电子技术课程设计数字电子秤.docx

电子技术课程设计数字电子秤.docx

《电子技术课程设计数字电子秤.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子技术课程设计数字电子秤.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电子技术课程设计数字电子秤

课程名称：

电子技术课程设计

设计题目：

数字电子秤

院系：

专业：

年级：

姓名：

指导教师：

XXXX大学XX校区

年月日

课程设计任务书

专业姓名学号

开题日期：

XX年X月X日完成日期：

X年X月X日

题目数字电子秤

一、设计的目的

1、设计简易数字电子秤满足一定的测量范围并通过LED显示出来；

2、培养独立分析问题和解决实际问题的能力；

3、了解常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则；

4、学会电子电路的安装与调试技能，掌握电子电路的测试方法及了解印刷线路板的设计，制作方法；

5、学会撰写课程设计总结报告；

6、进一步熟悉电子仪器的使用方法；

7、培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度；

二、设计的内容及

1、测量范围：

0~199.9kg；2、用数字显示被测重量，小数点位置对应不同的量程显示；

扩展：

具有自动切换量程功能。

三、指导教师评语

四、成绩

指导教师（签章）

年月日

摘要

随着计量技术和电子技术的发展传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。

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。

而由INA126构成的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。

放大后的模拟电压信号经过A/D转换电路变成数字量，A/D转换电路采用A/D转换芯片ICL7107实现。

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，显示电路采用四块分立的七段LED显示电路进行显示。

本设计中通过改变放大电路的增益，从而达到转换量程的目的。

由于被测物体的重量相差较大，根据不同的侧重范围要求，需对量程进行切换。

将设计好的电路利用AltiumDesigner软件进行电路图绘制，并进行仿真，最后得到了较好的效果，具有一定的精度，从而证明了该电子称设计方案可行。

关键字：

全桥测量INA126ICL7107A/D转换LED

一、总体方案设计与论证

1.1电子称的基本结构

电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。

不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：

（1）承重、传力复位系统

它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。

（2）称重传感器

即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。

按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。

对称重传感器的基本要求是：

输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。

（3）测量显示和数据输出的载荷测量装置

即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。

这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。

在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。

1.2总体方案设计与论证

数字电子秤与普通秤的区别即是将物体的重量通过数字直接在LED数码管或液晶显示器上显示出来。

因此，首先需要传感器将重量值转化成电压信号或电流信号，而一般经传感器产生的电压信号或电流信号都是比较微弱的，需经放大电路进行放大。

放大后的电压或电流信号均属于模拟信号，要通过数码管或液晶显示器显示，必须变成数字信号，因此，放大电路后再接一A/D转换电路，将模拟信号转换成数字信号以便于数码显示。

方案一：

通过传感器产生电压信号，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即可。

而量程切换通过修改放大系统的增益实现。

原理方框图如图1

图1

方案二：

通过传感器产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片进行A/D转换，然后把转换后的数字信号输入单片机由单片机进行数据处理和对A/D转换的控制，再由单片机输出显示信号，通过显示电路进行显示。

自动换挡功能通过单片机控制实现。

该方案的原理方框图如图2所示。

图2

方案一的优点是外部电路非常简单，且同时能实现较高的精度。

缺点是无法对A/D转换进行控制。

方案二可控制性好，电路简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限。

而单片机需要编写程序进行数据处理，较复杂。

因此，基于简单原则、本专业尚未学单片机的原因，设计总体方案采用方案一。

该方案主要包括四个模块：

传感器模块、放大模块、A/D转换模块、数码显示模块。

二、单元电路设计及参数计算

2.1传感器模块

2.1.1称重传感器的基本原理

称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到不同压力或拉力是产生的电信号也随着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。

称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥。

传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。

按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。

应变片式电阻传感器是以应变片为传感器元件,它具精度高，测量范围广;使用寿命长,性能稳定可靠;结构简单、尺寸小、重量轻,价格便宜等优点.电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应,即导体产生机械形变时,它的电阻值相应发生变化.

电阻应变式传感器就是将被测物的质量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的电桥电路转换为被测物质量值相对应的电压信号。

电阻应变式传感器由感压装置、电阻应变片和惠更斯电桥电路三部分组成，应变片式电阻传感器应用很广.本设计采用SP20C-G501电阻应变式传感器，该传感器结构简单、灵敏度高。

电阻应变片有丝式和箔式.设有一根长为

的电阻丝,它在未受力时的原始电阻值为

电阻丝在外力的作用下,将引起电阻的相对变化为

其中

为电阻丝的轴向应变.可见在电阻丝拉伸比例极限内,电阻的相对变化与应变成正比,可通过电阻或电压的变化测应变,从而测量重量.

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。

电阻应变式传感器安装示意图如图3

图3应变式传感器安装示意图

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：

（1）电阻丝温度系数引起的。

（2）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。

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。

2.1.2称重传感器的测量电路

常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—0.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1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最常用的是桥式测量电路。

它将应变阻值的变化转换为电压或电流的变化，这就是可用的输出信号。

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Ui，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，或者就有电压输出，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。

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：

R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uout＝KUiε。

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。

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。

全桥测量基本电路如图4.

图4

其中输出电压

电子秤的传感器在不加负荷时，桥路的电阻应平衡，也就是电桥初始平衡状态输出应为零。

但实际上桥路各臂阻值不可能绝对相同，接触电阻及导线电阻也有差异，致使输出不为零。

因此必须设置调零电路使初始状态达到平衡，即输出为零。

可在图4中增加一个调零电桥，如图5

图5全桥测量电路

其测量条件如表1

激励电压

9VDC～12VDC

灵敏度

2±0.1mV/V

输入阻抗

405±10Ω

输出阻抗

350±3Ω

极限过载范围

150%

安全过载范围

120%

使用温度范围

-20℃～+60℃

表1

2.2放大电路模块

2.2.1放大电路方案的选择

压力传感器输出的电压信号为毫伏级（0~2mv），所以对运算放大器要求很高。

考虑以下几种方案可以采用：

方案一：

利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。

普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。

由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。

所以，此中方案不宜采用。

方案二：

由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。

差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放（如OP07）做成一个差动放大器。

如图6.

图6差动放大器

电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。

优点：

输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。

输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。

缺点：

此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。

实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大。

方案三：

采用专用仪表放大器，如：

INA126，INA121等。

此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口非常简单。

以INA126为例,其实际管脚图如图7所示：

图7INA126管脚图

基于以上分析，我决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126。

2.2.2INA126放大器基本介绍

INA126是低功耗、高精度的通用仪表放大器。

它通用的3运放（3-opamp）设计和体积小巧使其应用范围广泛。

反馈电流（Current-feedback）输入电路即使在高增益条件下（G=100时200kHz）也可提供较宽的带宽。

单个外部电阻可实现从1至10000的任一增益选择INA126提供工业标准的增益等式（gainequation）。

INA126用激光进行修正微调，具有非常低的偏置电压（50mV），温度漂移0.5µV/°C和高共模抑制在G=100时120dB）其电源电压低至±2.25V且静态电流只有700uA，是电池供电系统的理想选择，内部输入保护能经受±40V电压而无损坏。

INA126的封装为8引脚塑料DIP和SO-8表面衬底封装，规定温度范围为–40°C至+85°C。

其特点如表2

低偏置电压

最大50µV

低温度漂移

最大0.5µV/°C

低输入偏置电流

最大5nA

高共模抵制CMR

最小120dB

低静态电流

700µA

宽电源电压范围

±2.25至±18V

8引脚塑料DIP和SO-8封装

输入保护至±40V

表2

2.2.3放大电路的设计

INA126其内部结构如图7所示

图7

因此直接在1、8两管脚间接一电阻便构成基本放大电路了，INA126连接的基本电路如图8所示

图8

放大器增益

，通过改变

的大小来改变放大器的增益。

考虑到滤波情况，由此可在基本放大电路前端接一滤波电路，如图9所示

图9INA126构成的放大电路及滤波电路

通过调节

的阻值来改变放大倍数。

微弱信号

被分别放大后从INA126的第6脚输出。

A/D转换器ICL7107的输入电压变化范围是-200mV～+200mV，传感器的输出电压信号在0～2mv左右，因此放大器的放大倍数在100～200左右，可将

接成

的滑动变阻器。

2.3A/D转换模块

2.3.1A/D转换芯片的选择

A/D转换器的主要技术指标：

（1）分辨率（Resolution）：

分辨率是指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。

分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。

（2）转换速率（ConversionRate）：

转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。

（3）量化误差（QuantizingError）：

由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。

通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。

（4）偏移误差（OffsetError）：

输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。

（5）满刻度误差（FullScaleError）：

满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

（6）线性度（Linearity）：

实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。

由上面对传感器量程和精度的分析可知,A/D转换器误差应在

以下。

12位A/D精度：

10Kg/4096=2.44g；14位A/D精度：

10Kg/16384=0.61g考虑到其他部分所带来的干扰,12位A/D无法满足系统精度要求。

所以需要选择14位或者精度更高的A/D。

方案一：

逐次逼近型A/D转换器，如：

ADS7805、ADS7804等。

逐次逼近型A/D转换，一般具有采样/保持功能。

采样频率高，功耗比较低，是理想的高速、高精度、省电型A/D转换器件。

高精度逐次逼近型A/D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟，基于单片机构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。

但考虑到所转换的信号为一慢变信号，逐次逼近型A/D转换器的快速的优点不能很好的发挥，且根据系统的要求，14位AD足以满足精度要求，太高的精度就反而浪费了系统资源，所以此方案并不是理想的选择。

方案二：

双积分型A/D转换器：

如：

ICL7135、ICL7109等。

双积分型A/D转换器精度高，但速度较慢（如：

ICL7135,ICL7107）,具有精确的差分输入，输入阻抗高（大于

），可自动调零，超量程信号，全部输出于TTL电平兼容。

双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。

对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。

只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。

尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。

故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。

作为电子秤，系统对A/D的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。

另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格使其成为一种不错的选择。

由于整体方案采用的是方案一，即A/D转换器直接驱动数码显示，再考虑到其优点和缺点，最终选择了双积分型A/D转换器ICL7107。

2.3.2A/D转换芯片ICL7107简介

ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换电路，包含七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。

可以直接驱动LED数码管，是一块应用非常广泛的集成电路。

ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好地结合在一起，它有低于10μV的自动校零功能，零漂小于1μV/oC，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。

31/2位双积分型A/D转换器ICL7107的基本特点：

①ICL7107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。

②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。

③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。

④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。

⑤输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。

⑥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。

⑦噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。

⑧芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。

⑨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+。

⑩可以方便的进行功能检查。

ICL7107芯片及各引脚如图10所示

图10ICL7107

各管脚功能：

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LED显示器的相应的笔画电极。

BP/GND：

电源地

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/RCBsE838

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”。

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0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。

BUF：

缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。

其输出级的无功电流（idlingcurrent）是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA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。

POL:

极性

2.3.3ICL7107A/D转换电路

TEST为数字地，与VCC相接可进行测试，因此，可在第37引脚外接一开关与VCC相连。

A/D转换电路如图11.

图11A/D转换电路

2.4数码管显示模块

2.4.1数码管简介

常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管，如图12（a）

图12

LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。

在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。

由于常规的数码管起辉电流只有1～2mA，最大极限电流也只有10～30mA，所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平（3.5V）的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。

7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示0~9等10个数字和小数点，这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）；共阴极则反之如图12（b）、（c）所示。

图中的8个LED分别与图中的a~DP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。

对于单个数码管来说，从它的正面看进去，左下角那个脚为1脚，以逆时针方向依次为1~10脚，左上角那个脚便是10脚了，上面图12中的字母分别与这10个管脚一一对应。

2.4.2数码管显示电路

由于所选用的芯片ICL7107已经具有译码功能且其内部有驱动LED阳极数码管的电路，因此可选择4个共阳极数码管，将其共阳极端接VCC，而其余管脚直接与ICL7107对应的脚相连即可。

数码管显示电路如图13

图13LED数码管显示电路

2.4.3A/D转换电路与显示电路

由于ICL7107的量程范围为-200~200，即最大值为200，所以4个数码管依次对应百、十、个、小数位。

其中个位的小数点应该显示，因此，直接将个位的DP脚与地相连即可，其余三个数码管的DP脚直接悬空即可。

A/D转换电路与显示电路如图14

图14A/D转换电路与数码管显示电路

三、总原理图及元器件清单

3.1总原理图

结合上述四个模块，用AltiumDesigner软件可绘出总原理图如图15

3.2元器件清单

元件序号

型号

主要参数

数量

备注

Rp1、RG1、R12

POT4MM-2

1K

各1

电位器

R2、R3、R4、R5

CF120-1CB

120

各1

电阻应变片

R6、R7

AXIAL-0.3

750

各1

电阻

R8

AXIAL-0.3

1M

1

电阻

R9

AXIAL-0.3

47K

1

电阻

R10

AXIAL-0.3

100K

1

电阻

R11

AXIAL-0.3

24K

1

电阻

C1、C2、C3

RAD-0.3

0.1

F

各1

瓷片电容

C4、C5

RB7.6-15

220F

各1

电解电容

C6

RAD-0.3

0.02

F

1

瓷片电容

C7

RAD-0.3

0.47

F

1

瓷片电容

C8

RAD-0.3

0.22

F

1

瓷片电容

C9

RAD-0.3

100pF

1

瓷片电容

S1

SPST-2

1