实用电子秤的设计与制作.docx

实用电子秤的设计与制作.docx

《实用电子秤的设计与制作.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实用电子秤的设计与制作.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

实用电子秤的设计与制作

实用电子秤的设计与制作

一、课程设计任务

1．设计框图

利用传感器与检测技术实验室已有的应变式称重台，将四片应变片采用全桥形式接入测量电路，经过运放OP07组成的仪表放大器放大，再由串行模数转换芯片TLC549进行A/D转换，转换结果送入单片机AT89C51，通过同向门7407驱动四位数码管显示。

仪表放大器的输出需经采集卡采集，经过CSY9.0虚拟仪器软件分析，得到较好的线性度和灵敏度后，才能再送入AD芯片进行转换。

系统框图如图1所示。

±15V供电

图1电子秤系统框图

2．基本要求

（1）掌握金属箔式应变片的应变效应。

（2）掌握单臂、半桥和全桥电路的工作原理和性能。

（3）利用multisim仿真软件，确定仪表放大器设计方案；应用运放OP07设计三运放仪表放大器，确定电路元器件具体参数；在通用板上制作电路板。

（4）仪表放大器增益可调，放大倍数自行确定；应变电桥和放大电路应具有调零功能。

（5）能够利用汇编或C51语言编写正确程序，调试电路板，采集放大器的输出电压，并显示。

（6）考虑A/D分辨率为20mV，要求灵敏度不低于40mV/20g。

（7）利用CSY-V9.1虚拟仪器采集测量电路的输出电压至电脑中，并分析数据。

要求非线性误差小于1.50%。

（8）编写课程设计报告，完成设计任务的期限为二个星期。

3.成绩评定方法与标准

本次综合实训的成绩分为优秀、良好、中等、及格、不合格共5档。

成绩将具体从以下5个方面评定，每个方面的成绩均占总成绩的20%。

（1）工作原理

主要内容有金属箔式应变片的应变效应和横向效应；单臂、半桥和全桥电路的工作原理和性能比较；仪表放大器的工作原理和特点；A/D转换的原理；单片机编程基础知识。

该项采用面试的方式进行，随机提问3至5个问题。

（2）仿真结果

在multisim7中仿真电路的结果；电路中元器件参数的选择。

（3）工艺质量

线路板焊接的实物外观，比如焊点、整体布局、走线的合理性、插孔的摆放、是否整洁美观等。

（4）测量效果

从DRLAB实验台中检查重量误差的大小；从CSY9.0虚拟仪器软件中检查非线性误差和灵敏度的值；

（5）实训报告

要求能完整反应整个实训设计和制作过程，整理出规范的报告。

具体格式参照毕业设计论文要求。

内容包括以下几个方面。

a、封面

b、目录

c、前言（课题的背景）

d、硬件制作（应变片称重原理、仪表放大器原理、A/D转换、数码管显示）和程序设计（流程图、调试界面）。

采用自己的语言，简洁明了的说明自己的理解和方法，不可摘抄。

e、调试过程（包括：

调试步骤、故障分析、测试数据和数据分析、结论）。

f、体会和建议

g、附录一Multisim7电路仿真原理图和protel电路图

附录二线路板实物图（测量状态）

附录三元件明细表

附录四CSY9.0测量结果截屏图或DRLAB开放式实验平台测量结果截屏图

附录五系统程序

二、设计总体要求

1．认真阅读本设计任务书，了解本设计的任务和要求。

2．认真复习《传感器与检测技术》和《单片机原理与应用》课程中有关应变式传感器和A/D转换、数码管显示的有关内容。

3．适当查阅一些与设计有关的参考资料，鼓励同学创新。

4．利用protel99画出系统完整电路图，包括仪表放大器和单片机系统两大部分。

6．特别要注意焊接装配的质量，认真搞好焊接装配工艺，焊接完毕后一定要细心检查有无错误、错焊元件、焊接点与接地点短路等。

在焊接装配完成后，要认真检查部件的焊接情况，在与电路图反复对照确属无误后，方可接上直流电源，特别要注意电源接法。

7．遵守实验的规章制度，掌握传感器CSY3000型实验台的操作方法，爱护仪表，切忌发生人身安全和仪表设备安全事故。

8．精心调测，尽量得到较高的灵敏度和较低的非线性误差。

9．认真地写出设计报告，要做到理论与实际相结合，通过设计中的计算、装配、调测，巩固理论，验证理论，书写设计报告是一个从感性认识向理性认识发展的过程，也时考察同学们在本设计中有无收获以及收获大小的标志。

三、采用应变片称重的基本原理

电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。

当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转换成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。

其主要缺点是输出信号小、线性范围窄,而且动态响应较差。

但由于应变片的体积小,商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中仍有非常广泛的应用。

应变片是最常用的测力传感元件。

当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。

通过测量电路，转换成电信号输出显示。

当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化ΔR/R。

在一定应变范围内ΔR/R与ε的关系满足下式：

式中，ε为应变片的轴向应变。

定义K=（ΔR/R）/ε为应变片的灵敏系数。

它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化ΔR/R与其单向应力引起的试件表面轴向应变ε之比。

电阻应变片计把机械应变转换成ΔR/R后，应变电阻变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120Ω，灵敏系数K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000μ，应变电阻相对变化量为：

ΔR/R=K*ε=2*1000*10ˉ6=0.002

可以看出电阻变化只有120*0.002=0.24Ω，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，又不便直接处理。

因此，必须采用转换电路，把应变片计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化。

通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。

若将电桥四臂接入四片应变片，如图2所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。

在接入四片应变片时，需满足以下条件：

相邻桥臂应变片应变状态应相反，相对桥臂应变片应变状态应相同。

可简称为：

“相邻相反，相对相同”。

此时

全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度图2全桥电路

为单片工作时的4倍，同时具有温度补偿作用。

除上述全桥电路外，还有单臂和半桥电路两种。

单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；当E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。

本次实训采用全桥电路。

电桥供电电源为5V。

四、测量电路的设计

1．仪表放大器的工作原理

由于传感器的输出信号往往较小，必须经过放大电路进行调理放大，再进行测量。

常用的放大电路可以由单运放放大器、双运放放大器、三运放放大器或直接由集成仪表放大器（如AD620、AD623）等构成。

下面以三运放构成的仪表放大器为例说明仪表放大器的工作原理及性能指标，运算放大器选择高精度运放OP07。

1）基本电路及放大原理

图3三运放电路原理图

如上图，由运算放大器特性可知

OP1：

OP2：

由分压原理可得

故

由于放大器OP3为差值放大器，可知

所以其差值放大倍数为

当要改变增益时，仅须调整可变电阻R1即可。

2）第二级放大电路的工作原理

图4第二级放大器原理图

第二级放大电路其实是一个增益可调的同相运算放大器，其作用是把第一级放大电路输出的电压进一步放大，以满足需要，工作原理如下：

设U4的输出电位为V*out，输入第一级放大电路输出Vout，而可变电阻P2的实际有效接入部分的阻值为RP。

对U4而言，—、+两端的电位应近似相等，即：

而流过R11、R12电阻上的电流I11、I12可分别表示为：

；

又因为

所以整理后，可得：

放大系数（增益）为：

设电阻阻值分别为R11=10kΩ，R12=10kΩ，0≤RP≤10kΩ，则第二级放大电路的理论计算增益为：

2．集成运算放大器OP-07

OP-07有A、D、C、E各档，它是高精度运算放大器，具有极低的失调电压（10μV）和偏置电流（0.7nA），它的温漂系数为0.5μV/℃，OP-07具有较高的共模输入范围（±14V），共模抑制比CMRR=126dB，以及极宽的供电电流范围（从±3V到±18V），双电源供电。

ADOP-07的封装、管脚排列以及基本连接方式如下图所示，OP07一般不需要调零，如需调零，可在1和8管脚之间接一个电位器，阻值可为20k，参见基本接法图。

图5ADOP-07封装图

调零

调零

管脚功能图基本接法

图6运算放大器引脚图

3．参考电路

图7，图8是压力传感器的测量电路，由两个部分组成。

前一部分是采用三个运放构成的仪表放大器，后面的放大器将仪表放大器的输出电压进一步放大。

R28是电桥的调零电阻，R42是整个放大电路的调零电阻，R29，R40调整运放增益。

仪表放大器因为输入阻抗高，共模抑制能力好而作为电桥的接口电路。

其增益可用下式表示：

A＝（1+

）

图7仪表放大器

图8反相放大器

4．Multisim7电路仿真

（1）仿真软件Multisim7

电子仿真软件Multisim7是加拿大交互图像技术有限公司（InteractiveImageTechnologiesLtd.CO.）于2003年推出的最新版本。

它将以前推出的EWB5.0和Multisim2001版本功能大大提高，Multisim7版本电子仿真软件是目前世界上最先进、功能最强大的仿真软件，是仿真软件的佼佼者。

Multisim7是一个完整的设计工具系统，提供了一个非常大的元件数据库，并提供原理图输入接口、全部的数模Spice仿真功能、VHDL|Verilog设计接口与仿真功能、FPGA|CPLD综合、RF设计能力和后处理功能，还可以进行从原理图到PCB布线工具包（如：

Ultiboard2001）的无缝隙数据传输。

它提供的单一易用的图形输入接口可以满足设计需求。

（2）Multisim7基本界面

基本界面如图1-1所示。

基本界面最上方是菜单栏（Menus），共11项；菜单栏下方左面为系统工具栏（SystemToolbar），共11项；中间为设计工具栏（MultisimDesignBar），共8项；再往右是使用中元件列表（InUseList）和帮助按钮；右上角为仿真开关（SimulateSwitch）。

基本界面的左侧为元件工具栏，其中23个元件库中分别放置同一类型的元件，左列从上到下分别是电源库（Source）、基本元件库（Basic）、二极管库（Diode）、晶体管库（Transistor）、模拟元件库（Analog）、TTL器件库（TTL）、CMOS器件库（CMOS）、各种数字元件库（MiscellaneousDigital）、混合器件库（Mixed）、指示器件库（Indicator）、其它器件库（Miscellaneous）、射频元件库（RF）和机电类器件库（Electromechanical）。

右列为与实际元件相对应的现实性仿真元件模型快捷键按钮，共10类，从上至下分别是：

虚拟电源库、虚拟信号源库、虚拟基本元件库、虚拟二极管库、虚拟三极管库、虚拟模拟元件库、其它虚拟元件库、常用虚拟元件库、虚拟3D元件库、虚拟测量元件库。

另外，左侧下方还有“放置总线”、自动通过因特网进入EDA网站的“.com”等4个功能按钮。

基本界面的右侧为仪表工具栏，该工具栏含有17种用来对电路工作状态进行测试的仪器仪表，这17种测量仪器仪表从上到下分别为数字万用表、函数信号发生器、瓦特表、示波器、4通道示波器、扫频仪、频率计、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、I-V特性分析仪、失真分析仪、频谱分析仪、网络分析仪、美国安捷伦函数信号发生器、美国安捷伦字万用表和美国安捷伦示波器。

基本界面的中间部分即电路窗口，相当于一个现实工作中的操作平台，电路图的编辑绘制、仿真分析及波形数据显示等都在此窗口中进行。

基本界面最下方为状态栏，状态栏显示有关当前操作以及鼠标所指条目的有用信息。

图9基本界面

（3）Multisim7使用方法

●调用元器件操作

单击基本界面左侧元件库第2个基本元件图标（Basic），将出现Selectacomponent对话框，单击Family栏中的RESISTOR，再拉动Component栏的滚动条，选取100ohm，单击“OK”，再在平台上单击左键即可将电阻R1（在Multisim7软件中，由于习惯不同，没有下标的标注）放置到平台上，继续单击左键可连续放置电阻，单击右键停止放置；双击R1，将出现RESISTOR对话框，在Label页下，将ReferenceID栏改为R4，按“确定”退出；单击R4，可在R4四周出现4个小方块，再单击菜单Edit/90Clockwise，可将R4顺时针转90度竖放；当单击R4四周出现4个小方块时按住鼠标不放，可将R4拖放到平台的任何地方；右击R4，在出现的下拉菜单中选“Cut”可删除该元件。

●连接线路

放置好元器件后需要对其进行线路连接，操作步骤如下：

将鼠标指向所要连接的元件引脚上，鼠标指针就会变成带十字圆点状。

单击并移动鼠标，即可拉出一条虚线；如要在某点转弯，则在转弯处单击一下，然后继续连线。

到终点后单击鼠标即自动产生红色连线。

要删除连线，用鼠标右击该连线，在出现的下拉菜单中选“Delete”即可。

五、A/D转换与显示

1．A/D转换

一般电子秤的A/D转换精度越高越好，A/D精度越高，电子秤的灵敏度越高。

但12的A/D芯片价格比较贵，考虑到实验室条件，本次设计采用8位串行A/D芯片TLC549。

TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器通过SDO、SCLK、CS三条口线进行串行接口"具有4MHz片内系统时钟和软硬件控制电路，转换时间最长17微秒。

允许的最高转换速率为40000次/秒。

总失调误差最大为±0.5LSB（最低有效位）。

可用于较小信号的采样。

与AT89C51的具体连接线路如图10所示。

REF+接5V电源，REF-接地，图中输入电压为3.35V，TLC549的AIN引脚接仪表放大器的输出端。

SDO、CS、SCLK分别接AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2引脚。

图10TLC549电路连接

典型的驱动程序如下。

tlc549在读出前一次数据后，马上进行电压采样，ADC转换，转换完后就进入HOLD模式，直到再次读取数据时，芯片才会进行下一次A/D转换。

也就是说，本次读出的数据是前一次转换的值，读操作后就会再启动一次转换，一次转换所用的时间最长为17uS，芯片没有转换结束信号输出。

DATBITP2.0

CSBITP2.1

CLKBITP2.2

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0100H

MAIN:

MOVSP,#60H

ACALLTLC549_ADC

MOVR7,#0

DJNZR7,$

ACALLTLC549_ADC

SJMP$

TLC549_ADC:

CLRA

CLRCLK

CLRCS

MOVR6,#8

TLC549_L1:

SETBCLK

NOP

NOP

MOVC,DAT

RLCA

CLRCLK

NOP

DJNZR6,TLC549_L1

MOVP1,A

SETBCS

SETBCLK

RET

;

END

2．数码管显示

采用4位共阴数码管显示电压值。

考虑到元器件的购买，统一采用7407驱动数码管。

具体连接电路如图所示。

鼓励采用自己的显示方式。

图11数码管显示电路

六、电子秤电路调试

1.根据图12所示，应变式传感器已经装在传感器试验台上。

传感器中各应变片上的R1、R2、R3、R4接线颜色分别为黄色、蓝色、红色、白色，可用万用表测量同一种颜色的两端判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

图12应变式传感器安装示意图

2.接入电源，拨通电源开关，将实验板调节增益电位器R29（参考图7和图8）顺时针调节大致到中间位置，再进行仪表放大器调零，方法为将仪表放大器的正、负输入端（在做板时要预留插孔）与地短接，调节电路板上调零电位器R42，输出的电压读数为零，关闭电源。

（注意：

当R29、R42的位置一旦确定，就不能改变。

一直到做完实验为止）

3.电路板上的R25、R26、R27接入350Ω电阻，接成直流全桥。

检查接线无误后，接通电源。

调节电桥调零电位器R28，使电路板的输出电压压降为零。

4.在托盘上放置一只砝码，读取电压数值，依次增加砝码和读取相应的电压值，直到1Kg砝码加完。

记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。

表1-1

重量（g）

…

电压（mv）

…

5.直接将放大器的输出与实验台的串口相连，利用CSY9.0软件采集数据，并分析系统灵敏度和非线性误差。

或者送入DRLAB开放式传感器实验平台，测量出重量误差。

6.根据表1-1计算系统灵敏度S=

（输出电压变化量与重量变化量之比）和非线性误差：

δƒ1=△m/yF。

S×100%式中△m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：

yF。

S满量程输出平均值，此处为1Kg。

七、思考题

1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：

（1）正（受拉）应变片

（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。

2、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：

（1）对边

（2）邻边。

3、测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：

（1）可以

（2）不可以。

4、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如图1—4，如何利用这四片应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

图1－6应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图