张青春课程设计电子秤ad转换器版.docx

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张青春课程设计电子秤ad转换器版

《传感器技术》课程设计

课题：

数字式电子秤设计

班级测控1101班

学生姓名蒋平学号1101203115

指导教师张青春

淮阴工学院电子与电气工程学院

2013年6月20日

一、系统方案设计

1.1概述

数字电子称通过传感器将被测物体的重量转换成模拟的电压信号，较小的电压信号通过应用放大系统进行准确、线性的放大，以满足模数转换器对输入信号电平的要求。

放大电路采用四运放集成电路LM324中的三个运放组成的仪表用放大电路。

仪表用放大器具备足够大的放大倍数、高输入电阻和高共模抑制比的特点。

放大后的模拟电压信号经过模数转换电路变成数字量，模数转换电路采用模数转换芯片7107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。

1.2系统方案框图

二、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传感器的选择

2.2.1电阻应变式传感器的组成以及原理

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。

由电阻应变片和测量线路两部分组成。

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。

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。

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，其工作原理如图4.1-1所示：

图2.2.1称重传感器原理图

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＝KEε。

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。

应变式传感器安装示意图所示：

图2.2.2应变式传感器安装示意图

2.3测量电路介绍

2.3.1全桥测量电路

本次设计采用的是全桥测量电路，在电阻应变式称重传感器中，常通过桥式电路将电阻的变化转换为电压的变化，如图2.2所示。

它由箔式电阻应变片电阻R11、R12、R9、R10组成测量电桥，电桥的一个对角线接入稳压电源BAT1，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。

当放上重物时，根据重物的重量不同，电桥会发生不同程度的不平衡，输出的电压也就不同。

电阻R6、电阻R7、滑动变阻器Rv2与桥式电路连接，组成调零电路。

在调零完成后，在称重时不能再改变Rv2的值，以免产生误差。

图2.3.1全桥测量电路

2.3.2三运放放大电路

由于称重传感器输出电压信号非常小，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，这次设计中选用的是三运放放大器，如图2.3所示。

图2.3.2三运放放大电路

2.3.3A/D转换电路

A/D转换电路及译码显示部分：

由于TC7107和ICL7107的引脚图和工作原理相同，而且TC7107的工作原理、使用手册几乎全是英文，所以我们在这里用ICL7107代替TC7107进行介绍，是在进行线路连接时，我们可以参照ICL7107进行连接。

ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。

它包含3

位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。

该元件可以实现将输入的模拟信号转换为数字信号并进行输出的功能，输出信号的电压大小可直接供应七段显示器，他的输入信号为±200mV，输出信号为±199.9，其引脚分布图如下：

图2.3.3ICL7107引脚分布图

说明：

1.辨认引脚：

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。

也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。

许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。

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。

（1脚与40脚遥遥相对）。

2.牢记关键点的电压：

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。

3.注意芯片27,28,29引脚的元件数值，它们是0.22uF,47K,0.47uF阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。

芯片的33和34脚接的0.1uF电容也不能使用磁片电容。

4.注意接地引脚：

芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，通常使用情况下，这4个引脚都接地。

5.负电压产生电路：

我们常用一只NPN三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片38脚的振荡信号串接一个20K－56K的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为2.4V－2.8V为最好。

这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过2只4u7电容和2支1N4148二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给ICL7107的26脚使用。

这个电压，最好是在－3.2V到－4.2V之间。

图2.3.4ICL7107引脚连接图

2.3.4译码显示部分

由于ICL7107的输出电压可直接供给七段显示器的输入，因此可直接将七段显示器接到ICL7107的输出端口上。

ICL7107支持3段半的输出，因此需要用到四个七段显示器，其中3个可用到七个二极管显示段，另外1个只需要用到b、c两段，4个七段显示器都不需要用到小数点显示位，即DP显示位。

ICL的输出时正电压，因此本次课程设计使用的是共阴极的七段显示器，其引脚分布图为

图2.3.5七段显示器引脚分布图

七段显示器引脚如下：

图2.3.6七段显示器与AD转换器连接图

2.4误差分析与纠正

2.4.1系统误差

2.4.1.1电阻应变片灵敏系数K的变化产生的误差与纠正

电阻应变片的电阻变化率可表示为:

ΔR/R=KLεL+KBεB…………………………

（1）

式

（1）中:

KL为电阻应变片的轴向灵敏系数;KB为电阻应变片的横向灵敏系数;εL为沿电阻应变片轴向的应变;εB为沿电阻应变片横向的应变。

由式

（1）可见,电阻应变片的电阻变化率实际上是2部分的迭加,一部分是敏感栅仅受εL作用（εB=0）时的电阻变化率,另一部分是敏感栅仅受εB作用（εL=0）时的电阻变化率。

式

（1）又可表示为:

ΔR/R=KLεL（1+HεB/εL）…………………………

（2）

式

（2）中:

H=KB/KL为电阻应变片的横向效应系数。

令C=εB/εL,则可得:

ΔR/R=KL·εL（1+CH）……………………………（3）

　　对已贴片的电阻应变计,C表示横向应变与轴向应变之比,所以C由电阻应变片贴装处应变场特性和贴装方位所决定。

电阻应变片的灵敏系数K是式（3）的一个特例,即:

C=εB/εL=-μ0εX/εX=-μ0

　　上式中:

μ0为电阻应变片金属丝材料的泊松系数;εX为电阻应变片金属丝的轴向应变。

此时:

K=KL（1-μ0H）………………………………（4）

　　式（4）表达了一般意义下电阻应变片的灵敏系数。

它表明电阻应变片表现出的对应变的灵敏度是有条件的,K值除取决于电阻应变片敏感栅的材质、形状之

外,还与被测量点应力的状态和电阻应变片的贴装方位（C值）有关。

2.4.1.1电桥非线性带来的误差与纠正

图2.4.1全桥式电桥电路

全桥接法,同样B′B和D′D间的电阻是与放大器阻抗串联的,可忽略不计。

由于A′A和C′C的导线电阻使加到应变电桥上的桥压降低为:

也就是说使K值下降为:

所以,其误差为：

当导线过长,必须修正。

这里还要指出的是,温度变化除引起应变计电阻变化外,还会引起连接应变计和应变仪的连接导线电阻变化。

例如对于横截面积为0.5mm2,长为15m的铜导线,其电阻约为0.6Ω。

当温度变化5℃时,导线的电阻将变化0.012Ω,灵敏系数为2.0的应变计,相当于100×10-6所引起的电阻变化。

也就是说如果其他因素不变,应变仪读出100×10-6的虚假应变。

可见温度变化也会导致很大的试验误差。

因此,在试验时,工作和补偿应变计的连接导线应采用同一型号的电线,长度应相同,并且将它们捆扎在一起,使其受相同温度的影响,这样温度变化产生的影响也将被补偿。

2.4.2随机误差

机械滞后引起的误差确定方法及解决方法

由于电阻片的特性不好,粘贴剂固化处理不好或胶层过厚,都会造成电阻片不完全服从胡克定律或稳定性差,而使电阻片产生机械滞后。

机械滞后的误差可从加载曲线得出,如图2.4.2所示。

机械滞后对动态测量不仅会影响到所测应变得大小,而且在时间上还有滞后,这对于分析结构各部件变形的相互关系,将带来一定的影响,因此需要加以修正。

可采用对被测量试件反复加卸载的办法来减小机械滞后量,一般反复3～5次即可。

图2.4.2机械滞回曲线

三、系统调试与验证

本次实验我产用了系统联调的方式，运用proteus进行了软件调试，使用了另外的调试电路来替换传感器，以达到验证系统的目的。

调试电路如下：

图3.1调试电路

通过改变输入电压以及RV4的阻值来打到调试目的，使显示部分显示不同的数值。

总调试图如下：

图3.2调试结果

在此只列举了一次调试结果，但在本人的调试阶段，可以确认这个系统有效。

四、课程设计总结与体会

本次课设计的总体思想是将待测的重量通过称重传感器转化为电压，再通过三位半A/D转换/显示译码芯片TC7107将电压信号转化为三位半的BCD码，再经过七段数码管显示出来。

经过查资料，画电路图，仿真，经最终的验证，我们实现了课设所要求的所有要求，由于初次接触Proteus，难免有些不足的地方。

虽然最终完成了设计，但通过这次课设我们还是找到了一些问题，在最初阶段，我们几个是想采用单片机来完成这项任务，但是后来发现用软件远比硬件麻烦的多，要有ADC0809，AT89C52,8155等芯片，而且在Proteus库中只有8155H没有8155，ADC0809没有仿真模型还得找一个功能相同的芯片来代替，使用单片机就必须要用程序来控制，编程也是一件很麻烦的事，汇编没发现错误并不代表程序就是正确的，只有运行出现正确的结果才行，所以经过比较之后我们觉定采用硬件来做。

短暂的课程设计一转眼就过去了，虽然历尽艰辛但却让我加深了对课堂上所学的东西的理解，明白了许多在课堂上不能明白的东西。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

同时通过这次可设也让我在以下几个方面有了提高：

1，提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。

加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。

另外，我们还更加充分的认识到，数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性2，查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多的还是独立思考。

3，提高了团队合作的意识，一个项目或者一个课题往往不是一个人完成的，所以团队意识对于我们以后的工作和生活都非常重要。

总之，中间虽然经过了很多的波折，但最终还是成功了，其实不管成功与否这次经历对于我们来说都是一笔宝贵的财富，它对于我们以后的生活和工作都将意义深远。

附：

一、参考资料

1、《中国集成电路大全》编写委员会编，中国集成电路大全CMOS集成电路。

北京；国防工业出版社，1985.

2、徐恕宏主编，传感器原理及其设计基础。

北京；机械工业出版社，1988

3、阎石.数字电子技术基础.北京：

高等教育出版社，1998

4、毕满清.电子技术实验与课程设计.北京:

机械工业出版社，2005

5、孙余凯.精选实用电子电路260例.北京:

电子工业出版社，2007.2

6、康华光.电子技术基础模拟部分［Ｍ］.第五版.北京：

高等教育出版社，2006.

7、阎石.数字电子技术基础［Ｍ］.第五版.北京：

高等教育出版社，2006.

8、徐科军.传感器与检测技术［Ｍ］.第三版.北京：

电子工业出版社，2011

二、元器件清单

BillOfMaterials

=================

Design:

C:

\Users\asus\Desktop\课程设计定稿\wy.DSN

Doc.no.:

Revision:

Author:

Created:

13/06/19

Modified:

13/06/20

---------

1R1100kD100K

1R210kD10K

1R3470kD470K

1R410kW10K

1R551kM51K

6R6,R7,R9-R12100kM100K

3R8,R17,R1810kM10K

2R13,R147k5M7K5

2R15,R161kM1k

1R192kM2k

Capacitors

----------

1C1100pFDigikey478-1027-2-ND

1C21.0uDigikey478-1264-2-ND

1C30.047uFDigikey478-1035-2-ND

1C40.22uMaplinDT57M

IntegratedCircuits

-------------------

1U1TC7107

3U2,U7,U10OP1P

1U374LS04

1U4LM324

Miscellaneous

-------------

1BAT11.5V

1RV11KDigikey3214J-102EDKR-ND

1RV21KDigikey3005P-102-ND

1RV4650kDigikey3214G-102EDKR-ND

1VR1CN0805K11G

三、电路原理图