数字电子秤设计

数字电子秤设计

 

一 概述

本设计的电子秤以单片机为主要部件，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。而三运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。ADC0809 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。

1.1本设计的任务和主要内容

设计的主要内容如下：

1)        运用电阻应变式传感器并采用全桥测量电路

2)        设计一款电子秤，用LED液晶显示器显示被称物体的质量

3)        电路由全桥测量电桥，三运放大电路，A/D转换电路，LED显示电路

4)        写出详细的实验报告

1.2基本工作原理及原理框图

基本工作原理框图如下：

 

电路方框图如下：

二 总体方案设计

手提电子称实现的原理就是利用电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，拟信号的方式传送到A/D转换器。其次，由A/D转换电路把由差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送A/D转换电路中。再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。                                                 电阻应变式传感器是实现测试与自动控制的重要环节，也是智能仪器和仪表的重要组成部分。在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。

下图是电子称系统总体框图

       

 

 

 

 

 

 

 

三 硬件电路的设计

3.1 传感器的选择

3.1.1 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：

A.           电阻丝温度系数引起的。

B.           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。

 

 

应变式传感器安装示意图

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U_out＝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。

 

3.1.2 电阻应变式传感器的测量电路

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做常用的是桥式测量电路。

 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U，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，或则就有电压输出，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。

 测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们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。

全桥测量电桥图

三运放大电路结构图

它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右，测量电桥的电源由稳压电源U_in供给。将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V(2V档测量)或－0.200V。拿去托盘上的所有砝码，调节电位器R W4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。

3.2 弹性体

弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变棗电信号的转换任务。

以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。

设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。

肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。

ε = （3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2--9）

其中：Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：μ—泊松系数；B、b、H、h—为梁的几何尺寸。

需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。

 

3.3 三运放大电路

本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。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。       

三运放大电路结构图

 

 

3.4ADC0809 A/D转换器

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。  

3.5.1ADC0809的内部逻辑结构：

 

由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

3.5.2引脚结构：

IN0－IN7：8条模拟量输入通道

ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：4条

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。

C	B	A	选择的通道
0	0	0	IN0
0	0	1	IN1
0	1	0	IN2
0	1	1	IN3
1	0	0	IN4
1	0	1	IN5
1	1	0	IN6
1	1	1	IN7

数字量输出及控制线：11条

ST为转换启动信号：当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。

CLK为时钟输入信号线：因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，

VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。

3.5.3 ADC0809应用说明：

1)        ADC0809内部带有输出锁存器，可以与8031直接相连。

2)        初始化时，使ST和OE信号全为低电平。

3)        送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。

4)        在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。

5)        是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。

6)        当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。

3.6 LED显示电路设计

3.6.1 LED显示器结构与原理

LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。

 

3.6.2 LED显示器与显示方式

在单片机应用系统中使用LED显示块构成N位LED显示器。N位LED显示器有N根位选线和8*N根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮，暗。

LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示  LED动态显示方式。

   在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。

图  2.4-1LED显示电路图

 

四 总体电路图

 

五 设计总结

目前，电子秤正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。ICL7106采用较小的封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少，满足了电子秤小型化的需求；其内置各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过SPI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。因此ICL7106是电子秤中模数转换器的理想选择。

在电子技术的课程设计中，我花了大量的时间和精力进行资料查阅和方案论证，结合自己所学，认真解决每一个功能模块中遇到的问题．有时，为了解决一个具体问题，竟到了绞尽脑汁的地步．

在设计完各个功能模块之后，我用Protel 99 SE绘图软件进行了各个模块的绘制，并最终绘制成一个总的电路原理图，收到了很好的效果。但由于缺乏实践经验，电路中还有些功能不够完善，参数不够精确，而且抗干扰能力也不够好。

总之，在这次课程实际中，我学会了怎样把自己所学的书本知识应用到实处。通过具体的操作，我掌握了各个功能模块的接口设计方法，无论是在设计思想还是在动手能力上都有了很大的提高。

从这次的课程设计中，我真正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，课程设计更是如此，只有经常的动手，理论与实际结合的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。

参考文献

1：常健生主编 检测与转换技术 机械工业出版社 1997                    2：陈尔绍编著 传感器使用装置 人民邮电出版社 1999

3：沙占友主编 智能仪表原理、使用与维修 电子工业出版社 1991

4：姚培元主编 无损检测技术 机械工业出版社 1997

5：周培森主编 自动检测与仪表 清华大学出版社 1986

6：凌志浩编著 智能仪表原理与设计技术 华东理工大学出版社 2003

7：常太华,苏杰,田亮编著 检测技术与应用 中国电力出版社, 2003

8：陈岭丽,冯志华主编 检测技术和系统 清华大学出版社, 2005

9：何希才编著 传感器及其应用 国防工业出版社, 2001.5

10：何希才,薛永毅编著 传感器及其应用实例 机械工业出版社, 2004

11：张洪润, 傅瑾新主编 传感器应用电路200例 北京航空航天大学出版社, 2006

 

 

 

 

 

 

附录

力加载（全桥电路）--数字电子秤

采用全桥测量电路，经过三运放大电路进行信号放大，具有精度高，性能稳定，测量准确，使用方便等优点。

基本原理：

本设计由以下四部分组成：电阻应变传感器、信号放大系统、模数转换系统、显示器。其原理图如下所示。

测量过程是把被测物体的重量通过传感器将重量信号转化为电压信号输出，放大系统把来自传感且微弱信号放大，放大后的电压信号经过模数转换把模拟量转换成数字量，数字量通过数字显示器显示重量。传感器的测量电路我们选用全桥测量电路，应变电阻作为桥臂电阻接在电桥电路中。无压力时，电桥平衡，输出电压为零；有压力时，电桥的桥臂电阻值发生变化，电桥失去平衡，有相应电压输出。三运放大电路是把传感器的微弱信号放大，以满足模数转换的要求，为保证测量的准确，放大器应该尽量做到高阻输入低阻输出，因此一般选用运算系统组成放大电路。