电子秤的设计报告.docx

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电子秤的设计报告

电子秤的设计报告

学号：

1605111

班级：

测控 111

姓名：

1

绪论

手提电子秤具有称重精确度高，简单实用，携带方便

成成本低，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。

其电路构成主

要有测量电路，差动放大电路，A/D 转换，显示电路。

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，广泛应用于

电子秤以及各种新型结构的测量装置。

而差动放大电路的

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。

2

一、课题任务与要求

1.设计题目：

便携式电子秤的设计报告

2.任务与要求：

1）设计一个 LED 数码显示的便携式电子称。

2）采用电阻应变式传感器。

3）称重范围 0~1.999KG。

二、系统概述

1.方案比较：

1）设计方案一

①.系统框图：

②. 系统设计思路、工作原理

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。

③该设计的优劣：

a. 优点：

每个模块的功能单一，且没有复杂的编程问题。

在整个系

统进行调试时，可以比较方便的对每个模块进行测试，能够迅速

3

找到出现问题的模块。

比较容易制作。

b. 缺点：

使用的芯片较多，信号的噪声较大，且数码管与编码器的

电路比较繁杂，在实际焊接中容易出现问题。

2）设计方案二

①.系统框图：

②. 系统设计思路、工作原理：

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，从而控制数码管显示。

③该设计的优劣：

a. 优点：

每个模块的功能单一，且没有复杂的编程问题。

在整个系

统进行调试时，可以比较方便的对每个模块进行测试，能够迅速

找到出现问题的模块。

比较容易制作。

b. 缺点：

功能单一，仅能作为日常生活使用。

不可有其他的功能扩

展。

2.方案比较

在介绍每个方案时已经对每个方案的优劣进行了阐述。

以下再对

每种方案的突出特点进行比较。

优点缺点

4

元件/集成块

型号

功能

说明

ICL7107

ICL7107

双积分 A/D 转换

转换模-数信号

R1、R2、R3、R4

（2kg 称重传感器可代）

E350－ZAA

箔式电阻应变片

传感器

RP1

5K 电位器

方案一易于检查模块较多，

电路复杂

功能单一

方案二易于检查

模块最少，

电路简单

功能单一

综述：

对于方案一，它的电路连接与方案二相比较为复杂。

且功能模

块也较多，没有方案二易于调试。

成本也相对较高。

这里也不采用。

综上所述，这次试验我选择了实验二为最终的设计方案。

其流程如下：

电阻应变

数码管

式传感器

ICL7107

输出信号

三．单元电路设计与分析

1.元器件清单表

显示电路

5

RP2、RP3

电位器

电源

+5V、-5V

直流电源

电阻

各阻值共 13

块

24k

47k

100k

1k

10k

1m

5k

精密金属膜电阻

电容

各容量共 5

块

0.1u,

0.47u

0.22u

110p

0.02u

积分电路中不能

用瓷片电容

差动放大器

Ina114ap

数码管

Lg5011bsr

2、电子称工作原理

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

使用的是硬件电路，采用芯片 ICL7107，这个芯片是 3 位半的 ADC

6

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。

3.测量电路：

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：

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

7

E

RP1

R5

R6

R1

R3

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：

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。

4．差动放大电路：

（1） 原理：

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

8

放大电路结构图如下：

∞

A1

ViR7

放大倍数的推导过程：

I=

Vo=（R8+R7+R8）I

Vi2

2R8

=（1+

）Vi，

R7

2R8

则 Avf=1+

R7

Vi1 - Vi2

R7

A2

R8

R8

∞

Vo

放大电路与 ICL7107 的连线示意图如下：

5V

A1

∞

V+

IN-

R7=

5.1 K

R8=30K

R8=30K

∞

1M

RP3

IN+

Vref+

A2

Vref-

Rp2

COM

5．A/D 转换：

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，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

9

E

RP1

R5

R6

R1

R3

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

a.直接输出 7 段译码信号b.ICL7107 直接驱动 LED

c.位十进制 A/D 转换器d.双积分型电路

（2）双积分 A/D 转换器结构与原理

常见 A/D 转换器的转换方式有积分式和非积分式两类（如逐次

逼近比较式 A/D 转换器），双积分式 A/D 转换器的基本组成如图，

它由积分器、比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计数器及时钟脉

冲源等电路所组成。

四、总体工作电路原理图

数显电子秤具有准确度高，易于制作，成本低廉，体积小巧，

实用等特点。

其分辨力为 1 克左右，在 2 千克的量程范围内经仔细

调校，测量精度可比较高。

A1

∞

7107

数码管显示电

A2

∞

路

称重传感器放大电路

10

A/D 转换

这个图是前端的测量放大电路

下面的仿真图就是 TC7107 与硬件的连接，只不过为了简便起见

我们用一个滑动变阻器代替压力传感器，用一个运算放大器代替三

运放。

从图上可以看出我们用了五个数码管，其中上边的那个是作

为比较，如果输入没超过量程，数码管闲事 1，超出量程，数码管

显示为 0。

本次仿真结果的量程为 0.000-1.999，不过由于存在误差，

数码管最小显示为 0.002。

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五、调试

调试过程

（1）．首先在秤体自然下垂已无负载时调整 RP1，使显示器准确显示

零。

（2）．再调整 Rp2，使秤体承担满量程重量（本电路选满量程为 2 千

克）时显示满量程值。

（调节 Rp2 衰减比）

（3）．然后在秤钩下悬挂 1 千克的标准砝码，观察显示器是否显示

1.000，如有偏差，可调整 RP3 值，使之准确显示 1．000。

（调节反

向定值积分时间

λ=

2n

Vref

Vi）

（4）．重新进行 2、3 步骤，使之均满足要求为止。

12

（5）．最后准确测量 RP2、RP3 电阻值，并用固定精密电阻予以代替。

RP1 可引出表外调整。

测量前先调整 RP1，使显示器回零。

六、系统方案总结

工作原理数显电子秤电路原理如上图所示，其主要部分为电阻

应变式传感器 R1、R2、R3、R4 及 IC2、IC3 组成的测量放大电路，和

IC1 及外围元件组成的数显面板表。

传感器 R1 采用 E350~ZAA 箔式

电阻应变片，其常态阻值为 350 欧姆。

测量电路将产生的电阻应变

量转换成电压信号输出。

IC2、IC3 将经转换后的弱电压信号进行放大，

作为 A／D 转换器的模拟电压输入。

IC4 提供 l．2V 基准电压，它同

时经 R5、R6 及 RP2 分压后作为 A/D 转换器的基准电压。

3-1/2 位

A/D，转换器 ICL7107 的参考电压输人正端，由 RP2 中间触头引入，

负端则由 RP3 的中间触头引入。

两端参考电压可对传感器非线性误

差进行适量补偿。

当然，可能还有这样那样的问题，特别是非线性误差方面的问

题，在实际的制作中可以加以完善。

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