電阻應(yīng)變式力制作的數(shù)顯電子秤

1、電阻應(yīng)變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 摘要摘要 本設(shè)計(jì)分四個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集及放大模塊、模數(shù)（a / d）轉(zhuǎn)換模塊、自動(dòng) 換檔模塊、顯示模塊。本電路應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器來(lái)采集電壓的微小變化， 經(jīng)過(guò)放大電路放大后送入 a/d 轉(zhuǎn)換芯片 cc7107，對(duì)輸入電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成 數(shù)字量輸出；顯示模塊直接連接數(shù)碼管構(gòu)成，顯示實(shí)際測(cè)量值。同時(shí)根據(jù)輸出， 自動(dòng)判斷出所加壓力的大小來(lái)改變量程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋?？蓪?shí)現(xiàn) 0 1.99kg，019.99kg，0199.9kg 范圍的測(cè)量。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 電阻應(yīng)變式傳感器；敏感元件；電子秤。 abstract the design is divided into four

2、 modules: data acquisition and amplifier module, the module (a / d) converter module, automatic transmission module, display module. the application of resistance strain sensor circuit to capture small changes in voltage, after amplification into the amplifier circuit a / d converter chip cc7107, th

3、e input voltage signal into a digital output; display module connected directly to digital form, showing the actual measurement value. at the same time according to the output, automatically determine the size of the applied pressure to change the range, automatic shift. can achieve 0-1.99kg ,0-19 .

4、99 kg ,0-199 .9 kg range of measurements. key words strain sensor；sensitive components；;electronic scales. 目 錄 1 1 計(jì)量器具的發(fā)展計(jì)量器具的發(fā)展.1 1 2 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與比較系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與比較.3 3 3 3 元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)元器件的選擇和電路設(shè)計(jì).4 4 3.1 傳感器的選擇以及原理.4 3.1.1 彈性體 .5 3.1.2 電阻應(yīng)變片 .6 3.1.3 電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路 .7 3.2 放大器電路.9 3.3 a/d(模/數(shù))轉(zhuǎn)換器.10 3.3.1 a/d

5、 轉(zhuǎn)換芯片 7107 的引腳圖及其引腳功能.10 3.4 數(shù)字電子秤的電路分析.12 3.4.1 數(shù)字電子秤的電路 .12 3.4.2 數(shù)字電子秤的電路圖分析 .13 4 4 系統(tǒng)測(cè)試方法系統(tǒng)測(cè)試方法.1515 5 5 結(jié)論結(jié)論.1616 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ).1717 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).1818 1 計(jì)量器具的計(jì)量器具的發(fā)展發(fā)展 測(cè)定物體質(zhì)量的衡器。常見(jiàn)的有桿秤、臺(tái)秤、案秤、彈簧秤等。桿秤。 以帶有星點(diǎn)和錐度的木桿或金屬桿為主體，并配有砣(砝碼)、砣繩和秤盤(或秤 鉤)的小型衡器。按使用范圍和秤量的大小分為戥子、盤秤和鉤秤 3 種。臺(tái)秤。 承重裝置為矩形臺(tái)面，通常在地面使用的小型衡器。按結(jié)構(gòu)原理可分

6、為機(jī)械臺(tái) 秤和電子臺(tái)秤兩類。案秤。在工作臺(tái)案或柜臺(tái)上使用的小型商用衡器。按結(jié) 構(gòu)和功能可分為普通案秤和電子計(jì)價(jià)秤兩類。彈簧秤。利用彈簧在被測(cè)物重 力作用下的變形來(lái)測(cè)定該物體重量的衡器。其秤量可從 1 毫克到數(shù)十噸。 電子秤：利用作用于物體上的重力來(lái)測(cè)量該物體質(zhì)量(重量)的計(jì)量?jī)x器， 裝有電子裝置。 秤重物品經(jīng)由裝在機(jī)構(gòu)上的重量傳感器，將重力轉(zhuǎn)換為電壓或電流的模擬 訊號(hào)，經(jīng)放大及濾波處理后由 a/d 處理器轉(zhuǎn)換為數(shù)字訊號(hào)，數(shù)字訊號(hào)由中央處 理器(cpu)運(yùn)算處理，而周邊所須要的功能及各種接口電路也和 cpu 連接應(yīng)用， 最后由顯示屏幕以數(shù)字方式顯示。 工作流程說(shuō)明： 當(dāng)物體放在秤盤上時(shí)，壓力施給

7、傳感器，該傳感器發(fā)生形 變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時(shí)使用激勵(lì)電壓發(fā)生變化，輸出一個(gè)變化的模擬 信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大電路放大輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號(hào) 輸出到 cpu 運(yùn)算控制。cpu 根據(jù)鍵盤命令以及程序?qū)⑦@種結(jié)果輸出到顯示器。 直至顯示這種結(jié)果。 第二部分 秤的分類： 1.按原理分：電子秤 機(jī)械秤 機(jī)電結(jié)合秤 2.按功能 分：計(jì)數(shù)秤 計(jì)價(jià)秤 計(jì)重秤 3.按用途分：工業(yè)秤、商業(yè)秤、特種秤。 第三部分 秤的種類： 1.桌面秤 指全稱量在 30kg 以下的電子秤 2.臺(tái)秤 指全稱量在 30-300kg 以內(nèi)的電子秤 3.地磅 指全稱量在 300kg 以上的電子秤 4.精 密天平。 第

8、四部分 按精確度分類： i 級(jí)： 特種天平 精密度1/10 萬(wàn) ii 級(jí)： 高精 度天平 1/1 萬(wàn)精密度1/10 萬(wàn) iii 級(jí)： 中精度天平 1/1000精密度1/1 萬(wàn) iv 級(jí)： 普通秤 1/100精密度1/1000。 第五部分 專業(yè)術(shù)語(yǔ)： 1.最大稱量： 一臺(tái)電子秤不計(jì)皮重，所能稱量的最 大的載荷； 2.最小稱量： 一臺(tái)電子秤在低于該值時(shí)會(huì)出現(xiàn)的一個(gè)相對(duì)誤差； 3.安全載荷： 120%正常稱量范圍；4.額定載荷： 正常稱量范圍； 5.允許誤差： 等級(jí)檢定時(shí)允許的最大偏差; 6.感量： 一臺(tái)電子秤所能顯示的最小刻度;通常用 “d”來(lái)表示； 7.解析量： 一臺(tái)具有計(jì)數(shù)功能的電子秤，所能分

9、辯的最小刻度； 8.解析度： 一臺(tái)具有計(jì)數(shù)功能的電子秤，內(nèi)部具有分辯能力的一個(gè)參數(shù); 9.預(yù)熱 時(shí)間： 一臺(tái)秤達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)所用的時(shí)間；10.精度： 感量與全稱量的比值； 11.電子秤使用環(huán)境溫度為： -10 攝氏度 到 40 攝氏度 12.臺(tái)秤的臺(tái)面規(guī)格： 25cm x 30cm 30cm x 40cm 40cm x 50cm 42cm x 52cm 45cm x 60cm 。 第六部分 電子秤的特點(diǎn)： 1.實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作； 2.實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制； 3.數(shù) 字顯示直觀、減小人為誤差；.準(zhǔn)確度高、分辯率強(qiáng)； 5.稱量范圍廣；6.特有功 能：扣重、預(yù)扣重、歸零、累計(jì)、警示等；7.維護(hù)簡(jiǎn)單； 8.體積

10、??； 9.安裝、 校正簡(jiǎn)單； 10.特種行業(yè)，可接打印機(jī)或電腦驅(qū)動(dòng)；11.智能化電子秤，反應(yīng)快， 效率高。 第七部分 電子秤檢查過(guò)程： 1.首先整體檢查：有無(wú)磨損和損壞；2.能否開(kāi) 機(jī)：開(kāi)機(jī)后是否從 0 到 9 依次顯示、數(shù)字是否模糊、能否歸零； 3.有無(wú)背光； 4.用砝碼測(cè)試能否稱重； 5.充電器是否完好，能否使用； 6.配件是否齊全。 第八部分 傳感器類型： 1.電阻式：價(jià)格適中、精度高、使用廣泛； 2.電 容式：體積小、精度低; 3.磁浮式：特高精度、造價(jià)高； 4.油壓式：現(xiàn)市場(chǎng)上已 淘汰； 顯示器種類： 1.lcd（液晶顯示）：免插電、省電、附帶背光; 2.led：免插電、耗電、很亮；

11、 3.燈管：插電、耗電、很高; k/b（按鍵）類型： 1.薄膜按鍵：觸點(diǎn)式； 2.機(jī)械按鍵：由許多單獨(dú)按鍵組合在一起； 傳感器的 特性： 1.額定載荷; 2.輸出靈敏度；3.非線性； 4.滯后；5.重復(fù)性； 6.蠕變；7. 零點(diǎn)輸出影響； 8.額定輸出溫度影響；9.零點(diǎn)輸入；10.輸入阻抗； 11.輸出阻 抗；12.絕緣阻抗； 13.容許激勵(lì)電壓；(5-18v)。 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與比較系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與比較 秤具是重量的計(jì)量器具，與普通秤具相比，數(shù)字電子秤具有數(shù)字直接顯示 被稱物體的重量、性能穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在各種生產(chǎn)領(lǐng)域和 人民日常生活中得到廣泛的應(yīng)用。 用電子秤稱重的過(guò)程就是

12、把被測(cè)物體的重量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)， 稱重的準(zhǔn)確程度首先取決于創(chuàng)奇輸出的信號(hào)，由于這一信號(hào)通常都很小，需要 應(yīng)用放大系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確、線性的放大，放大后的模擬電壓信號(hào)經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，再通過(guò)譯碼顯示器顯示出重量。有如下方案： 方案一： 通過(guò)電阻應(yīng)變式傳感器電壓信號(hào)，經(jīng)放大電路把信號(hào)放大后輸入 a/d 轉(zhuǎn)換 芯片 cc7107 進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，由于此芯片可直接用于數(shù)字顯示，故轉(zhuǎn)換后的數(shù)字 量直接用數(shù)碼顯示器進(jìn)行顯示。此方案的優(yōu)點(diǎn)是外部電路非常簡(jiǎn)單，但同能實(shí) 現(xiàn)較高的精度。缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì) a/d 轉(zhuǎn)換進(jìn)行制。其電路原理如圖 2-1 所示： 傳感器放大器 a/d 變換數(shù)字顯示 量程

13、切換 圖 2-1 方案一原理圖 方案二： 通過(guò)稱重電橋產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)放大電路把信號(hào)放大后輸入 a/d 轉(zhuǎn)換芯片 adc0809 進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸入單片機(jī)，有單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 和對(duì) a/d 轉(zhuǎn)換的控制，再有單片機(jī)輸出顯示信號(hào)，通過(guò)顯示電路進(jìn)行顯示。此 方案的優(yōu)點(diǎn)是可控制性好，電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大且存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量有限。 但要求是用我們所學(xué)的數(shù)字電路知識(shí)，運(yùn)用簡(jiǎn)單數(shù)字芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，單片機(jī)需 要編寫程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。故我們不采用。方框圖如（圖 2-2）： 傳感器 三運(yùn) 放大器 adc0809 a/d 轉(zhuǎn) 換器 80318155 led 顯示器 圖 2-2 方案二原理圖 3

14、元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)元器件的選擇和電路設(shè)計(jì) 3.13.1 傳感器的選擇以及原理傳感器的選擇以及原理 在本設(shè)計(jì)中，采用的重量傳感器為電橋壓力傳感器，也可以使用阻值與壓 力成正比的滑臂式電位器實(shí)現(xiàn)。電橋式傳感器電路見(jiàn)圖 3-1 所示，滑臂式電位 器傳感器電路見(jiàn)圖 3-2 所示。 圖 3-1 電橋傳感器及調(diào)零電路 圖 3-2 滑臂式電位器 在圖 3-1 中，r1、r2、r3和 r4電橋的四個(gè)橋臂，橋臂電阻為應(yīng)變電阻，傳 感器電路將應(yīng)變電阻阻值的變化抓換為電壓信號(hào)或電流信號(hào)作為輸出。電橋?qū)?角 a、b 兩點(diǎn)接電源電壓 v+,c、d 兩點(diǎn)為輸出，接到電橋的負(fù)載上。電橋未受力 時(shí)處于平衡狀態(tài)，即 r1r

15、2=r3r4，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器 rw，使 c、d 兩點(diǎn)輸出電壓 u=0；當(dāng)傳感器應(yīng)變電阻受到外界壓力影響時(shí)，橋臂電阻阻值產(chǎn)生變化，電橋失 去平衡，u0，產(chǎn)生輸出。在圖 3-2 中，使用一個(gè)滑臂式電位器作為重量傳感 rw1 器，被測(cè)重量的物體作用在傳感器上時(shí)，電位器的滑臂產(chǎn)生一定的位移，這個(gè) 位移正比于物體的重量，使電位器的阻值發(fā)生變化，從而使輸出電壓正比于物 體的重量；當(dāng)未受外界重量壓力時(shí)，其輸出電壓為零。 3.1.13.1.1 彈性體彈性體 彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。 ，基本的敏感元件如圖 3-3 所示，應(yīng)變 式傳感器安裝示意圖如圖 3-4 所示。 它的功能有兩個(gè)，首先是它承受傳感器所受

16、的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力， 達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)（區(qū)） ，使粘貼在此區(qū)的 電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。 以托利多公司的 sb 系列稱重傳感器的彈性體為例，來(lái)介紹一下其中的應(yīng)力 分布。 設(shè)有一帶有肓孔的長(zhǎng)方體懸臂梁。 肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。 主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受 拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部 中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。 = （3q（1+）/2eb）*（b（h2-h2）+bh2）/ （b（h3-h3）+bh3）

17、（3-9） 其中：q-截面上的剪力；e-揚(yáng)氏模量：泊松系數(shù)；b、b、h、h為 梁的幾何尺寸。 需要說(shuō)明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感 受的是“平均”狀態(tài)。 全橋測(cè)量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，?dāng)應(yīng)變片初 始阻值：r1r2r3r4，其變化值 r1r2r3r4 時(shí)，其橋路輸出 電壓 uoutke。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差 均得到改善。 圖 3-3 基本的敏感元件 圖 3-4 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖 3.1.23.1.2 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即 成為一片應(yīng)變片。它的

18、一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù) k。圖 3-5 是圖應(yīng)變片的基本 結(jié)構(gòu)。 設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長(zhǎng)度為 l，橫截面是半徑為 r 的圓形，其面積記 作 s，其電阻率記作 ，這種材料的泊松系數(shù)是 。當(dāng)這根電阻絲未受外力作 用時(shí)，它的電阻值為 r： r = l/s（歐） （31） 當(dāng)他的兩端受 f 力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說(shuō)產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長(zhǎng) l，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少 r。此外，還可用實(shí)驗(yàn)證明， 此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會(huì)有所改變，記作 。 對(duì)式（3-1）求全微分，即求出電阻絲伸長(zhǎng)后，他的電阻值改變了多少。 我們有： r = l/s + l/s sl/s2 （3 2） 用式（3-1

19、）去除式（3-2）得到： r/r = / + l/l s/s （3 3） 另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積 s = r2，則 s = 2r*r，所以 s/s = 2r/r （3 4） 從力學(xué)知識(shí)我們知道： r/r = -l/l （3 5） 其中，負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)時(shí)，半徑方向是縮小的。 是表示材料橫向效應(yīng) 泊松系數(shù)。把式（34） （35）代入（3-3） ，有 r/r = / + l/l + 2l/l =（1 + 2（/）/（l/l） ）*l/l = k *l/l （3- 6） 其中， k = 1 + 2 +（/）/（l/l） （3- 7） 式（3-6）說(shuō)明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對(duì)變化）和電阻絲

20、伸 長(zhǎng)率（長(zhǎng)度相對(duì)變化）之間的關(guān)系。 圖 3-5 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 需要說(shuō)明的是：靈敏度系數(shù) k 值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決 定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無(wú)關(guān)，不同的材料的 k 值一般在 1.73.6 之間；其次 k 值是一個(gè)無(wú)因次量，即它沒(méi)有量綱。 在力學(xué)中 l/l 稱作為應(yīng)變，記作 ，用它來(lái)表示彈性往往顯得太大，很 不方便，常常把它的百萬(wàn)分之一作為單位，記作 。這樣，式（3-6）常寫 作： r/r = k (38) 3.1.33.1.3 電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路 常規(guī)的電阻應(yīng)變片 k 值很小，約為 2，機(jī)械應(yīng)變度約為 0.0000010.

21、001， 所以，電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍為 0.00050.1 歐姆。所以測(cè)量電路應(yīng)當(dāng)能 精確測(cè)量出很小的電阻變化，在電阻應(yīng)變傳感器中做常用的是橋式測(cè)量電路。 橋式測(cè)量電路有四個(gè)電阻，其中任何一個(gè)都可以是電阻應(yīng)變片電阻，電橋 的一個(gè)對(duì)角線接入工作電壓 u，另一個(gè)對(duì)角線為輸出電壓 uo。其特點(diǎn)是：當(dāng)四 個(gè)橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出，可利用靈 敏檢流計(jì)來(lái)測(cè)量，所以電橋能夠精確地測(cè)量微小的電阻變化。 測(cè)量電路是電子秤設(shè)計(jì)電路中是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，我們?cè)谥谱鞯倪^(guò)程中應(yīng) 盡量選擇好元件，調(diào)整好測(cè)量的范圍的精確度，以避免減小測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差。 根據(jù)電橋電源的不同，電橋可以分為直流

22、電橋和交流電橋，可采用恒壓源 或恒流源供點(diǎn)。由于直流電橋比較簡(jiǎn)單，交流電橋原理與它相似，所以我們只 分析直流電橋的工作原理。 1恒壓源供電的直流電橋的工作原理 如圖 3-6（a）所示應(yīng)變片基本測(cè)量電路。其特點(diǎn)是，當(dāng)被測(cè)量無(wú)變化時(shí)， 電橋平衡，輸出為零。當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，電橋平衡被打破，有電壓輸出， 輸出的電壓與被測(cè)量的變化成比例。電橋的輸出電壓為 圖 (a)圖 (b) 圖 3-6 應(yīng)變片基本測(cè)量電路 ub0=uba-uda=（r1r3-r2r4）/（r1+r2）（r3+r4）u） （3- 9） 當(dāng)輸出電壓為零是，電橋平衡，因此有 r1r3-r2r4=0 或 r1/r4=r2/r3 （3- 1

23、0） 式（3-10）為電橋平衡條件。 為了獲得最大的電橋輸出，在設(shè)計(jì)時(shí)常使 r1=r2=r3=r4=r（稱為等臂電 橋） 。當(dāng) 4 個(gè)橋臂電阻都發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出為 ub0=（u/4） （r1/r1r2/r2r3/r3r4/r4）=ku/4（e1e2e3e4） （3-11） 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，r1，r2，r3，r4不可能嚴(yán)格成比例關(guān)系，所以即使在未受力 時(shí)，橋路輸出也不一定為零，因此一般測(cè)量電路都沒(méi)有調(diào)零裝置，如圖 3- 6（b）所示。調(diào)節(jié) rw 可使電橋達(dá)到平衡，輸出為零。圖中 r5是用語(yǔ)減小調(diào) 節(jié)范圍的限流電阻。 2恒流源供電的直流電橋的工作 如圖 3-7 所示為恒流源供電的直流電橋測(cè)量電路

24、。電橋輸出為 usc=i1r1i2r4=（r1r4r2r3）i/(r1r2r3r4) （3-12） 同樣當(dāng) r1r3-r2r4=0 或 r1/r4=r2/r3時(shí)電橋平衡。r1=r2=r3=r4=r（稱 為等臂電橋） 。 圖 3-7 恒流源供電的直流電橋測(cè)量電路 當(dāng)橋臂電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋有輸出，輸出大小與橋臂電阻變化成比例。 3.23.2 放大器電路放大器電路 傳感器輸出的是差動(dòng)電壓，因此放大器采用四運(yùn)放集成電路 lm324 中的三 個(gè)運(yùn)放組成的儀用放大器電路。lm324 的引腳圖如表 3-1 所示： 表 3-1 lm324 的引腳圖 腳號(hào)引腳代碼引腳功能 1ampout1 功率放大輸出 1

25、2in1- 反相位輸入 1 3in+ 同相位輸入 1 4vcc 電源 5in2+ 同相位輸入 2 6in2- 反相位輸入 2 7ampout2 功率放大輸出 2 8ampout3 功率放大輸出 3 9in3- 反相位輸入 3 10in3+ 同相位輸入 3 11gnd 地 12in4+ 同相位輸入 4 13in4- 反相位輸入 4 14ampout4 功率放大輸出 4 ： 圖 3-6 lm324 的內(nèi)部放大電路 3.33.3 a/d(a/d(模模/ /數(shù)數(shù)) )轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 a/d(模/數(shù))轉(zhuǎn)換電路將放大器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用于 實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。a/d 轉(zhuǎn)換電路可以采用逐次漸進(jìn)型

26、a/d 轉(zhuǎn)換器，可以采用雙積 分型 a/d 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是衡量 a/d 轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。 本設(shè)計(jì)中 a/d 轉(zhuǎn)換電路采用 3.5 位雙積分 a/d 轉(zhuǎn)換芯片 7107，a/d 轉(zhuǎn)換芯片 7107 中包含了七段數(shù)字譯碼器、顯示驅(qū)動(dòng)電路、鎖存器、底板頻率發(fā)生器、參 考電壓和時(shí)鐘電路等，其輸出可直接驅(qū)動(dòng) led 顯示器。 3.3.13.3.1 a/da/d 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換芯片 71077107 的引腳圖及其引腳功能的引腳圖及其引腳功能 cc7107 型 a/d 轉(zhuǎn)換器是把模擬電路與數(shù)字電路集成在一塊芯片上的大規(guī) 模的 cmos 集成電路，它具有功耗低，輸入阻抗高，噪音低，能直接

27、驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極 led 顯示器（不需要另加驅(qū)動(dòng)器件） ，使轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)化等特點(diǎn)。a/d 轉(zhuǎn)換芯片 7107 邏輯框圖如圖 3-7 所示： 圖 3-7 7107 邏輯框圖 圖 3-8 引腳排列 a/d 轉(zhuǎn)換芯片 7107 引腳功能如下表 3-2 所示： 表 3-2 芯片 7107 引腳功能表 端名功能 v+和 v-電源的正極和負(fù)極 av-gv at-gt ah-gh 個(gè)位、十位、百位筆畫的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，依次接至個(gè)位、十 位、百位數(shù)碼管的相應(yīng)筆畫電極 abk千位筆畫驅(qū)動(dòng)信號(hào)，接千位數(shù)碼管 a，b 兩個(gè)筆畫電極 pm負(fù)極性能指示的輸出端，接千位數(shù)碼管的 g 段。pm 為 低電位時(shí)顯示負(fù)號(hào) int積分器輸出端，

28、接積分電容 buf緩沖放大器的輸出端，接積分電阻 az積分器和比較器的反相輸入端，接自動(dòng)調(diào)零電容 in+,in-模擬量輸入端，分別接輸入信號(hào)的正端和負(fù)端 com模擬信號(hào)公共端，即模擬地 cref+外接基準(zhǔn)電容端 vref+,vref-基準(zhǔn)電壓的正端和基準(zhǔn)電壓的負(fù)端 test測(cè)試端。該端經(jīng) 500 歐姆電阻接至邏輯線路的公共地。 當(dāng)做“測(cè)試指示”時(shí)，把它與 u+短接后，led 全部筆畫點(diǎn)亮， 顯示數(shù) 1888 osc1-osc2時(shí)鐘振蕩器的引出端，外接阻容元件組成多諧振蕩器 7107 與液晶顯示器被設(shè)計(jì)成一個(gè)多量程的電壓表。 3.43.4 數(shù)字電子秤的電路分析數(shù)字電子秤的電路分析 3.4.13.

29、4.1 數(shù)字電子秤的電路數(shù)字電子秤的電路 數(shù)字電子秤的電路圖如 3-9 所示： 圖 3-9 數(shù)字電子秤的電路圖 3.4.23.4.2 數(shù)字電子秤的電路圖分析數(shù)字電子秤的電路圖分析 圖 3-9 中測(cè)量電路由傳感器、溫度補(bǔ)償電路、傳感器放大器和 a/d 轉(zhuǎn)換器 等組成。傳感器采用摩托羅拉（motorola）mpx700 系列壓力傳感器屬于壓阻傳 感器一類，它由良好的線性和精確的 輸出電壓特性。傳感器包含了一個(gè)在硅片 上刻有壓阻元件的膜片。該元件對(duì)施加于硅膜片上的外加壓力敏感，并產(chǎn)生一 個(gè)與施加在其上的壓力成正比的線性輸出電壓，輸出電壓/壓力的關(guān)系與加于傳 感器上的電源電壓成正比。 傳感器輸出的是差

30、動(dòng)電壓，因此放大器采用四運(yùn)放集成電路 lm324 中的三 個(gè)運(yùn)放組成的儀用放大器電路，如圖中的 ic1a,ic1b,ic1c. ic1a 和 ic1b 組成 一個(gè)非對(duì)稱雙端輸入-雙端輸出放大器，其輸入電壓為傳感器的差動(dòng)輸出電壓； ic1a、ic1b 的輸出電壓傳輸?shù)?ic1c 組成的雙端輸入-單端輸出放大器輸入端， ic1c 的輸出送到 a/d 轉(zhuǎn)換器輸入端。tc1b 的另一個(gè)重要作用是提供零壓力情況 下傳感器零點(diǎn)偏移電壓的校正。lm324 具有較高的輸入阻抗，因此， ic1a、ic1b 能夠保證不會(huì)增加傳感器的負(fù)載。電阻 r8、r9、r10組成分壓器，提 供 ic1b 和反相輸入端的可調(diào)電壓

31、，由于 ic1b 的增益小于 1，故此電壓經(jīng) ic1b 后幅度減小，然后再加到 a/d 轉(zhuǎn)換器上，這樣，可減小由于傳感器誤差帶來(lái)的 不良影響，同時(shí)也使當(dāng)壓力為零時(shí)，顯示器相應(yīng)顯示“0.00”。 a/d 轉(zhuǎn)換器將放大區(qū)輸出的模擬壓力電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。為保證 a/d 轉(zhuǎn)換電路正常工作，必須正確選取外接器件。 電阻 r2、r5和 r6用于設(shè)置參考電壓；r7和 c1為定時(shí)電阻和定時(shí)電容，用于 設(shè)置時(shí)鐘發(fā)生電路的振蕩頻率，其數(shù)值與振蕩頻率 f 的關(guān)系為: f=0.45/(r7c1) c2為參考電容，一般取值為 0.1 微法-1 微法；c3為自動(dòng)穩(wěn)零電容，為減少 噪音，應(yīng)該選擇較大容量的電容，一般

32、取值為 0.047 微法-0.47 微法；r10和 c3 為積分電阻和積分電容，為保證 a/d 轉(zhuǎn)換器在輸入電壓范圍內(nèi)的線形度好，積 分電阻應(yīng)選取得足夠大，一般取值為幾十千歐幾百千歐；為保證 a/d 轉(zhuǎn)換器 在額定轉(zhuǎn)換速率和積分器在額定電流的情況下，積分輸出不飽和，積分電容一 般取 0.1 微法-0.47 微法。 ic3 為集成穩(wěn)壓芯片 7805，其輸出電壓為+5v，為 a/d 轉(zhuǎn)換器提供正電源， a/d 轉(zhuǎn)換器所需的-5v 電源需另行轉(zhuǎn)換。 7107 與液晶顯示器被設(shè)計(jì)成一個(gè)多量程的電壓表，本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn) 0 1.99kg，019.99kg，0199.9kg 范圍的測(cè)量。 4 系統(tǒng)測(cè)試方法系統(tǒng)

33、測(cè)試方法 調(diào)試 7107 時(shí)，將兩模擬信號(hào)輸入 in 短接，輸入應(yīng)顯示為零，將正相輸入 端 in+與參考電壓端 vref+短接，輸出應(yīng)顯示為接近“1000”，若輸出顯示偏差 較大，應(yīng)調(diào)節(jié)相應(yīng)元件。調(diào)試傳感器放大電路時(shí)，應(yīng)對(duì)傳感器施以標(biāo)準(zhǔn)砝碼。 檢查放大器輸出是否與其成線性關(guān)系，當(dāng)被稱物重與當(dāng)前顯示值相差較大時(shí)， 應(yīng)轉(zhuǎn)換量程。 由于輸出電壓受環(huán)境溫度的影響，因此，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償。溫度補(bǔ) 償?shù)淖詈?jiǎn)單的方法就是在傳感器與電源之間串聯(lián)電阻，如圖 3-9 所示，將傳感 器的 3 腳和 1 腳接電阻 r16和 r13，在 080 攝氏度的溫度范圍內(nèi)可獲得較大滿 意的效果。r16和 r13還有一個(gè)重要

34、的作用就是將 15v 的電源電壓大部分降至本 身，以滿足傳感器電橋驅(qū)動(dòng)電壓為 3v 左右。 此外，由于傳感器的輸出電壓還與電源電壓成比例關(guān)系，所以 15v 的電壓 必須穩(wěn)定。 由于顯示器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)電流，為防止測(cè)量精 度受到影響，布線時(shí)應(yīng)注意將所有的 vcc 端接線都接到同一電源 vcc 點(diǎn)上，同 理，所有的數(shù)字地和模擬地接線也都應(yīng)該接到同一數(shù)字地和模擬地點(diǎn)上。 需要說(shuō)明的是：靈敏度系數(shù) k 值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決 定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無(wú)關(guān)，不同的材料的 k 值一般在 1.73.6 之間；其次 k 值是一個(gè)無(wú)因次量，即它沒(méi)有量綱。 5

35、 結(jié)論結(jié)論 通過(guò)上述的設(shè)計(jì)與分析檢測(cè)，本設(shè)計(jì)滿足了題目要求，其分辨率為 1g，在 2kg 的量程范圍內(nèi)經(jīng)仔細(xì)調(diào)校，測(cè)量精度可達(dá) 0.5%。 結(jié)束語(yǔ) 本設(shè)計(jì)分四個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集及放大模塊、模數(shù)（a / d）轉(zhuǎn)換模塊、自動(dòng) 換檔模塊、顯示模塊。本電路應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器來(lái)采集電壓的微小變化， 經(jīng)過(guò)放大電路放大后送入 a/d 轉(zhuǎn)換芯片 cc7107，對(duì)輸入電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成 數(shù)字量輸出；顯示模塊直接連接數(shù)碼管構(gòu)成，顯示實(shí)際測(cè)量值。同時(shí)根據(jù)輸出， 自動(dòng)判斷出所加壓力的大小來(lái)改變量程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋?？蓪?shí)現(xiàn) 0 1.99kg，019.99kg，0199.9kg 范圍的測(cè)量。 在電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)中，我花了大量的時(shí)間和精力進(jìn)行資料查閱和方案 論證，結(jié)合自己所學(xué)，認(rèn)真解決每一個(gè)功能模塊中遇到的問(wèn)題。無(wú)論是在設(shè)計(jì) 思想還是在動(dòng)手能力上都有了很大的提高。我用 protel 99 se