，其 Q3 输出一个下 降沿使十位片计数 “1”，因此输出读数为 Q3 Q2 Q1 Q0 Q3 Q2 Q1 Q0 = 00010000 ， 即计数 “0. 10”。当输入第 11 19 个脉冲时， 仍由百分位片计数， 而十分位片保持 “1” 不变，即计数为“ 11 19”；当输入第 20 个脉冲时，个位

11、片返回计数“ 0” 状态，其 Q3 输出一个下降沿使十位片计数“ 2”，即计数为“ 0. 20”。以后以 次类推。当输入第 101109个脉冲时，十分位片计数； 个位片的 CP0 未出现脉冲下 降沿，因而保持计数“ 0”状态不变；当第110个脉冲时，十分位片返回计数 “0”状态Q 3输出一个下降沿使个 位片计数 “1”， 因此输出读数为Q 3Q 2Q 1Q 0Q 3Q 2Q 1Q 0Q3Q2Q1Q0=000100000000，即计数“1.00”当输入第 111119 个脉冲时，仍由十分位片计数，而个位片保持“1”不变，即计数为“ 111 119”； 当输入第 120 个脉冲时，十分片返回计数“

12、 0” 状态Q 3输出一个下降沿使十位片计数“ 2”，即计数为“2 .0 0”。以后以次类 推。由个位向十位进位时步骤和上面一样。综上所述，该电路构成 10000 进制四位异步加法计数器。图 2.4 计数器工作原理图2.5 集成二进制七段译码驱动器介绍输出的信号分别 Q 3 Q0 进入集成二进制七段译码驱动器中，集成二进 制七段译码驱动器的使用端 BI/RBO、LT和 RB的功能如下所述：消隐（灭灯）：输入 BI 在低电平时有效。当 BI 为低电平时，不论其余输入 状态如何，所有输出无效，数码管七段全暗， 无显示。可用来使显示的数码闪烁， 或与某一信号同时显示。在译码时， BI 应接高电平或悬

13、空（ TTL）。灯测试（试灯）：输入 LT 在低电平时有效。在 BI/RBO为高电平的情况下， 只要 LT 为低电平，无论其输入时什么状态， 所有输出全有效， 数码管七段全亮。 可用来检验数码管、译码器和有关电路有无故障。在译码时， LT 应接高电平或 悬空（ TTL）。脉冲消隐（动态灭灯）：输入 RBI高电平或悬空 （TTL）时，对译码器无影响。 在 BI 和 LT 全为高电平的情况下， 当 RBI 为低电平时， 若输入的数码是十进制的 零，即 0000，则七段全暗，不加以显示；若输入的数码不是十进制的零，则照 常显示。显示数码时，有些零可不显示。例如， 003.80 中百位的零可不显示，则

14、十位的零也可不显示。小数点后第二位的零，如不考虑有效数字的零称为冗余零。 脉冲消隐输入 RBI 为低电平，就可使冗余零消隐。脉冲消隐 （动态灭灯）：输出 RBO和消隐输入 BI 共用一个管脚， 当它用作输 出端时，与 RBI配合，共同使冗余零消隐。以 3 位的十进制的零是否要显示，取 决于百位是否为零，有否显示。这就将要用图（ 8）电路中的 RBO进行判断。在 RBI和A3、A2、A1、A0全为低电平时， RBO输出低电平；否则，输出高电平。百 位为零（及百位的 A3、A2、 A1、A0 全为低电平），而且被消隐（及百位的 RBI 也为低电平），则百位的 RBO和十位的 RBI全为低（因为二者

15、连在一起） ，其余数 码照常显示。若百位不是零，或是未使零消隐， 则百位的 RBO和十位的 RBI全为 高电平，使十位数的零不具备消隐条件，而好其他数码一起照常显示。 74ls48 引脚功能表七段译码驱动器功能几设计总图见附录图 2.5.1 74LS48驱动共阴极数码管原理图三、设计总结3.1 实验过程中遇到的问题及解决方法面包板测试 测试面包板各触点是否接通。 七段显示器与七段译码器的测量把显示器与 cd4511相连，第一次接时， 数码管完全没有显示数字， 检查后发 现是数码管未接地而造成的， 接地后发现还是无法正确显示数字， 用万用表检测 后，发现是因芯片引脚有些接触不良而造成的， 所以确

16、认芯片是否接触良好是非 常重要的一件事。时间计数电路的连接与测试 六进制、十进制都没有什么大的问题，只是芯片引脚的老问题，只要重新插 过芯片就可以解决了。 但在六十进制时， 按图接线后发现， 显示器上的数字总是 100 进制的，而不是六十进制，检测后发现无论是线路的连通还是芯片的接触都 没有问题。最后，在重对连线时发现是线路接错引脚造成的，改过之后，显示就 正常了。校正电路 因上面程因引脚接错而造成错误，所以校正电路是完全按照仿真图所连的， 在测试时，开始进行时校时时，没有出现问题，但当进行到分校时时，发现计数 电路的秒电路开始乱跳出错。因此，电路一定是有地方出错了，在反复对照后， 发现是因为

17、在接入校正电路时忘了把秒十位和分个位之间的连线拿掉而造成的， 因此，在接线时一定要注意把不要的多余的线拿掉。四 . 附录74ls48 引脚功能表七段译码驱动器功能表十进数输入BI/RBO输出备注 /TD或功能LTRBID C B Aabcdefg0HH0 0 0 0H11111101Hx0 0 0 1H01100002Hx0 0 1 0H11011013Hx0 0 1 1H11110014Hx0 1 0 0H01100115Hx0 1 0 1H10110116Hx0 1 1 0H00111117Hx0 1 1 1H111000018Hx1 0 0 0H11111119Hx1 0 0 1H111001110Hx1 0 1 0H000110111Hx1 0 1 1H001100112Hx1 1 0 0H010001113Hx1 1 0 1H100101114Hx1 1 1 0H000111115Hx1 1 1 1H0000000BIxxx x x xL0000000210RBIHL0 0 0 0L00000003LTLxx x x xH1111111411Vco五、参考文献1. 高吉祥等 . 电子技术基础试验与课程设计 . 北京 . 电子工业出版社2002.22. 黄瑞祥等 . 数字电路识读