電子秤電路設(shè)計(jì)與制作

1、電子秤電路設(shè)計(jì)與制作實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：通信與信息工程學(xué)院電子秤電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)書一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模狠敵隽勘緦?shí)驗(yàn)要求學(xué)生設(shè)計(jì)并制作一個(gè)電子秤電路，要求能測量重量在0200g間的物體，輸出為電壓信號，通過調(diào)節(jié)電路使電壓值為對應(yīng)的重量值，電壓量綱mv改為重量綱g即成為一臺原始電子秤。二、基本原理：基本思路 總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示，所測重量經(jīng)過轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為電阻變化，再經(jīng)過測量電路轉(zhuǎn)化為電壓變化，經(jīng)過放大電路放大調(diào)節(jié)后輸出顯示得到所需信號。圖1 基本設(shè)計(jì)思路電阻應(yīng)變式傳感器本設(shè)計(jì)主要通過電阻應(yīng)變式傳感器實(shí)現(xiàn)。電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，實(shí)現(xiàn)電測非電量的傳感器。傳感器由在

2、不同的彈性敏感元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成，當(dāng)被測物理量作用在彈性敏感元件上時(shí)，彈性敏感元件產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變片一起變形，電阻應(yīng)變片再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。應(yīng)變式電阻傳感器是目前在測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)中應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。1、彈性敏感元件 物體在外力作用下而改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為變形，而當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀，這種變形稱為彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。 彈性敏感元件是指元件在感受到力、壓力、力矩、振動等被測參量時(shí)，能將其轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量或位移量，彈性敏感元件可以把被測參數(shù)由一種物理狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種所需要的物理狀態(tài)。2

3、、電阻應(yīng)變片 對于一段長為L，截面積為S，電阻率為的導(dǎo)體，未受力時(shí)電阻為 R = ，在外力的作用下，電阻絲將會被拉伸或壓縮，導(dǎo)體的長度L、截面積S以及電阻率等均將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。 利用金屬或半導(dǎo)體材料電阻絲的應(yīng)變電阻效應(yīng)，可以制成測量試件表面應(yīng)變的敏感元件。為在較小的尺寸范圍內(nèi)感受應(yīng)變，并產(chǎn)生較大的電阻變化，通常把應(yīng)變絲制成柵狀的應(yīng)變敏感元件，即電阻應(yīng)變片，通常由敏感柵、基底、蓋片、引線和黏結(jié)劑等組成。測量電路電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成電阻變化后，由于應(yīng)變量及其應(yīng)變電阻變化一般都很微小，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

4、電路，把應(yīng)變計(jì)的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，以便于測量。具有這種轉(zhuǎn)換功能的電路稱為測量電路。電橋電路是目前廣泛采用的測量電路，常見的直流電橋電路如圖2， 圖2 直流電橋電橋輸出電壓為Uo=U （式1）R1、R2、R3、R4為四個(gè)橋臂，當(dāng)一個(gè)臂、兩個(gè)臂或四個(gè)臂接入應(yīng)變片時(shí)，就相應(yīng)構(gòu)成了單臂、雙臂和全臂工作電橋。下面分別就單臂、半橋和全橋電路進(jìn)行討論。（1）單臂工作電橋 圖3 單臂工作電橋如圖3所示，R1為電阻應(yīng)變片，R2、R3、R4為固定電阻。應(yīng)變片未受力時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，R1R3=R2R4,輸出電壓U0=0，當(dāng)承受應(yīng)變時(shí)，R1阻值發(fā)生變化，設(shè)為R1+R，電橋不平衡，產(chǎn)生輸出電壓為Uo=R1

5、+RR3-R2R4(R1+R+R2)(R3+R4) （式2）設(shè)R1=R2=R3=R4=R,又R<<R1,則UoU4RR （式3）(2)雙臂工作電橋若在兩個(gè)橋臂上計(jì)入電阻應(yīng)變片，其他橋臂為固定電阻，則構(gòu)成雙臂工作電橋，如圖4，R1、R2為電阻應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻。當(dāng)應(yīng)變片承受應(yīng)變時(shí)，R1電阻增大R，R2電阻減小R，這種電橋成為差動電橋。圖4 雙臂工作電橋此時(shí)電橋不再平衡，輸出電壓為Uo=U2RR （式4）由式知半橋的輸出是線性的沒有非線性誤差問題，而且靈敏度比單臂提高了一倍。（3） 全臂工作電橋 若四個(gè)橋臂上全為電阻應(yīng)變片，則構(gòu)成全橋工作電路，如圖5所示，R1、R2、R3、R

6、4全為電阻應(yīng)變片。承受應(yīng)變時(shí)，R1、R3電阻增大R，R2、R4電阻減小R。圖5 全臂工作電橋電橋不再平衡，輸出電壓為Uo=URR （式5）由式知，全橋的電壓輸出是線性的，沒有非線性誤差問題，而且其靈敏度是單臂的4倍，是半橋的2倍。電子秤實(shí)驗(yàn)采用的是全橋測量電路，我們選取直流電源電壓為8V。所取的應(yīng)變片未承受應(yīng)變時(shí)阻值R1=R2=R3=R4=350，當(dāng)測量滿量程200g物體時(shí)，測得應(yīng)變片阻值變化R大約在0.10.3之間（參見文章最后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表1、表2）。我們?nèi)=0.2,U=8V,則測量電路的輸出電壓為Uo=URR0.0046V。因?yàn)樵趯?shí)際電路中，應(yīng)變片未承受應(yīng)變時(shí)，電橋不一定處于完全的平衡

7、狀態(tài)，即R1R3-R3R4不為零，輸出Uo不為零,故在測量電路中加入滑動變阻器做調(diào)零用，測量電路如圖6所示圖6 電子秤測量電路差分放大電路 測量電路將應(yīng)變計(jì)的電阻變化轉(zhuǎn)換成了電壓變化，由于所得的輸出信號一般都很微弱，如果在遇到干擾的時(shí)候可能會導(dǎo)致測量結(jié)果的錯(cuò)誤，因此采集到電壓信號后，要對電壓信號進(jìn)行放大，濾波，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會有所提高，讓顯示的數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確。先采用差分放大電路對電壓進(jìn)行放大，我們先討論簡單的差動放大器，如圖7所示,Vi1、 Vi2為輸入，Vo為輸出。 圖7 基本差動放大器輸出電壓Vo=-R2R1Vi1+(1+R2R1) R4R3+R4Vi2 （式6）本實(shí)驗(yàn)

8、中運(yùn)算放大器采用OP07芯片, OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，同時(shí)具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放 大傳感器的微弱信號等方面。OP07管腳圖如圖9所示。圖8 op07管腳圖OP07芯片引腳功能說明： 1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接負(fù)電源或接地，5空腳 6為輸出，7接正電源。本實(shí)驗(yàn)中采用的差分放大電路如圖9所示. 圖9 差分放大電路該電路由三個(gè)運(yùn)算放大器組成，Vo1、Vo2和Vo分別為三運(yùn)放的輸出電壓。分析電路知流過

9、R2、R1的電流相等，設(shè)為i，可以計(jì)算出理想的輸出電壓Vo. i=Vi1-Vi2R1 （式7） Vo1=Vi1+R2i （式8） Vo2=Vi2-R2i （式9） Vo=R4R3(Vo1-Vo2)=R4R3(1+2R2R1)(Vi1-Vi2) （式10）下面就各電阻應(yīng)取阻值大小進(jìn)行分析：前面已經(jīng)計(jì)算過，當(dāng)承重為滿量程200g時(shí)應(yīng)變片變化R取0.2，此時(shí)測量電路輸出電壓Uo4.6mV，即差分放大電路的差模輸入Vi1-Vi2=4.6mV,而要求的最終輸出電壓為200mV，故需將Uo放大40多倍。由式（10）知差分放大電路的放大倍數(shù)為R4R3(1+2R2R1)，主要由R4R3及R2R1的值決定，但R

10、1、R3太小會從集成運(yùn)放中獲取太大的電流，太大的R4、R2會增加電阻產(chǎn)生的噪聲，故其放大倍數(shù)不宜太大，我們可先通過差分放大電路將電壓信號放大至100mV左右，再通過后續(xù)的放大電路將其進(jìn)一步放大以達(dá)到所要求值。實(shí)驗(yàn)中取R2=R3=10k,R4=51k,而將R1用一個(gè)2k固定電阻和10k滑動變阻器Rb串聯(lián)代替，即放大倍數(shù)為5.1(1+20Rb+2),可以通過改變Rb阻值來進(jìn)行調(diào)節(jié)。差分放大電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）高輸入阻抗。被提取的信號是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號，為了減少信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。2）高共模抑制比。電路對共模信號幾乎沒有放大作用,共模電壓增益接近零。3）低噪聲、低漂

11、移。主要作用是對信號源的影響小，拾取信號的能力強(qiáng)，以及能夠使輸出穩(wěn)定。4）電路的增益可以通過改變電阻R1阻值來調(diào)節(jié)。二級放大電路電壓信號經(jīng)過差分放大電路放大后并不能滿足預(yù)期要求，故需要將其進(jìn)行進(jìn)一步放大，后續(xù)放大電路如圖所示圖10 二級放大電路Vin為輸入信號即差分放大電路的輸出，Vout為輸出。Vin-VoR1=Vo-VoutR2 （式11）Vout=R1+R2Vo-R2VinR1 （式12）前面通過差分放大電路將電壓信號放大至100mV左右，故需再將其放大約2倍，取R2=20k，R1=10k，可以通過調(diào)節(jié)Rb使輸出為200mV。電子秤實(shí)驗(yàn)的整體電路見附圖。三、需用器件與單元：傳感器、實(shí)驗(yàn)臺

12、、實(shí)驗(yàn)元件箱。四、實(shí)驗(yàn)步驟：電路調(diào)試與數(shù)據(jù)記錄圖1傳感器托盤安裝示意圖1、將托盤安裝到傳感器上，如圖1所示2、測量應(yīng)變片的阻值：當(dāng)傳感器的托盤上無重物時(shí)，分別測量應(yīng)變片R1、R2、R3、R4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只砝碼后再分別測量R1、R2、R3、R4的阻值變化，記錄于表1-1、1-2中，分析應(yīng)變片的受力情況（受拉的應(yīng)變片：阻值變大，受壓的應(yīng)變片：阻值變?。?。3、設(shè)計(jì)測量電橋中各應(yīng)變電阻的組合方法，計(jì)算出在±4V供電情況下，測量電橋可能提供的最大電壓變化量。4、電橋電路稱重測量：在未供電情況下，搭建測量電橋電路。在±4V供電情況下,首先調(diào)節(jié)電橋零點(diǎn)，然后依次加減砝

13、碼兩次，用電壓表測量電橋電路的輸出電壓并做好實(shí)驗(yàn)記錄。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表2-1、2-2中。5、在未供電情況下，搭建好儀表放大器電路及后面的放大電路。注意：元件選取，線路連接一定要正確。特別是電源線更不能接錯(cuò)，以免損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備。6、差動放大器調(diào)零：不要連接電橋電路，將放大電路的輸入端短接（及整體電路圖中所標(biāo)的A B點(diǎn)短接）。將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開關(guān)切換到2V檔，檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器Rb至合適位置(先順時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆時(shí)針回轉(zhuǎn)1圈)后，再調(diào)節(jié)放大器的調(diào)零電位器Rc，使電壓表顯示為零。7、系統(tǒng)電路調(diào)零：關(guān)閉主機(jī)箱電源，按整體電路圖接線（AB間接線斷開），將

14、±2V±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄鱎a，使主機(jī)箱電壓表顯示為零。8、系統(tǒng)輸出增益調(diào)節(jié)：將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器Rb（見整體電路圖）使數(shù)顯表顯示為0.200V(2V檔測量)。9、重復(fù)7、8步驟的標(biāo)定過程，一直到精確為止。10、系統(tǒng)稱重實(shí)驗(yàn)：將10個(gè)20g砝碼依次放在托盤上稱重，結(jié)果記錄于表3-1；再將砝碼依次取下，結(jié)果記錄于表4-2。放上筆、鑰匙之類的小東西稱一下重量。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。五、實(shí)驗(yàn)記錄表如下面格式：1、測量應(yīng)變片的阻值表1-1 第一組測量數(shù)值R1R2R3R4空量

15、程時(shí)阻值/滿量程時(shí)阻值/表1-2 第二組測量數(shù)值R1R2R3R4空量程時(shí)阻值/滿量程時(shí)阻值/表1-3 第三組測量數(shù)值R1R2R3R4空量程時(shí)阻值/滿量程時(shí)阻值/2、電橋電路稱重測量（1）表2-1：將10個(gè)20g砝碼依次放上托盤，記錄輸出電壓數(shù)值。砝碼重量（g）020406080100120140160180200輸出電壓（mv） （2）表2-2：將10個(gè)砝碼依次取下，記錄輸出電壓數(shù)值。砝碼重量（g）200180160140120100806040200輸出電壓（mv）繪制實(shí)驗(yàn)曲線3、系統(tǒng)稱重?cái)?shù)據(jù)記錄（1）表3-1：將10個(gè)20g砝碼依次放上托盤，記錄輸出電壓數(shù)值。砝碼重量（g）020406080100120140160180200輸出電壓（mv）（2）表3-2：將10個(gè)砝碼依次取下，記錄輸出電壓數(shù)值。砝碼重量（g）2001801601