传感器电子称

1、 传感器与检测技术课程设计说明书 电子秤的设计与制作 院 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 邓静 刘伟 吴志 刘志伟 罗仁甫 刘凯 指导教师： 王勇刚老师 专 业： 自动化 班 级： 自本1004班 完成时间： 2012年12月1日 简易电子称的设计及制作1. 设计的任务与要求 设计任务：用学过的传感器设计并制作一个能测量重量的装置，并能测量不大于1KG的物体，误差小于±1%。 设计要求：（1）画出电路原理图（或仿真电路图）；（2）元器件及参数选择；（3）编写设计报告并写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。 2.方案设计本设计分三个模块：数据采集及放大模块、模数（A/

2、D）转换模块、显示模块。本电路应用压敏电阻构成秤重电桥来采集电压的微小变化，经过仪表放大器AD623组成的放大电路放大后送入A/D转换芯片ICL7107，对输入电压信号进行转换成数字量输出；显示模块直接连接数码管构成，显示实际测量值。外部电路非常简单，方便制作。3. 原理设计 本电子称电路时通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片ICL7107进行A/D转换，由于此芯片可直接用于数字显示，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。此方案的优点是外部电路非常简单，但同能实现较高的精度。缺点是无法对A/D转换进行控制，其电路方框图如图1：数据采集电路显示电路放大电路A/D

3、转换电路图1数字电子称方案框图 电阻应变式传感器的原理：电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：电阻丝温度系数引起的，电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿

4、。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。单臂电桥测量电路中，将一个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1R2R3R4，其变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压UoUR/R。4. 电路设计 数字电子称从原理上讲应该算是一种典型的数字电路，可以由许多中小规模集成电路组成，所以可以分成几个独立的电路。 （1）电阻应变式传感器的测量电路常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.0

5、000010.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.00050.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。桥式测量电路有四个电阻，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+5V，另一个对角线为输出电压-5V。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，我们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。桥式电路图如图2所示：图 2 桥式测量电路

6、图它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1R2R3R4350，加热丝阻值为50左右，测量电桥的电源由稳压电源供给。将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RP，使数显表显示0.00V，就可以称重，成为一台原始的电子秤。 （2）放大电路AD623是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源（+3V到+12V)下提供满电源幅度的输出。它允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到更好的灵活性。符合8引脚的工业标准配置。在无外接电阻条件下，AD623被设置为单增益（G=1）。在外接电阻后，AD623可编程设置增益，增益最高可达1000倍。其电路图如图3所示： 图 3 放大电路A

7、D623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比（AC CMRR）而保持最小的误差。线路噪声及谐波将由于CMRR在高达200HZ时仍保持恒定。它有较宽的共模输入范围，可以放大具有低于地电平150mv共模电压信号。它在双电源（2.5至6V）仍能提供优良性能。低功耗，宽电源电压范围，满电源幅度输出，使AD623成为电池供电的理想选择。在低电源电压下工作时，满电源幅度输出级使动态范围达最大。它可以取代分立的仪表放大器设计，且在最小的空间提供很好的线性度，温度稳定性很可靠性。（3）A/D转化器一个电子秤系统最重要的参数是内部分辨率、ADC动态范围、无噪声分辨率、更新速率、系统增益和增益误差漂移。

8、该系统必须设计成比率工作方式，所以它与电源电压波动无关。ICL7106和ICL7107是高性能，低功耗三位半数字A/D转电路。它包含七段译码器，显示驱动器，参考源和时钟系统。ICl7107可直接驱动数码管，具有低于10µV自动校零功能，零漂小于1µV/°C低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。由于两个输入端最大承受电压为200mV因此要实现最大值为2000mV的显示可以用以下分压形式（本设计所采用的），ICL7107型A/D转换器是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模的CMOS集成电路，它具有功耗低、输入阻抗高、噪声低，能直接驱动共阳极LED显示

9、器，不需另加驱动器件，使转换电路简化等特点。其电路图如图4所示： 图 4 模数转换电路图由于所选用的芯片ICl7107已经具有译码功能，故在显示时只需要接上数码显示器即可用于显示。管脚分布如下表1所示：表1 ICl7107管脚说明端 名功 能V+和V-电源的正极和负极aUgUaTgTaHgH个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接至个位、十位、百位数码管的相应笔画电极abk千位笔画驱动信号，接千位数码管的a、b两个笔画电极PM负极性指示的输出端，接千位数码管的g段。PM为低电位时显示负号INT积分器输出端，接积分电容BUF缓冲放大器的输出端，接积分电阻AZ积分器和比较器的反相输入端，接自动调零电

10、容IN+、IN-模拟量输入端，分别接输入信号的正端与负端COM模拟信号公共端，即模拟地CREF外接基准电容端VREF+、VREF-基准电压的正端和基准电压的负端TEST测试端。该端经500电阻接至逻辑线路的公共地。当作“测试指示”时，把它与V+短接后，LED全部笔画点亮，显示数1888OSC1OSC2时钟振荡器的引出端，外接阻容元件组成多谐振荡器 （4）数码显示电路由于A/D转化选择的ICL7107，所以显示部分直接接入四个共阳极数码管即可，简单方便，容易操作。可以避免外接电路复杂的情况，同时也能很准确的显示出当前物体的重量。其电路图如图5所示,引脚图如图6所示。 图 6 数码管显示电路图图

11、5 一位一体数码管引脚图5. 安装调试 按图7连接电路图 图7系统电路总原理图 将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RP1，使数显表显示0.00V，就可以称重，成为一台原始的电子秤。这个电路主要是由AD623运算放大器及电位器RP2组成的放大电路。通过调节RP2的值，就可以获得所需要的增益，配合ICL7107提供的最大增益，可以将输入信号放大到所需要的幅度。选择运放时要注意，由于输入信号的幅度很小，因此对运放的噪声性能和失调电压要求非常高，应选择低噪声、低失调的运算放大器。 利用ICl7107A/D转换器组装成3.5位数字电路,外围元件的作用是：（1）R2,C3为时钟振荡器的RC网

12、络。（2）RP3,R3是基准电压的分压电路。R2使基准电压VREF1V（3）R4,C5为输入端阻容滤波电路，以提高电压表的抗干拢能力，并能增强它的过载能力。（4）C6,C4分别是基准电容和自动调零电容。（5）R5,C7分别是积分电阻和积分电容。（6）ICL7107的第21脚（GND）为逻辑地，第37脚（TEST）经过芯片内部的500电阻与GND接通。（7）芯片本身功耗小于15mW（不包括LED），能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，在正常亮度下每个数码管的全亮笔画电流大约为4050mA。（8）ICL7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的公共阳极接V+，小数点

13、接GND时点亮，接V+时熄灭。6.总结 课题总结：目前，电子秤正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。ICL7107采用较小的封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少，满足了电子秤小型化的需求；其内置各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过SPI接口方便地控制和读取这些寄存器，满足了电子秤智能化的需求。因此ICL7107是电子秤中模数转换器的理想选择。在电子技术的课程设计中，我们花了大量的时间和精力进行资料查阅和方案论证，结合自己所学，认真解决每一个功能模块中遇到的问题有时，为了解决一个具体问题，竟到了绞尽脑汁的地步。在设计完各个功能模块之后，我用Protel99SE绘图软件进行了各个模块的绘制，并

14、最终绘制成一个总的电路原理图。另外，我还用仿真软件进行某些功能模块的仿真，收到了很好的效果。但由于缺乏实践经验，电路中还有些功能不够完善，有写参数不够精确，而且抗干扰能力也不够好。自己所学的书本知识应用到实处。看到自己设计的功能电路能在仿真软件中运行，我有了很大的成就感。另外，通过具体的操作，我掌握了各个功能模块的接口设计方法，无论是在设计思想还是在动手能力上都有了很大的提高。 经验体会：通过这几周的课设我经历了很多，自从老师把题目公布让我们分组选择想要做的题目，大家坐在一起分析题目，然后设计电路图，再做实物，在这个过程中我们经历了很多，这一点点的我们都记在心里。因为大二时我们有过课程设计的经

15、历，这给我们这次课程设计打下了很好的基础。我们在做电路原理图时一个模块的一个模块的设计和分析电路，不懂的就上网查资料或者查找相关的书籍，把脑中的一个个问号慢慢的都变成句号的时候，回过头看看，自己学到了很多很多，我很感激这次课程设计给我带来的收获，那段时间真的很让我难忘。经验是一点点的积累起来的，通过这次课程设计，给了自己些许的自信感，不要一开始就认为不可以，认为自己不行，只要坚定信念，再加自己的勤奋与努力，一定会完成任务的。最想感谢的就是老师，是老师的精心的讲解与设计，是老师的信任和对我们的施压，我们才会挑战高难度的课题，才会发现自己具有这种实力。参考文献：1 贾伯年，俞朴.传感器技术M. 东南大学出版社，2000