電子秤電路設(shè)計(jì)與制作

1、精品文檔1歡迎。下載電子秤電路設(shè)計(jì)與制作實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名：學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)老師：通信與信息工程學(xué)院精品文檔2欠迎下載電子秤電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?本實(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(cè)量重量在0200g間的物體，輸出為電壓信號(hào)，通過調(diào)節(jié)電路使電壓值為對(duì)應(yīng)的重量值， 電壓量綱mv改為重量綱g即成為一臺(tái)原始電子秤。、基本原理:基本思路總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示，所測(cè)重量經(jīng)過轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為電阻變化， 再經(jīng)過測(cè) 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(hào)。被 測(cè)物 體重 量轉(zhuǎn) 換元 件測(cè) 量電路差分電路二級(jí)放大電路輸出顯示圖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

2、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(cè)非電量的傳感器。傳感器由在不同的彈性敏 感元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成，當(dāng)被測(cè)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(cè)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?cè)瓉沓叽缁蛐螤畹默F(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

3、動(dòng)等被測(cè)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(cè)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、電阻應(yīng)變片精品文檔3欠迎下載對(duì)于一段長(zhǎng)為L(zhǎng),截面積為S,電阻率為p的導(dǎo)體，未受力時(shí)電阻為R =pL二，在外力的作用下，電阻絲將會(huì)被拉伸或壓縮，導(dǎo)體的長(zhǎng)度L、截面積S以及電阻率p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(cè)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

4、等組成。測(cè)量電路電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號(hào)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(cè)量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電 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(cè)量。具有這種轉(zhuǎn)換功能的電路稱為測(cè)量電路。電橋電路是目前廣泛采用的測(cè)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R1R3-R2R4Uo=：罕 一 =.j 心UR1、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（式1）U U精品文檔4欠迎下載如圖3所示，

5、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UO=Q當(dāng)承受應(yīng)變時(shí)，R1阻值發(fā)生變化, 設(shè)為R1+AR,電橋不平衡，產(chǎn)生輸出電壓為(?1+?)?3-?2?4Uo=(?1+?+?2)(?3+?4)設(shè)R仁R2=R3=R4=又ARR1則?Uo-4 ?(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AR, R2電阻減小AR,這種電橋成為差動(dòng)電橋。圖4雙臂工作電橋此時(shí)電橋不再平衡，輸出電壓為(式2)(式3)UoUoU

6、U圖3單臂工作電橋精品文檔5欠迎下載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Uo=?2 ?(式4)精品文檔6欠迎下載(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 R4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 RoU U圖5全臂工作電橋電橋不再平衡，輸出電壓為?(Uo=U(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(cè)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R仁R2=R3=R4=3

7、50)，當(dāng)測(cè)量滿量程200g物體時(shí)，測(cè)得 應(yīng)變片阻值變化R大約在0.10.3Q之間(參見文章最后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表1、表2)o我們?nèi)=0.2Q,U=8V,則測(cè)量電路的輸出電壓為Uo=0.0046V。?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狀態(tài)， 即R1R3-R3R4不為零，輸出Uo不為零，故在測(cè)量電路中加入滑動(dòng)變阻器做調(diào)零 用，測(cè)量電路如圖6所示精品文檔7欠迎下載10kQ50%Key=A圖6電子秤測(cè)量電路差分放大電路測(cè)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(hào)一般 都很微弱，如果在遇到干擾的時(shí)候可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的錯(cuò)誤，因此采集到電壓信號(hào)后，要對(duì)電壓信號(hào)

8、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(huì)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(duì)電壓進(jìn)行放大，我們先討論簡(jiǎn)單的差動(dòng)放大器，如圖7所示,Vi1、Vi2為輸入，Vo為輸出。丄圖7基本差動(dòng)放大器輸出電壓精品文檔8欠迎下載?2?2?4Vo二Vi+(1+ )V2(式6)?1?1 ?3+?4精品文檔9欠迎下載本實(shí)驗(yàn)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(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等

9、方面。OP07管腳圖如圖9所示。Offset Null 2VcC*OutputNOOP07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。Offset N ull 1In.ertjng InputNon-Lfirtmg Input V-725精品文檔10欠迎下載本實(shí)驗(yàn)中采用的差分放大電路如圖9所示.該電路由三個(gè)運(yùn)算放大器組成，Vol、Vo2和Vo分別為三運(yùn)放的輸出電壓。分析電路知流過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.R2精品文檔11欠迎下載?1-?2i=?1Voi=Vi+RiVo2=V2-Rd

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0.2Q,此時(shí) 測(cè)量電路輸出電壓U嚴(yán)4.6mV,即差分放大電路的差模輸入Vi-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?42?2?4?2的放大倍數(shù)為?3（1 +?1），主要由?3及?1的值決定，但R1、R3太小會(huì)從集成運(yùn)放中獲取太大的電流，太大的R4 R2會(huì)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(hào)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=10灼，R4=51k

11、Q,而將R1用一個(gè)2kQ固定電阻和10kQ滑動(dòng)變阻器Rb20串聯(lián)代替，即放大倍數(shù)為5.1（1+-）,可以通過改變Rb阻值來進(jìn)行調(diào)節(jié)。?+2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(hào)是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號(hào)，為了減少信號(hào) 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(duì)共模信號(hào)幾乎沒有放大作用，共模電壓增益接近零3）低噪聲、低漂移。主要作用是對(duì)信號(hào)源的影響小，拾取信號(hào)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(jí)放大電路電壓信號(hào)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) 步放大，后續(xù)放大電路如圖所示（式7）（式（

12、式9）（式10）Vo=?40702）=（1 1 + +?3、（Vii-Vi2）精品文檔12欠迎下載Vin為輸入信號(hào)即差分放大電路的輸出，Vout為輸出（?1+?2）?-?2?Vout=（. （式12）?1前面通過差分放大電路將電壓信號(hào)放大至100mV左右，故需再將其放大約2倍, 取R2=20kQ,R仁10kQ，可以通過調(diào)節(jié)Rb使輸出為200mV?1?2（式11）圖10二級(jí)放大電路精品文檔13欠迎下載電子秤實(shí)驗(yàn)的整體電路見附圖。14歡迎下載三、需用器件與單元:精品文檔15欠迎下載傳感器、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、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 1 傳感器托盤安裝示意圖1 1、將托盤安裝到傳感器

13、上，如圖 1 1 所示2 2、測(cè)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(cè)量應(yīng)變片 R1R1、R2R2、R3R3 R4R4 的阻值。在傳感器的托盤上放置 1010 只砝碼后再分 別測(cè)量 R1R1、R2R2、R3R3 R4R4 的阻值變化，記錄于表 1-11-1、1-21-2 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 小）。3 3、 設(shè)計(jì)測(cè)量電橋中各應(yīng)變電阻的組合方法，計(jì)算出在士4V4V 供電情況下，測(cè)量電橋可能提供的最大電壓變化量。4 4、電橋電路稱重測(cè)量：在未供電情況下，搭建測(cè)量電橋電路。在士 4V4V 供電情況下，首先調(diào)節(jié)電橋零點(diǎn)，然后依次加減砝碼兩次

14、，用 電壓表測(cè)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 2-12-1 、2-22-2 中。7停在偉精品文檔12歡。迎下載5 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 6、差動(dòng)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 A B 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 2V2V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 RbRb 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 1 圈）后，再調(diào)節(jié)放大器的調(diào)零電位

15、器 Rc,Rc,使電壓表顯示為零。7 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（ ABAB 間接線 斷開），將士 2V2V士 10V10V 可調(diào)電源調(diào)節(jié)到士 4V4V 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?RaRa 使主機(jī) 箱電壓表顯示為零。8 8、系統(tǒng)輸出增益調(diào)節(jié)：將 1010 只砝碼全部置于傳感器的托盤上,調(diào)節(jié) 電位器RbRb （見整體電路圖）使數(shù)顯表顯示為 0.200V0.200V（2V2V 檔測(cè)量）。9 9、重復(fù) 7 7、 8 8 步驟的標(biāo)定過程,一直到精確為止。1010、 系統(tǒng)稱重實(shí)驗(yàn)：將 1010 個(gè) 20g20g 砝碼依次放在托盤上稱

16、重,結(jié)果記 錄于表3-13-1 ；再將砝碼依次取下,結(jié)果記錄于表 4-24-2 。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：精品文檔17欠迎下載1 1、測(cè)量應(yīng)變片的阻值表 1-11-1 第一組測(cè)量數(shù)值R1R2R3R4空量程時(shí)阻值/Q滿量程時(shí)阻值/Q表 1-21-2 第二組測(cè)量數(shù)值R1R2R3R4空量程時(shí)阻值/Q滿量程時(shí)阻值/Q表 1-31-3 第三組測(cè)量數(shù)值R1R2R3R4空量程時(shí)阻值/Q滿量程時(shí)阻值/Q2 2、電橋電路稱重測(cè)量（1 1）表 2-12-1 :將 1010 個(gè) 20g20g 砝碼依次放上托盤，記錄輸出電壓數(shù)值。砝碼重量（g）0204060

17、80100120140160180200輸出電壓（mV（2 2）表 2-22-2 :將 1010 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精品文檔12歡。迎下載繪制實(shí)驗(yàn)曲線3 3、系統(tǒng)稱重?cái)?shù)據(jù)記錄精品文檔19欠迎下載（1 1）表 3-13-1 :將 1010 個(gè) 20g20g 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 2）表 3-23-2 :將 1010 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精品文檔15歡。迎下載繪制實(shí)驗(yàn)曲線六、實(shí)