设计一种电子称

1、 设计一种电子称（量程01.999kg）系统方案设计1.1 概述 称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。经过多年的发展，电子称总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。电子称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，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

2、出电压和标准重量线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲V改为重量纲kg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。1.2 系统方案框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

3、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。显示电路（LED）A/D转换电路（双积分）三运放大电路放大信号电阻应变式传感器输出信号显示电路（LED）A/D转换电路（双积分）三运放大电路放大信号电阻应变式传感器输出信号 系统方案框图 工作原理2.1 检测原理 当被称物体放置在电子秤的称台上时，起重量便通过称体传递给称重传感器，传感器随之产生力-电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数（一般成正比关系）关系的电信号（电压或电流），此信号经放大电路放大、滤波后传达给A/D转换器进行转换，数字信号经一定的电路进行输出显示。由于本次课设我们使用的是硬件

4、电路，采用芯片TC7107，这个芯片是3位半的ADC转换芯片，一般的万用表上使用的芯片，很经典的双积分AD，带显示驱动，可以直接把显示数码管与芯片连接进行显示，电路结构比使用单片机来做简单得多，原理也清楚明了。2.2 传感器选择本次设计采用的是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器组成及原理如下：组成： 电阻应变式传感器简称电阻应变计。由电阻应变片和测量线路两部分组成。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面时，则敏感元件将构件一起变形，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。通过应变计在构建上的不同粘贴方式及电路的不同联接，

5、即可测得重力、变形、扭矩等主要参数。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。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。电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体在外力作用下产生弹性变形，便粘贴在他表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变换转换为电信号，从而完成将外力变换为电信号的过程。注意： 电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们

6、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。应变式传感器结构示意图2.3 测量电路介绍 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

7、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。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Uin供给。 全桥测量电桥图电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成R/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120，灵敏系数 K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000，应变电阻相对变化量为：R/R = K= 21000106 =0.002 由上式可以看出电阻变化只有0.24，其电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，

8、又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的R/R变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A/D转换芯片接收的信号。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。 三运放大电路结构图 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

9、测量数据的误差。2.4 误差分析与修正（1）系统误差 系统误差主要来自于零点漂移，为使系统产生的误差更小，传统上，设计秤重、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，因此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，同时输出较低的满量程差动电压，约为2mV/V。传感器的输出通常由仪表放大器加以放大。再加上Rw，就可以调节零点漂移，达到温度补偿的效果，实验室温度大体恒定，调好后一季的时间内可以保持不变。 它由箔式电阻应变片电阻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

10、值也不同。滑动式线性可变电阻器Rw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Rw。但在调好后，在称重时不能再改变它，以免产生误差。（2）随机误差 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。由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，所以采用惠更斯测量

11、电路精度高、温度特性好、工作稳定等优点，广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秤的一次仪表。该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，其工作原理下图所示： 全桥测量电路中，将受力性质相同的两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UoutKE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。3.系统软件设计3.1 软件设计方法 软件设计采用的是虚拟仪器Proteus，首先绘制流程图，然后查找所需要的元件，熟悉虚拟仪器Proteus的使用方法，接下来便可根据设计的硬件电路进行软件仿真设计了。包括设置电路图纸、放置

12、元器件、调整元器件的布局、连接导线。利用软件的搜索功能在元件库中找到需要的元件，放置到图纸的合适位置，并分别设置好各个元器件的参数，再在需要的位置放置图形文本框，最后将各个元器件连接起来，这样原理图就绘制完成了。然后对所绘制的电路原理图进行检查，如有错误就要作进一步的调整与修改，以保证原理图准确无误。并在绘制原理图结束后，保存原理图文件并在Proteus下进行仿真，实现相应功能。3.1.1 A/D转换电路部分 A/D转换电路部分由TC7107实现，由于TC7107和ICL7107的引脚图和工作原理相同，我们在这里用ICL7107代替TC7107进行介绍。（1）TC7107引脚图及功能特点：TC

13、7107引脚图特点： 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士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，采用士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

14、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主要电气参数V和V-分别为电源的正极和负极。au-gu,aT-gT,aH-gH：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。Bck：千位笔画驱动信号。接千位LEO显示器的相应的笔画电极。PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端，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

15、容量的选择是根据下列公式来决定： Fosl = 0.45/RCCOM ：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”。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端。AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz 。如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47F，而2V满刻度是0.047F。

16、BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。其输出级的无功电流( idling current )是100A，而缓冲器与积分器能够供给20A的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。工作原理ICL7107A/D转换器原理 双积分模数转换电路的原理比较简单，当输入电压为Vx时，在一定时间T1内对电量为零的电容器C进行恒流（电流大小与待测电压Vx成正比）充电，这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加，当充电时间T1到后，电容器上积累的电量Q与被测电压Vx成正比；然后让电容器恒流放电（电流大小与参考电压Vref成正比），这样电容器

17、两极之间的电量将线性减小，直到T2时刻减小为零。所以，可以得出T2也与Vx成正比。如果用计数器在T2开始时刻对时钟脉冲进行计数，结束时刻停止计数，得到计数值N2，则N2与Vx成正比。 Qo= (1) Vo=-=- (2) Vo+=0 （3）把（2）式代入上式，得： T2=Vx (4)从（4）式可以看出，由于T1和Vref均为常数，所以T2与Vx成正比。若时钟最小脉冲单元为,则，代入（4），即有： N2= Vx (5) 对于ICL7107，信号积分阶段时间固定为1000个,即N1的值为1000不变。而N2的计数随Vx的不同范围为01999，同时自动校零的计数范围为29991000，也就是测量周期

18、总保持4000个不变。即满量程时N2max=2000=2*N1,所以Vxmax=2Vref，这样若取参考电压为100mV，则最大输入电压为200mV；若参考电压为1V，则最大输入电压为2V。ICL7107和外围器件连接图 ICL7107芯片与外围器件的连接图所示。图中它和数码管相连的脚以及电源脚是固定的，所以不加详述。芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端；第36脚Vr+和35脚Vr-为参考电压正负输入端；第31脚IN+和30脚IN-为测量电压正负输入端； Cint和Rint分别为积分电容和积分电阻，Caz为自动调零电容，它们与芯片的27、28和29相连，用示波器接在第27脚可以观测到前面所

19、述的电容充放电过程，该脚对应实验仪上示波器接口Vint；电阻R1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口CLK，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间以及测量的精度。下面是这些参数的具体作用： Rint为积分电阻，它是由满量程输入电压和用来对积分电容充电的内部缓冲放大器的输出电流来定义的，对于ICL7107，充电电流的常规值为Iint=4uA，则Rint=满量程/4uA。所以在满量程为200mV，即参考电压Vref=0.1V时，Rint=50K,实际选择47K电阻；在满量程为2V，即参考电压Vref=1V时，Rint=500K,实

20、际选择470K电阻。Cint=T1*Iint/Vint,一般为了减小测量时工频50HZ干扰，T1时间通常选为0.1S ，具体下面再分析，这样又由于积分电压的最大值Vint=2V，所以：Cint=0.2uF,实际应用中选取0.22uF。 对于ICL7107，38脚输入的振荡频率为：f0=1/(2.2*R1*C1)，而模数转换的计数脉冲频率是f0的4倍，即Tcp=1/(4*f0)，所以测量周期T=4000*Tcp=1000/f0，积分时间（采样时间）T1=1000*Tcp=250/fo。所以fo的大小直接影响转换时间的快慢。频率过快或过慢都会影响测量精度和线性度，同学们可以在实验过程中通过改变R1

21、的值同时观察芯片第40脚的波形和数码管上显示的值来分析。一般情况下，为了提高在测量过程中抗50HZ工频干扰的能力，应使A/D转换的积分时间选择为50HZ工频周期的整数倍。3.1.2 放大电路部分 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。该系统使用的模数转换的输入量是应是0到1.999V。为了测量准确，放大系统设计时应保证输入级是高阻，输出级是低阻，系统应具有很高的抑制共模干扰的能力，系统的放大倍数应根据被测物体的重

22、量对应传感器的输出量，然后把传感器的输出量按一定的比例相应放大，如果测量的重量相差较远，可以设置量程转换来切换量程，切换量程，切换量程电路有手动和自动两种。放大电路3.1.3 显示部分显示部分由4个七段显示器实现，从而控制显示器的工作，从左至右依次是高位到低位的显示。数码管分为共阴极和共阳极两种，单片机中常使用LED模块构成N位LED显示器。本课程设计中因为我们的量程为01.999kg，所以采用四位显示。 数码管与A/D转换电路的连接3.2 测试系统流程图开始开始放大器放大信号放大器放大信号读A/D转换器转换的数据读A/D转换器转换的数据 数码管显示称重数值（不超过数码管显示称重数值（不超过1

23、.999kg）结束结束说明：（1）利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物体的重量信号。（2）由放大器电路把传感器输出的微弱电压信号进行一定倍数的放大，放大后的电压信号送到模数转换电路中。（3）由模数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。（4）由电路显示数据。3.3 系统软件ProteusProteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/

24、12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数

25、指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。另外Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。因此此次设计我们采用Proteus进行仿真。将所设计的电子称硬件电路用Porteus 实现。4.系统调试与验证 首先，由于传感器测量范围是1-1.999Kg,其输出信号只有0-10mv左右，而A/D转换的输入应为0V-1。99V,d对应显示0-1.999kg，当量为1mv/g,因此要求放大倍数约为200倍。其次，在电路中还应有调零和增益的环节，才能保证电子称没有承重时显示零读数，测压力时读数正确反映被测压力。 之前没有接

26、触过Proteus，所以在使用Proteus连接硬件电路图时遇到了不少问题，比如元件的查找，因为元器件都是英文的，所以我们必须对应的在网上查找，还有器件间的连接也花费了不少时间。不过重要的是最后的调试过程，由于对Proteus不太了解，并不知道有的电容不能随便改电容值，所以画的时候也没在意，把一些电容的电容值改变了，电气规则检查的时候一大串错误，只能一个一个把电容重新搜索，等电气检查无误后在对新参数调试。虽然之前对TC7107的一些参数进行了分析，但是了解的并不清楚，连接上也出现了错误，后来仔细查找资料，得知芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。也可以把芯片的缺

27、口朝左放置，左下角也就是第一脚了。知道了第一脚之后，按照反时针方向去走，依次是第2至第40引脚，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。检查与TC7107进行连接的一些电容电阻基本没出现问题，接下来就是前端的输入了，我们首先采用10K的滑动变阻器和一个放大倍数为五的运放进行输入和输出的对比，采集一系列输入输出数据进行观察分析

28、，得出他们之间的关系，发现放大倍数并不是理想的，量程与我们课设的要求也有出入，之后，我们保持放大倍数不变改变滑动变阻器的阻值一次又一次观察分析，知道达到理想状态为止，最后得出量程为0-1.999kg。通过改变滑动变阻器的阻值，显示值相应变化。仿真结果如下：课程设计体会与总结 这次课程设计的课题是根据具体要求设计一种电子称，主要目的在于通过解决一个实际问题，巩固和加深在我们在传感器技术课程中所学的理论知识和实验技能，基本掌握非电量自动检测系统的一般设计方法，提高自动检测系统的设计和创新实践能力。虽然报告中只反映了一种设计方法，实际上在课程设计中我们还考虑了一种由单片机实现电子称功能的方案，鉴于刚

29、刚进行完单片机课程设计，于是决定学习一种新的方法，也就是本次设计中使用到的虚拟仪器Proteus。由于是第一次接触Protues，因此我们通过在网上学习如何安装，如何使用该软件花了不少时间。经过学习我们发现Protues在课程设计、毕业设计，乃至于学生走向就业，都是一个非常重要的实践环节。因为Protues提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。所以如果不是此次的传感器课程设计，我们可能至今还没有接触到这个软件，从而使我们又掌握了一门新软件的使用。从此次传感器课程设计，我们初定设计方案到查找资料，学习软件，仿真调试的过程中出现了许多的问题，但这一过程却让我们收获颇多。之前我们对传感器技术的了解仅限于书本上的知识，虽然老师在课上也常给我们举生活中的应用，但是传感器技术对于我们而言还是比较生疏的。然而，此次课程设计，我们