数字电子秤设计.docx

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数字电子秤设计

摘要

本数字电子秤设计是由电源模块、A/D转换模块、放大模块、数字显示模块、自动切换模块五大模块组成。

采用压敏4片电阻构成的电桥测量电路来采集极其微小的电压信号，然后送入放大电路放大后送入A/D转换芯片CC7107，使得输入电压信号转换成数字量来输出；再有译码电路转换模块直接连接数码显示管构成，显示实际测量值。

同时根据输出，自动判断出所加压力的大小来改变量程，实现自动换挡。

该设计比较简单，方便制作生产。

关键词：

电子秤转换器重量传感器放大器

Abstract

Thisdigitalelectronicscalebythepowermoduleisdesigned,A/Dconversionmodule,amplifiermodule,adigitaldisplaymodule,themoduleautomaticallyswitchesfivemodules.BridgemeasurementcircuitusingfourresistorssensitivetocollecttinyvoltagesignalisthenfedintotheamplifiercircuitA/DconverterchipCC7107,sothattheinputsignalisconvertedintodigitalvoltageoutputs;Furthertranslationcodeconversionmodulecircuitsdirectlyconnecteddigitaldisplaytubes,showstheactualmeasuredvalues.Meanwhileaccordingtotheoutput,automaticallydeterminethesizeoftheappliedpressuretochangetherange,automaticshift.Thedesignissimple,easytoproduceandproduction.

Keywords：

digitalelectronicscaleweighingsensoramplifier

目录

中文摘要

英文摘要

前言1

绪论2

研究本文的意义2

工作原理2

性能及技术要求2

1.硬件设计3

1.1电源模块3

1.1.1电源模块工作原理3

1.1.2电源电路4

1.2传感器模块5

1.3放大模块6

1.3.1放大模块选择6

1.3.2放大模块放大倍数7

1.4模数转换8

2.模数器件9

2.1CC7107引脚说明9

2.2自动切换电路10

2.3数字电压表电路11

2.4CC7107工作过程12

2.5CC7107工作条件13

3.结论14

参考文献15

附录一：

16

前言

电子称重技术是现代称重计量和控制系统工程的重要基础之一，电子秤具有称量准确快速，读取方便，适应性强，扩展性强，在商务贸易、资源买卖、轻工食品、交通运输等部门得到了广泛的应用。

本文研究电子秤的精度高、制作简易方向。

此电子秤设计可应用于测量精度要求较高的地方,具有不错的实用推广价值。

绪论

研究意义

众所周知称重装置是一个能够提供重量数据的仪器，其作为工业，生活，商业管理系统中一个必要部分大力推动了社会的自动化和现代化。

起到了节约作业交易的时间、提供人性化操作、降低能源资源消耗、提高产品品质另外加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。

公民经济各领域都已经应用称重装置，大大提高了经济效益。

这样对称重仪表的要求也随着社会越来越高，要求仪表有更高抗干扰能力、更高的精度。

跟着社会生产的发展和商品交易的扩大而称重装置的需求也随着增多，机械秤的各个方面已经无法适应目前要求，与此同时电子称日趋成熟并开始取代机械秤。

现代称重技术的主要特点方便操作、误差小、快速准确、智能化等方面。

工作原理

此设计电子秤以传感器、信号放大器、模数转换器、显示器和量程切换系统为主要部件，当交易商品放到电子秤上时，秤盘下的敏感电阻应变式传感器感应使得电路产生电信号，同时随商品重量的大小改变而使得信号的强弱改变，该电信号经放大器放大数百倍以后，送入A/D转换芯片进行模数转换，得到的数字量与物重成正比，这样就可以通过数值显示屏显示数字量来表示重量，由于物体的重量相差比较大，设定不同的量程且自动切换量程。

图1-2基本工作原理框图

性能及技术要求

（1）设计出简单易用的数字电子秤电路；

（2）能自动切换重量范围；

（3）测量范围：

0～1.999Kg，0～19.99Kg，0～199.9Kg，0～1999Kg。

1.硬件设计系统

本电子秤系统硬件以模数转换器为核心，此外还有电源模块、数据采集放大模块、自动换档模块、数码管显示模块。

1.1电源模块

在本数字电子秤设计中电源模块只用到一种+5V的电源。

稳压电源模块由整流电路、电源变压器、滤波电路和稳压电路组成，如图1-1电源方框与波形图所示

图1-1电源方框与波形图

1.1.1电源模块工作原理

通过图1-1电源方框与波形图可以看出进过电源变压器变压后，整流电路是将交流电压U2变换成脉动电压U3。

而滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。

滤波电路的作用是脉动电压U3中的大部分没有用的波形加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。

因为得到的输出电压U4受负载、输入电压和温度的影响不稳定，最后加入稳压电路可以得到更为稳定电压，从而得到稳定的电压U5。

1.1.2电源电路

根据我们设计的要求，本设计选择具有比较高的精确度集成三端稳压芯片LM7805，同时加上电容的滤波，对电路可以提供比较稳定的电压。

图2-2电源电路中电路提供+5V的电源来用于A/D芯片（CC7107）、传感器数据采集、信号放大、数码显示。

输出电压+5V给AD转换器CC7107供电；-5V为CC7107参考电压和用于调零电路。

通过计算-5伏的电压足够实现输出的电流最大值为2000mA和取样电阻为1欧所以要求CC7107输出的电压至少为2伏。

图1-2电源电路图

1.2传感器模块

桥式测量电路是我们测量电路采用最为常见的，如图1-3电桥测量电路使用的是电阻应变传感器半桥式测量电路。

它的两只应变片和两只电阻贴在弹性梁上，测量电阻随重力变化导致弹性梁应变而产生的变化。

此时的电阻变化使得桥式测量电路的输出电压发生变化。

图1-3电桥测量电路

传感器模块工作原理

如图1-4传感器工作原理框图所示，在重量传感器没有载荷时，弹性敏感元件就不产生应变，此时应变片不发生变形，阻值不变，电桥平衡，那么输出电压为零；当有物体称量的传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。

4个应变片电阻R1、R2、R3、R4组成了桥式测量电路，对角点A和B接电源电压V+,C与D接负载，电桥平衡的时候即R1R4=R2R3，则CD输出为为零。

当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，CD端有输出电压。

称重传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成ΔR/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120Ω，灵敏系数K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000ε，应变电阻相对变化量为：

ΔR/R=K×ε=2×1000×10－6=0.002

由式中可以看出电阻变化率只有0.2%，电阻变化只有0.24Ω。

同时输出电压与被测物体重量成线性关系：

M=κV

图1-4桥式电路工作原理框图

1.3放大系统

1.3.1放大器的选择

1、电子秤一般选择高阻抗、低失调、精密类、低温漂、高共模抑制比等特点的运算放大器

2、电子秤一般选择低噪声电阻的运算放大器

3、设计电路注意平衡的处理

4、注意抗干扰性处理，即加金属屏蔽罩、金属体接电路地等措施。

5、放大器电路的满幅输出摆动与ADC的满幅输入范围相匹配。

放大器放大倍数可以通过传感器的输出电压与ADC的输入电压来决定放大倍数。

1.3.2放大器放大倍数

称重传感器输出电压振幅范围0～20mV，而输入模数转换的电压要求范围为0～1.999V，所以在放大环节要有100倍左右的增益。

对放大环节的要求是增益可调的（70～150倍），根据本设计的实际情况增益设为100倍即可，保证零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。

按照输入电压20mV，分辨率20000码的情况，漂移要小于1µV。

由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（±1µV），从而保证了放大环节对零点漂移的要求。

稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。

图1-5放大系统电路

设电桥的两个输出端在没有连接处理电路时的电压分别为uI1和uI2。

如图1-5放大系统电路，由于运算放大器输入端的“虚短”效应,在反馈电路的作用下,反相输入端的电压将逼近于同相输入端的电压uI1,使电桥平衡。

其输入差模电压：

uI1-uI2=

所以输出电压：

uO=

由以上分析得知，电路的放大倍数

=

保证放大器电路放大倍数β等于输出电压与被测物体重量间的比例系数κ。

保证输出级是低电阻，输入级是高电阻使测量更加的准确，放大系统设计时系统应该具有很高的抑制共模干扰的能力，根据被测物体的重量对应传感器的输出量改变系统的放大倍数，然后按对应的比例相应放大传感器的输出量。

但是如果被测量的重量相差较大，这时可以采用自动切换量程。

1.4模数转换

CC7107是高效率,低能耗3½位数字A/D转换器。

被包括在内的是七个片段译码器,叁考和一个时钟。

AD转换器CC7107采用双积分的方法实现AD转换，以4000个计数脉冲周期，每个转换周期分成自动稳零阶段，信号积分阶段和反积分阶段。

图1-5CC7107模拟电路部分。

图1-6CC7107数字电路部分。

图1-6CC7107模拟电路部分

图1-7CC7107数字电路部分

1.5显示模块

CC7107可用标准的3.5位LED显示电路进行显示，也可以用四位组合的LED显示电路进行显示，还可以采用四块分离的七段LED显示电路进行显示，此时千位显示器除了用来显示千位的1外，还可以现实负号，工作电压过低等符号。

CC7107设有专门的小数点驱动信号，小数点的驱动是用共阳极的发光二极管显示器，公共阳极接V+。

小数点接V+时熄灭，接GND时亮。

由于大规模集成电路的广泛应用，3½位和4½位AD转换已经应用于各种测量系统。

显示系统有发光二极管。

有双积分型AD转换器的模拟电路以及数字电路全部集成在一片芯片上，使用时只需外接少量的电阻，电容和显示器件，即可完成模拟量转换成数字量。

根据所选用的A/D转换器CC7107已具有译码部分，所以在显示时只需要接上数码显示器即可进行用于显示。

其图为：

图1-8数码管显示

2.器件简介

2.1CC7107引脚说明

CC7107使用标准的塑料双列直插40引线封装，如图2-1CC7107顶视图所示。

引线功能说明如下：

引脚A1～G1是个位的段驱动信号，接个位数码管显示的G1～G7对应段。

引脚A2～G2是十位的段驱动信号，接十位数码管显示的S1～S7对应段。

引脚A3～G3是百位的段驱动信号，接百位数码管显示的B1～B7对应段。

AB4为千位的驱动信号，接千位数码管显示的AB4段。

POL为负数指示信号，接千位数码管显示的负号段。

GND为逻辑线路的电位端。

OSC1和OSC2为时钟脉冲发生器的接线端。

VREF+和VREF-为参考电压的接线端。

CREF+和CREF-为参考电容的接线端。

COMMON为公共模拟地端。

IN+和IN-为模拟信号输入端。

BUFF为缓冲器输出端。

接积分电阻。

V+为电源正极，接+5V。

V-为电源负极，接-5V。

图2-1CC7107顶视图

2.2自动切换电路

当输入信号电压溢出满量程度数时叫做超量程（

），此时A/D转换器呈溢出状态；当输入信号电压小于某一个特定量程内的有效显示叫做欠量程（

）。

当出现超量程时，自动切换量程控制分配系数的开关，对应改变分配系数以扩大量程；当出现欠量程时，也是自动切换量程控制分配系数的开关，相应改变分配系数以减小量程，从而获得合理的度数。

图2-2CC7107自动切换电路

CC7107转换器显示段有效时为‘0’，无效时为‘1’。

如图电压比较器的判别电压VT为VT=73%（V+—VGND）

因此CC7107AD转换器输出的数字信号为逻辑‘1’或‘0’时，电压比较器的输出分别为‘1’或者‘0’。

当转换器出现超量程时，出现溢出，按照CC7107的设计，这时千位显示1，其他三位不显示。

因此只要取出三位数字中的任一位不显示的信息就可以作为超量程的信号，分析显示段的不显示状态就可以知道当段bg都不显示时候就表明这一位不显示。

B3和G3为高电平，

为低电平，‘0’表示超量程，否则不在超量程时，

输出为‘1’。

当转换器处于欠量程时，最高位和次高位显示的数为‘0’。

最高位AB4为1时，该位不显示；百位数为零时显示‘0’。

显示零时段一定不亮，但是g笔段不亮的情况下还有数字1和7。

AB4和G3为高电平而E3为低电平时，

为低电平表示欠量程，反之非欠量程时，

输出为1。

2.3数字电压表电路

由CC7107,LED和若干无源元件组成了数字电压表电路。

该电路采用标准的3.5位显示电路进行显示，其中最高位可以显示千位的“1”和显示负号。

同时由于该电路的两个输入端即COMMON与V+端的电位差具有很高的稳定性，可以作为参考电压源。

因此，可以通过分压的方法来扩大它的量程。

由于两个输入端最大承受电压为200mV因此要实现最大值为2000mV的显示可以用以下分压形式（本设计所采用的）如图2-8所示：

图2-8数字电压表的外接电路

由于电压和重量成线性关系，在消去零位输出并归一化后直接进行A/D转换然后显示，即本设计用CC7107十进制带显示驱动的三位半A/D转换器片内的译码器可以直接显示。

2.4CC7107工作过程

AD转换器CC7107采用双积分的方法实现AD转换，以4000个计数脉冲周期，每个转换周期分成自动稳零阶段信号积分阶段和反积分阶段

A/D转换器CC7107工作过程：

自动稳零阶段

进入自动稳零阶段以后，通过电路内部的模拟开关使得IN+和IN—两个输入端与COMMON公共模拟端短接，闭合反馈回路，自动稳零电容CAZ充电，使缓冲放大器，积分器和比较器的输出回复到零态。

此时稳零阶段的时间tAz为

tAZ=1000TCL+2000TCL-

式子里：

TCL为时钟脉冲fCL的周期；1000TclVIN/VREF为反积分阶段时间。

信号积分阶段

进入信号积分阶段以后，断开反馈回路。

输入端短路消失，使电路从自动稳零阶段进入到采样积分阶段，此阶段的时间固定为1000个计数脉冲的时间。

输入的模拟信号VIN进过缓冲放大器放大，信号放大k倍后送去积分器积分。

积分器在0-t1的时间里，从零开始积分，取样积分结束后，积分器的输出电压为：

VINT0=-

式子里：

RINT为积分电阻；CINT为积分电容；VIN为模拟输入信号电压，t1为积分时间

又由于信号积分阶段的固定时间tINT为tINT=1000TCL

反积分阶段

双积分A/D转换器的反积分阶段是实现对与输入模拟信号极性相反的参考电压ＶＲＥＦ进行积分。

在反积分开始时候，参考电容上的参考电压ＶＲＥＦ送入放大器进行放大，放大后的参考电压再送入积分器进行积分。

此时，积分器从VINT0开始积分，积分器的输出电压为：

VDE0=VＩＮＴ０＋

积分器返回到0的时间为（t2-t1）。

将VINT0的积分值代入上式。

对第二项进行积分得

VIN=VREF（t2-t1）/t1

如果用计数脉冲的个数表示时间，t1等于1000个计数脉冲，（t2-t1）等于T个计数脉冲，则

VIN=VREFT/1000

VREF是稳定的参考电压，是一个常数，因此模拟电压VIN与积分器在反积分时候返回到0时的时间成正比。

又因为T是用计数脉冲个数表示的，通过译码器就可以接受计数器的状态来实现模拟量的数字显示。

令VREF等于1000mV那么有VIN的数值等于T的数值。

图2-2积分器的输出波形是对负模拟信号进行数字转换时，积分器的输出波形积分器的输出信号经过比较器进行比较后作为逻辑部分的程序控制信号。

逻辑电路不断重复产生三个阶段的控制信号，适当地指挥计数器,锁存器，译码器，显示器协调工作，即可输入信号的脉冲个数的数字显示出来。

图2-2积分器的输出波形

2.5CC7107工作条件

1.积分电阻RINT

积分电阻RINT必须足够大时候才能保证CC7107在输入电压范围内线性工作即：

RIN=VFS/IINT

式子中IINT等于4μA。

AD转换器满度电压VFS等于2V与VFS等于200mV时。

分别可等RINT=500kΩ，RINT=50kΩ

2.积分电阻RINT

按照模数转换器的额定转换速率和积分器额定积分电流的情况下使得积分器输出不饱和为原则决定了积分电阻RINT的取值大小

CINT=4000CINT/（foscVIS）

VIS是积分器的输出电压幅度。

估算A/D转换器转换速率为2.5次/秒，积分电流为4μA，积分器的输出电压幅度取在3V时，外接积分电容CINT的值求得为0.1μF。

一般可选0.1-0.22μF

3.自动稳零CAZ

系统允许引入的噪声决定自动稳零CAZ大小的选择。

在模数转换器具有较高分辨率时要求引入小的噪声，此时就要选用较大的自动稳零电容CAZ。

因此在满度输入VFS等于200mV时，可得CAZ选用0.47μF；当VFS等于2V时，CAZ选用0.047μF

4.参考电容CREF选为0.1μF可以保证A/D转换器的翻转误差在一个字以内为度。

但是在施加较大共模电压时候，可以选用1μF电容。

5.振荡器ROSC和COSC与振荡器的振荡频率fOSC的关系为

COSC=

通常该电路中的电容COSC取定值100pF，可求ROSC为110kΩ左右。

6.参考电压VREF

在上式VIN=VREFT/1000中当满度值时T=2000，VIN=VFS求得在满度输入VFS等于200mV时，可得VREF选用1V；当VFS等于2V时，VREF选用100mV。

3.结论

当下数字电子秤小型化、高集成化、智能化是未来的发展方向。

而本设计采用的CC7107具有较小的封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少特点，满足了数字电子秤小型化和高集成花的需求；CC7107由于其内置各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过接口方便地控制和读取这些寄存器，满足了电子秤智能化的需求。

所以采用CC7107可以作为数字电子秤中模数转换器的理想选择。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础.北京：

高等教育出版社，1997.12

[2]华成英.童诗白.模拟电子技术基础北京：

高等教育出版社，2006.5

[3]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计，北京：

电子工业出版社，2005.2

[4]厉志飞.电子衡器的发展趋势[J].现代计量仪器与技术，2003.（04）

[5]王艳春.智能电子称重系统的设计[J].微计算机信息，2007.（04）

[6]郁有文.传感器原理及工程应用[M].西安：

西安电子科技大学出版社，2006.10

[7]张海霞.新型便携式电子秤设计[J].计量技术，2005，（9）：

6~9

[8]周清华，马善农.高性能低成本电子秤的参考设计[J].世界电子元器件，2006

附录一：