便携式电子秤的设计

1、电子电路综合实验总结报告便携式电子秤的设计班 级: 20110821 学 号: 2011082102 姓 名: 邓为丹 指导老师: 张文旭 实验日期: 2013年5月成 绩: 信息与通信工程学院一、任务要求手提电子称具有称重精确度高，简单实，携带方便成本低，制作简单，测量准确，分辨率高，不易损坏和价格便宜等优点，是家庭购物使用的首选。本设计主要任务是设计一个LED或LCD显示的便携式电子称。二、设计要求极其指标 1、称重范围为20g2kg; 2、坚定分度值：级（检定分度值在一百到一千之间）； 3、显示分辨力：1g; 4、采用电阻应变式传感器检测物体重； 5、采用模拟数字电路构建系统，完成主要电

2、路设计，包括了传感器电路，差动放大电路，A/D转换电路以及显示电路等； 6、显示电路采用LED数码管进行显示；三、方案设计与论证1、方案一 首先，利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号。其次，由差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送入A/D转换电路中。再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。 电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化 , 再经相应的电路转化为电压差值。我们用电阻应变式传感器E350-ZAA作为测量电路的核心。差动放大电路将由测量电路传过来的电压差值放大，再将放大电压传送给

3、A/D转换电路。本模块我们采用INA114AP做为核心元件。A/D转换电路主要采用ICL7107将模拟信号转换为数字信号并通过LED数码管显示。方案一优缺点：优点：本设计无复杂的程序，由硬件搭建，各部分分工明确。在进行系统调试及故障查询时可分级测试。缺点：芯片成本较高，无拓展功能。2、方案二： 称重传感器根据压力的变化提供相应的线性变化的电信号，该电信号经过高精度差动放大器放大。输入给双积分型模数转换器。转化为数字信号，数字信号可直接由单片机以串行方式读入。 单片机选用STC89C51型单片机，P0口定义为输出口，其中P0.0P0.6输出要显示数据的段码。P1口中的P1.0P1.3也定义为输出

4、，显示输出数据的位码。显示器用动态扫描。方案二优缺点：优点：与方案1不同的是，A/D转换器后面利用单片机实现显示控制，该方案具有较好的控制性和灵活性。比如在显示压力的同时，还可以通过单片机的其他管脚输出信号以达到的功能的扩展。缺点：系统的组成模块相对较多，在进行系统调试时可能会出现较多问题。单片机的编程时将会需要大量的时间，对系统的标定比较困难。3、方案三：压力传感器实现压电转换，将压力转换为电信号。经过高精度差动放大器放大后，输入给模数转换器，转化为数字信号，由该数字信号控制编码器的编码，从而控制数码管显示。方案三优缺点：优点：本设计无复杂的程序，由硬件搭建，各部分分工明确。在进行系统调试及

5、故障查询时可分级测试。缺点：数码管与编码器的电路比较繁杂，在实际焊接中容易因为短路或虚焊而出现问题。 4、方案四： 本设计方案采用了电容传感器，利用参考电容进行测量补偿，并利用555多谐振荡器将电容变化量转换成频率的变化量。定时器采用了ICM7556，该芯片是CMOS型定时器，具有最大负载电流小，功耗低的特点。数据选择器采用SN74HC157，是具有公共选通输入端的四2选1数据选择器，只用其中一组数据选择。数据选择端由单片机控制，其中单片机选用PIC16F877。方案四优缺点：优点：本方案用电容作为敏感元件，更加灵敏，且运用定时器，数据选择器等使结果更加精确，并且有键盘开关。缺点：使用芯片多，

6、成本高，对编程能力及芯片的理解运用能力有很高要求。5、4种方案设计优缺点比较及方案的选择：优点缺点方案一易于检查、模块最少、电路简单功能单一方案二有较强的控制性和灵性、扩展能力强成本高、制作困难方案三易于检查模块较多、电路复杂、功能单一方案四灵敏，精确，拓展能力强成本高、对芯片理解运动能力强鉴于本实验仅要求实现一个普通功能的电子秤，没对其有更高的要求，所以方案二和方案四并不是十分合适，它们的制作流程过于复杂，难以调试，且成本较高。所以这里并不采用方案二和方案四。对于方案三，它的电路连接与方案一相比较为复杂。且功能模块也较多，没有方案一易于调试。成本也相对较高。这里也不采用。由上表可知选取方案一

7、最为合适，其制作流程相对简单，并可完成实验所要求指标，但其他方案可适用于其他领域的实验要求。综上，本次实验选择了设计方案一为最终的设计方案。四、单元电路设计与分析1、电阻应变式传感器电路电阻应变式传感器可将被测物理量的变化转换成电阻值的变化 , 再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。在这里，我们用电阻应变式传感器作为测量电路的核心。并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度。1) 电阻应变式传感器的组成以及原理：电阻应变式传感器简称电阻应变计。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关

8、系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得重力、变形、扭矩等机械参数 2）电阻应变式传感器的测量电路：图5 电阻应变式传感器的测量电路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，电桥的一个对角线接入工作电压E，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，否则就有电压输出，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。 测量电桥如图5所示。它由箔式电阻应变片电

9、阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，测量电桥的电源由稳压电源E供给。物体的重量不同，电桥不平衡程度不同，指针式电表指示的数值也不同。滑动式线性可变电阻器RP1作为物体重量弹性应变的传感器，组成零调整电路，当载荷为0时，调节RP1使数码显示屏显示零。这里若考虑系统高稳定性，可选用E350ZAA的2kg称重传感器。E350ZAA表示图形如下：图6 E350ZAA实物图型由图可知上下各贴一个电阻应变片，组成半桥测量电路，记两个电阻应变片分别是R1、R4设计时要求：R1=R2=R3=R4=R; R5=R6;R1=R4=R传感器输出的电压为：U=14E(R1R1+R4R4)=E*R2R2、差动放大电路

10、：本次设计中，要求用一个放大电路，即差动放大电路，主要的元件就是差动放大器。在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，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。仪表仪器放大器的选型很多，我们这里使用一种用途非常广泛的放大器，就是典型的差动放大器INA114AP。它只需高精度和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。本设计中差动放大电路结构图如下：图7 差动放大电路结构图放大倍数的推导过程：I=

11、Vi1-Vi2R7VO=(R8+R7+R6)=(1+2R8R7)ViAvf=1+2R8R7在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。仪表仪器放大器的选型很多，在这里使用一种用途非常广泛的放大器，就是典型的差动放大器INA114AP。它只需高精度和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。其原理图如下：图8 放大器INA114AP原理图3、A/D转换及显示电路：A/D转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。在选择A/D转换时，先要确定A/D转换的位数，该设计运用的是双积分式A/D转换器ICL7107，A/D转换误的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关

12、，系统精度涉及的环节很多，包括传感器的变换精度，信号预处理电路精度A/D转换器以及输出电路等。1）ICL7107双积分型的A/D转换器的特点：ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMOS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05±1个字。能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用±5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN 。在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF 。能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性

13、显示功能。输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。不设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+.可以方便的进行功能检查。2）ICL7107引脚功能 V+和V-分别为电源的正极和负极。A1-G1,A2-G2,A3-G3：分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。AB4：千位笔画驱动信号。接千位LEO显示器的相应的笔画电极。POL：液晶显示器背面公共

14、电极的驱动端，简称背电极。Oscl-OSc3 ：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：fosl=0.45/RC COM ：模拟信号公共端，简称“模拟地”，使 用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。TEST ：测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。当其接高电平时数码管全亮。VREF VREF- ：基准电压正负端。CREF：外接基准电容端。INT：27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件IN和IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负

15、端。AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz 。BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。 3） ICL7107的工作原理双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。它的原理性框图如图2所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。时钟信号源的

16、标准周期Tc 作为测量时间间隔的标准时间。它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。其振荡周期TC=2RCln1.5=2.2RC。4、LED显示电路显示部分可以将处理得出的信号在显示器上显示，让人们直观的看到被测体的质量。本实验采用LED数码管，LED数码管具有功耗低的特点。本设计中LED显示电路采用4个1位的共阳数码管，型号：LG5011BSR 图9 共阳数码管原理图要点：1）辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。2）关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是DC5V。第36脚是基准电压，正确数值是100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是

17、负的，在-3V至-5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入±199.9mV的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。3）注意芯片27,28,29引脚的元件数值，它们是0.22uF,47K,0.47uF阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的33和34脚接的104电容也不能使用磁片电容。4）注意接地引脚：芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，通常使用情况下，这4个引脚都接地。5）比例读数：把31脚与36脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候

18、，数码管显示的数值最好是100.0，通常在99.7-100.3之间，越接近100.0越好。这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少毫伏无关，也无法在外部进行调整这个读数。如果差的太多，就需要更换芯片了。ICL7107的引脚图及典型电路以及各电阻电容参数如图11所示：图10 ICL7107的引脚图及典型电路五、 安装调试及测量数据分析1、 测试仪器与设备（1）万用表 （2）电源：EM1712 DC （3）标准重物（砝码）2、 电阻应变式传感器电路按电路图焊接好箔式电阻应变片E350ZAA与调零电路。在E350ZAA两端加上+5V电压，用万用表测量输出端信号，当应变片上不受力时调

19、节平衡电路中的RP1，使得传感器输出差分信号（绿线和白线）电压为零。在应变电阻传感器上放质量不同的重物，记录输出电压信号。由于实验室中只有3个标准400g重物，因此连同不放重物时只能得到传感器电路3组输入输出数据，见下表：重物质量（g）04008001200输出电压（mV）00. 81.52.1表1 传感器所放重物质量与输出电压信号关系由表格可知：输出电压信号与传感器所承受质量近似成正比。3、差动放大电路单元安装及数据测量在INA114P的1、8两个引脚跨接10k电位器RG,焊接之前使用万用表测得阻值为1.29k。所有焊点焊好后将4脚接-5V，7脚接+5V，5脚接地，然后从2、3脚给输入信号，

20、注意正负极性，测量6脚与5脚之间的输出信号。测出一组输出数据如下表所示：VIN(mV)0.51.52.53.55.0VO（mV）19.560.299.1140.5199表2 差动发达电路输入与输出关系表图11 差动放大电路VO-VIN曲线将Y轴截距设为0后可从图表中得出拟合直线斜率为39.882。根据差动放大电路放大倍数理论公式G=1+50kRG可算得理论放大倍数为39.76，实际值与理论值的误差约为0.31%。4、A/D转换电路及数码管显示单元电路的安装及数据测量将A/D转换电路及数码管显示电路焊接好后，对此部分电路进行测试：将1脚接+5V电压，26脚接-5V电压，21脚30脚短接并接地，调

21、节画的那个变阻器RP3阻值使36脚电压即参考电压为100mV。将输入端36脚加入100mV模拟电压，即把31脚与36脚短路，实验中观察到此时数码管显示在98.6与98.7间跳动，离正常范围99.7-100.3虽有一些差距，但芯片状况良好，可以使用。5、整体电路安装及数据测量将各单元电路按照原理电路图焊接起来组成整体电路，将+5V电源、-5V电源以及地端分别接在便携式电子秤系统电路的响应输入端。调试过程如下：1）首先在秤体上无负载时调整RP1，使显示器准确显示零。2）在秤体上放置400g重物，再调整Rp2，使数码管显示400。3）将重物拿下，观察数码管是否显示在0附近。若相差超过20则继续调节R

22、P1至0左右。4）重新进行2、3步骤，知道数码管显示质量误差在20g以内，越精确越好。5）将3个400g的标准砝码置于传感器上，测试并记录下不同重量的测试值，并记录下此时差放6脚对地的电压：标准重量（g）04008001200测试显示数值-0034048031197相对误差0.99%0.37%0.25%6脚对地电压值2.8mV40.3mV79.8mV119.5根据表中所测量记录的实际数据可以计算出电子称的误差：Xmax=4gr=XmaxXn*100=0.99六、结果分析1、数据分析：（1） A/D转换及LED显示电路的调试部分，数码管显示为986-97，与1000接近，符合要求；（2） 放大电

23、路调试部分，放大倍数为：39.882，理论值为：39.76，误差为（39.882-39.76）/39.76=0.31%；（3） 整体调试部分，最大误差约为0.99%。按照100mV与示数1000的对应关系,可知实际测试的数据与实际重量基本符合，其相对误差较小，基本符合要求。2、 误差分析：（1）电阻应变式传感器本身存在误差，变化不灵敏，悬挂重物取消后需要恢复时间。其次其本身有重力，不同情况下放置支持点不同零输入显示不同。（2）放大器放大倍数不稳定，使显示有波动以及放大器的零点漂移。实验用的ICL7107芯片存在一定的系统误差。（3）所用元件与标称值之间存在误差。（4）焊接过程的操作带来的误差。

24、（5）外界噪声的干扰。（6）测试时使用万用表测量误差。 3、实验中遇到的问题及解决办法：（1）进行A/D转换及LED显示电路的调试时36管脚无法调至100mV，显示屏上也无法显示出1000。首先检查7107外围电路是否正确，在第一次检查中未发现错误；其次，检查芯片是否有问题，更换正确芯片后问题仍然存在，说明我的电路焊接上确实有问题；最后，我又排查了一遍电路，发现36管脚的滑动变阻器进行了虚焊，重新焊接后，故障解除。（2）在调试时，INA114的输出电压始终不变，无论怎么改变RP2都没有效果，这个值已经超出了测试范围，然后还是检查电路，最终是因为电位器RP2损坏，整个RP2短路，已无调节作用。（

25、3）LED数码管显示时有b2和b3不亮，我以为是电路焊接错误，经过两边排查，没有发现焊接错误，最终发现数码管和插座的接触不良导致，将数码管插至某个角度和位置时才会发光。七、心得体会：本次实验，我完成了一个小型电子秤，电子称的构造并不难，但完成的过程却并不容易，因此在成功完成时很欣喜。电子秤是由四个部分紧密连接在一起的。因此，只有充分了解有关集成芯片、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。首先是传感器的精密度，它将直接影响电子秤的称重准确度。课程设计时由于传感器发出的信号不是很稳定，所以称重时数码管有一定范围内的数据跳动。如果使用精密度较高的传感器，效果会好的多。其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，然后进行A/D转换。该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。最好是预先计算好应放大