實用電子秤的設(shè)計與制作

1、實用電子秤的設(shè)計與制作一、 課程設(shè)計任務(wù)1設(shè)計框圖利用傳感器與檢測技術(shù)實驗室已有的應(yīng)變式稱重臺，將四片應(yīng)變片采用全橋形式接入測量電路，經(jīng)過運放op07組成的儀表放大器放大，再由串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片tlc549進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機at89c51，通過同向門7407驅(qū)動四位數(shù)碼管顯示。儀表放大器的輸出需經(jīng)采集卡采集，經(jīng)過csy9.0虛擬儀器軟件分析，得到較好的線性度和靈敏度后，才能再送入ad芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)框圖如圖1所示。±15v供電圖1 電子秤系統(tǒng)框圖2基本要求 (1) 掌握金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)。(2) 掌握單臂、半橋和全橋電路的工作原理和性能。(3) 利用multis

2、im仿真軟件，確定儀表放大器設(shè)計方案；應(yīng)用運放op07設(shè)計三運放儀表放大器，確定電路元器件具體參數(shù)；在通用板上制作電路板。(4) 儀表放大器增益可調(diào)，放大倍數(shù)自行確定；應(yīng)變電橋和放大電路應(yīng)具有調(diào)零功能。(5) 能夠利用匯編或c51語言編寫正確程序，調(diào)試電路板，采集放大器的輸出電壓，并顯示。(6) 考慮a/d分辨率為20mv，要求靈敏度不低于40mv/20g。(7) 利用csy-v9.1虛擬儀器采集測量電路的輸出電壓至電腦中，并分析數(shù)據(jù)。要求非線性誤差小于1.50%。(8) 編寫課程設(shè)計報告，完成設(shè)計任務(wù)的期限為二個星期。3. 成績評定方法與標(biāo)準(zhǔn) 本次綜合實訓(xùn)的成績分為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不

3、合格共5檔。成績將具體從以下5個方面評定，每個方面的成績均占總成績的20%。(1) 工作原理 主要內(nèi)容有金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)和橫向效應(yīng)；單臂、半橋和全橋電路的工作原理和性能比較；儀表放大器的工作原理和特點；a/d轉(zhuǎn)換的原理；單片機編程基礎(chǔ)知識。該項采用面試的方式進(jìn)行，隨機提問3至5個問題。(2) 仿真結(jié)果 在multisim7中仿真電路的結(jié)果；電路中元器件參數(shù)的選擇。 (3) 工藝質(zhì)量 線路板焊接的實物外觀，比如焊點、整體布局、走線的合理性、插孔的擺放、是否整潔美觀等。 (4) 測量效果從drlab實驗臺中檢查重量誤差的大小；從csy9.0虛擬儀器軟件中檢查非線性誤差和靈敏度的值；(5)

4、實訓(xùn)報告 要求能完整反應(yīng)整個實訓(xùn)設(shè)計和制作過程，整理出規(guī)范的報告。具體格式參照畢業(yè)設(shè)計論文要求。內(nèi)容包括以下幾個方面。 a、封面 b、目錄 c、前言（課題的背景） d、硬件制作（應(yīng)變片稱重原理、儀表放大器原理、a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示）和程序設(shè)計（流程圖、調(diào)試界面）。采用自己的語言，簡潔明了的說明自己的理解和方法，不可摘抄。e、調(diào)試過程（包括：調(diào)試步驟、故障分析、測試數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析、結(jié)論）。f、體會和建議g、附錄一 multisim7電路仿真原理圖和protel電路圖附錄二 線路板實物圖（測量狀態(tài)）附錄三 元件明細(xì)表附錄四 csy9.0測量結(jié)果截屏圖或drlab開放式實驗平臺測量結(jié)果截屏圖附錄五

5、 系統(tǒng)程序二、 設(shè)計總體要求1認(rèn)真閱讀本設(shè)計任務(wù)書，了解本設(shè)計的任務(wù)和要求。2認(rèn)真復(fù)習(xí)傳感器與檢測技術(shù)和單片機原理與應(yīng)用課程中有關(guān)應(yīng)變式傳感器和a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示的有關(guān)內(nèi)容。3適當(dāng)查閱一些與設(shè)計有關(guān)的參考資料，鼓勵同學(xué)創(chuàng)新。4利用protel99畫出系統(tǒng)完整電路圖，包括儀表放大器和單片機系統(tǒng)兩大部分。6特別要注意焊接裝配的質(zhì)量，認(rèn)真搞好焊接裝配工藝，焊接完畢后一定要細(xì)心檢查有無錯誤、錯焊元件、焊接點與接地點短路等。在焊接裝配完成后，要認(rèn)真檢查部件的焊接情況，在與電路圖反復(fù)對照確屬無誤后，方可接上直流電源，特別要注意電源接法。7遵守實驗的規(guī)章制度，掌握傳感器csy3000型實驗臺的操作方法，

6、愛護儀表，切忌發(fā)生人身安全和儀表設(shè)備安全事故。8精心調(diào)測，盡量得到較高的靈敏度和較低的非線性誤差。9認(rèn)真地寫出設(shè)計報告，要做到理論與實際相結(jié)合，通過設(shè)計中的計算、裝配、調(diào)測，鞏固理論，驗證理論，書寫設(shè)計報告是一個從感性認(rèn)識向理性認(rèn)識發(fā)展的過程，也時考察同學(xué)們在本設(shè)計中有無收獲以及收獲大小的標(biāo)志。三、 采用應(yīng)變片稱重的基本原理電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。其主要缺點是輸出信號小、線

7、性范圍窄,而且動態(tài)響應(yīng)較差。但由于應(yīng)變片的體積小,商品化的應(yīng)變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器在測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)中仍有非常廣泛的應(yīng)用。應(yīng)變片是最常用的測力傳感元件。當(dāng)用應(yīng)變片測試時，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發(fā)生形變，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測量電路，轉(zhuǎn)換成電信號輸出顯示。當(dāng)具有初始電阻值r的應(yīng)變片粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化r/r。在一定應(yīng)變范圍內(nèi)r/r與的關(guān)系滿足下式：式中，為應(yīng)變片的軸

8、向應(yīng)變。 定義k=(r/r)/為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測試件上的應(yīng)變在其軸向受到單向應(yīng)力時，引起的電阻相對變化r/r與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變之比。 電阻應(yīng)變片計把機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成r/r后，應(yīng)變電阻變化一般都很微小，例如傳感器的應(yīng)變片電阻值120，靈敏系數(shù)k=2，彈性體在額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000，應(yīng)變電阻相對變化量為：r/r = k*= 2*1000*106 =0.002 可以看出電阻變化只有120*0.002=0.24，其電阻變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變片計的r/r變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。通

9、常采用惠斯登電橋電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖2所示，即兩個受拉應(yīng)變，兩個受壓應(yīng)變，將兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路。在接入四片應(yīng)變片時，需滿足以下條件：相鄰橋臂應(yīng)變片應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)相反，相對橋臂應(yīng)變片應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)相同?？珊喎Q為：“相鄰相反，相對相同”。 此時 全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度 圖2 全橋電路為單片工作時的4倍，同時具有溫度補償作用。除上述全橋電路外，還有單臂和半橋電路兩種。單臂、半橋、全橋電路的靈敏度依次增大；當(dāng)e和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無關(guān)。本次實訓(xùn)采用全橋電路。電橋供電電源為5v。

10、四、 測量電路的設(shè)計1儀表放大器的工作原理由于傳感器的輸出信號往往較小，必須經(jīng)過放大電路進(jìn)行調(diào)理放大，再進(jìn)行測量。常用的放大電路可以由單運放放大器、雙運放放大器、三運放放大器或直接由集成儀表放大器（如ad620、ad623）等構(gòu)成。下面以三運放構(gòu)成的儀表放大器為例說明儀表放大器的工作原理及性能指標(biāo)，運算放大器選擇高精度運放op07。1）基本電路及放大原理圖3 三運放電路原理圖如上圖，由運算放大器特性可知op1： op2： 由分壓原理可得故 由于放大器op3為差值放大器，可知所以其差值放大倍數(shù)為當(dāng)要改變增益時，僅須調(diào)整可變電阻r1即可。2）第二級放大電路的工作原理圖4 第二級放大器原理圖第二級放

11、大電路其實是一個增益可調(diào)的同相運算放大器，其作用是把第一級放大電路輸出的電壓進(jìn)一步放大，以滿足需要，工作原理如下：設(shè)u4的輸出電位為v*out，輸入第一級放大電路輸出vout，而可變電阻p2的實際有效接入部分的阻值為rp。對u4而言， 、+ 兩端的電位應(yīng)近似相等，即： 而流過r11 、r12電阻上的電流i11 、i12可分別表示為： ； 又因為 所以整理后，可得：放大系數(shù)（增益）為： 設(shè)電阻阻值分別為r11=10k，r12=10k，0rp10k，則第二級放大電路的理論計算增益為：2集成運算放大器op-07op-07有a、d、c、e各檔，它是高精度運算放大器，具有極低的失調(diào)電壓（10v）和偏置電

12、流（0.7na），它的溫漂系數(shù)為0.5v/，op-07具有較高的共模輸入范圍（±14v），共模抑制比cmrr=126db，以及極寬的供電電流范圍（從±3v到±18v），雙電源供電。ad op-07的封裝、管腳排列以及基本連接方式如下圖所示，op07一般不需要調(diào)零，如需調(diào)零，可在1和8管腳之間接一個電位器，阻值可為20k，參見基本接法圖。 圖5 ad op-07封裝圖2374618r1r3vinr2vout+15v-15v20k+15v調(diào)零調(diào)零12348765-in+in-vs+vs待添加的隱藏文字內(nèi)容2outnc 管腳功能圖 基本接法 圖6 運算放大器引腳圖3參考

13、電路圖7，圖8是壓力傳感器的測量電路，由兩個部分組成。前一部分是采用三個運放構(gòu)成的儀表放大器，后面的放大器將儀表放大器的輸出電壓進(jìn)一步放大。r28是電橋的調(diào)零電阻，r42是整個放大電路的調(diào)零電阻，r29，r40調(diào)整運放增益。儀表放大器因為輸入阻抗高，共模抑制能力好而作為電橋的接口電路。其增益可用下式表示：a（1+）圖7 儀表放大器圖8 反相放大器4multisim7電路仿真(1) 仿真軟件multisim7電子仿真軟件multisim7是加拿大交互圖像技術(shù)有限公司（interactive image technologies ltd. co.）于2003年推出的最新版本。它將以前推出的ewb5

14、.0和multisim2001版本功能大大提高，multisim7版本電子仿真軟件是目前世界上最先進(jìn)、功能最強大的仿真軟件，是仿真軟件的佼佼者。multisim7是一個完整的設(shè)計工具系統(tǒng)，提供了一個非常大的元件數(shù)據(jù)庫，并提供原理圖輸入接口、全部的數(shù)模spice仿真功能、vhdl|verilog設(shè)計接口與仿真功能、fpga|cpld綜合、rf設(shè)計能力和后處理功能，還可以進(jìn)行從原理圖到pcb布線工具包（如：ultiboard2001）的無縫隙數(shù)據(jù)傳輸。它提供的單一易用的圖形輸入接口可以滿足設(shè)計需求。(2) multisim7基本界面基本界面如圖1-1所示。基本界面最上方是菜單欄（menus），共1

15、1項；菜單欄下方左面為系統(tǒng)工具欄（system toolbar），共11項；中間為設(shè)計工具欄（multisim design bar），共8項；再往右是使用中元件列表（in use list）和幫助按鈕；右上角為仿真開關(guān)（simulate switch）?；窘缑娴淖髠?cè)為元件工具欄，其中23個元件庫中分別放置同一類型的元件，左列從上到下分別是電源庫（source）、基本元件庫（basic）、二極管庫(diode)、晶體管庫（transistor）、模擬元件庫（analog）、ttl器件庫（ttl）、cmos器件庫（cmos）、各種數(shù)字元件庫（miscellaneous digital）、混合器

16、件庫（mixed）、指示器件庫（indicator）、其它器件庫（miscellaneous）、射頻元件庫（rf）和機電類器件庫（electro mechanical）。右列為與實際元件相對應(yīng)的現(xiàn)實性仿真元件模型快捷鍵按鈕，共10類，從上至下分別是：虛擬電源庫、虛擬信號源庫、虛擬基本元件庫、虛擬二極管庫、虛擬三極管庫、虛擬模擬元件庫、其它虛擬元件庫、常用虛擬元件庫、虛擬3d元件庫、虛擬測量元件庫。另外，左側(cè)下方還有“放置總線”、自動通過因特網(wǎng)進(jìn)入eda網(wǎng)站的“.com”等4個功能按鈕?；窘缑娴挠覀?cè)為儀表工具欄，該工具欄含有17種用來對電路工作狀態(tài)進(jìn)行測試的儀器儀表，這17種測量儀器儀表從上到

17、下分別為數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、瓦特表、示波器、4通道示波器、掃頻儀、頻率計、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、i-v特性分析儀、失真分析儀、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、美國安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器、美國安捷倫字萬用表和美國安捷倫示波器?；窘缑娴闹虚g部分即電路窗口，相當(dāng)于一個現(xiàn)實工作中的操作平臺，電路圖的編輯繪制、仿真分析及波形數(shù)據(jù)顯示等都在此窗口中進(jìn)行。基本界面最下方為狀態(tài)欄，狀態(tài)欄顯示有關(guān)當(dāng)前操作以及鼠標(biāo)所指條目的有用信息。圖9 基本界面 (3) multisim7使用方法l 調(diào)用元器件操作單擊基本界面左側(cè)元件庫第2個基本元件圖標(biāo)（basic），將出現(xiàn)select a component

18、 對話框，單擊family欄中的resistor，再拉動component欄的滾動條，選取100ohm，單擊“ok”，再在平臺上單擊左鍵即可將電阻r1（在multisim7軟件中，由于習(xí)慣不同，沒有下標(biāo)的標(biāo)注）放置到平臺上，繼續(xù)單擊左鍵可連續(xù)放置電阻，單擊右鍵停止放置；雙擊r1，將出現(xiàn)resistor對話框，在label頁下，將reference id欄改為r4，按“確定”退出；單擊r4，可在r4四周出現(xiàn)4個小方塊，再單擊菜單edit/90clockwise，可將r4順時針轉(zhuǎn)90度豎放；當(dāng)單擊r4四周出現(xiàn)4個小方塊時按住鼠標(biāo)不放，可將r4拖放到平臺的任何地方；右擊r4，在出現(xiàn)的下拉菜單中選“c

19、ut”可刪除該元件。l 連接線路放置好元器件后需要對其進(jìn)行線路連接，操作步驟如下：將鼠標(biāo)指向所要連接的元件引腳上，鼠標(biāo)指針就會變成帶十字圓點狀。單擊并移動鼠標(biāo)，即可拉出一條虛線；如要在某點轉(zhuǎn)彎，則在轉(zhuǎn)彎處單擊一下，然后繼續(xù)連線。到終點后單擊鼠標(biāo)即自動產(chǎn)生紅色連線。要刪除連線，用鼠標(biāo)右擊該連線，在出現(xiàn)的下拉菜單中選“delete”即可。五、 a/d轉(zhuǎn)換與顯示1a/d轉(zhuǎn)換一般電子秤的a/d轉(zhuǎn)換精度越高越好，a/d精度越高，電子秤的靈敏度越高。但12的a/d芯片價格比較貴，考慮到實驗室條件，本次設(shè)計采用8位串行a/d芯片tlc549。tlc549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行 a/d轉(zhuǎn)換器芯片，可

20、與通用微處理器通過sdo、sclk、cs三條口線進(jìn)行串行接口 "具有4mhz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17微秒。允許的最高轉(zhuǎn)換速率為40000次/秒。總失調(diào)誤差最大為±0.5lsb（最低有效位）?？捎糜谳^小信號的采樣。與at89c51的具體連接線路如圖10所示。ref+接5v電源，ref-接地，圖中輸入電壓為3.35v，tlc549的ain引腳接儀表放大器的輸出端。sdo、cs 、sclk分別接at89c51的p1.0、p1.1、p1.2 引腳。圖10 tlc549電路連接典型的驅(qū)動程序如下。tlc549在讀出前一次數(shù)據(jù)后，馬上進(jìn)行電壓采樣，adc轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換

21、完后就進(jìn)入hold模式，直到再次讀取數(shù)據(jù)時，芯片才會進(jìn)行下一次a/d轉(zhuǎn)換。也就是說，本次讀出的數(shù)據(jù)是前一次轉(zhuǎn)換的值，讀操作后就會再啟動一次轉(zhuǎn)換，一次轉(zhuǎn)換所用的時間最長為17us，芯片沒有轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出。dat bitp2.0cs bit p2.1clk bit p2.2org 0000hajmp mainorg 0100hmain: mov sp,#60h acall tlc549_adc mov r7,#0 djnz r7,$ acall tlc549_adc sjmp $tlc549_adc: clr aclr clkclr csmov r6,#8tlc549_l1: setb clkn

22、opnopmov c,datrlc aclr clknopdjnz r6,tlc549_l1mov p1,asetb cssetb clkret; end2數(shù)碼管顯示采用4位共陰數(shù)碼管顯示電壓值?？紤]到元器件的購買，統(tǒng)一采用7407驅(qū)動數(shù)碼管。具體連接電路如圖所示。鼓勵采用自己的顯示方式。圖11 數(shù)碼管顯示電路六、 電子秤電路調(diào)試1. 根據(jù)圖12所示，應(yīng)變式傳感器已經(jīng)裝在傳感器試驗臺上。傳感器中各應(yīng)變片上的r1、r2、r3、r4接線顏色分別為黃色、藍(lán)色、紅色、白色，可用萬用表測量同一種顏色的兩端判別，r1=r2=r3=r4=350。圖12 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖2. 接入電源，撥通電源開關(guān)，將實驗板調(diào)節(jié)增益電位