簡易數(shù)字電子稱系統(tǒng)設(shè)計

...wd......wd......wd...目錄1簡易數(shù)字電子稱系統(tǒng)設(shè)計概述圖7ICL7107芯片2〕外圍電路及引腳功能ICL7107的外圍電路如圖8所示：圖8ICL7107的外圍電路圖各引腳功能如下：1端：=5V，電源正端。26端：＝－5V，電源負(fù)端。19端：bc4，千位數(shù)筆段驅(qū)動輸出端，由于位的計數(shù)滿量程顯示為“1999”，所以bc4輸出端應(yīng)接千位數(shù)顯示器顯示“1”字的b和c20端：POL，極性顯示端〔負(fù)顯示〕，與千位數(shù)顯示器的g筆段相連接〔或另行設(shè)置的負(fù)極性筆段〕。當(dāng)輸入信號的電壓極性為負(fù)時，負(fù)號顯示，如“－19.99”；當(dāng)輸入信號的電壓極性為正時，極性負(fù)號不顯示，如“19.9921端：GND，與正負(fù)電源的公共地端相連接。27端：INT，積分器輸出端，外接積分電容〔一般取=0.22〕。28端：BUF，輸入緩沖放大器的輸出端，外接積分電阻〔一般?。?7〕。29端：CAZ，積分器和比較器的反相輸入端，接自校零電容〔?。?.47〕。30、31端：IN－、IN＋，輸入電壓低、高端。由于兩端與高阻抗運算放大器相連接，可以忽略輸入信號的注入電流，輸入信號應(yīng)經(jīng)過1M電阻和0.01電容組成的濾波電路輸入，以濾除干擾信號。2~8端：個位數(shù)顯示器的筆段驅(qū)動輸出端，各筆段輸出端分別與個位數(shù)顯示器對應(yīng)的筆段a~g相連接。9~14、25端：十位數(shù)顯示器的筆段驅(qū)動輸出端，各筆段輸出端分別與十位數(shù)顯示器對應(yīng)的筆段a~g相連接。15~18、22~24端：百位數(shù)顯示器的筆段驅(qū)動輸出端，各筆段輸出端分別與百位數(shù)顯示器對應(yīng)的筆段a~g相連接。32端：COM，模擬公共電壓設(shè)置端，一般與輸入信號的負(fù)端，負(fù)基準(zhǔn)電壓端相接。33、34端：、，基準(zhǔn)電容負(fù)壓、正壓端，它被充電的電壓在反相積分時，成為基準(zhǔn)電壓，通常?。?.1。35、36端：、，外接基準(zhǔn)電壓低、高位端，由電源電壓分壓得到。Rp和是分壓電阻。37端：TEST，數(shù)字地設(shè)置端及測試端，經(jīng)過芯片內(nèi)部的500電阻與GND相連。38、39、40端：，產(chǎn)生時鐘脈沖的振蕩器的引出端，外接、元件。振蕩器主振頻率與的關(guān)系為：〔11〕2.3.3ICL7107的A/D轉(zhuǎn)換器的工作過程ICL7107的A/D轉(zhuǎn)換過程大致分兩個階段：即對被測電壓定時積分和對基準(zhǔn)電壓定值積分。各階段的工作過程如圖〔9〕：圖9ICL7107A/D轉(zhuǎn)換原理圖1〕對被測電壓定時積分如圖9〔a〕，設(shè)t＝時，開關(guān)接通被測電壓－，反向積分器A1對－積分，其輸出電壓開場線性上升〔如圖9〔b〕〕。當(dāng)≥0時，那么過零比較器A2翻轉(zhuǎn)，輸出的正跳變脈沖翻開閘門，時鐘脈沖進(jìn)入計數(shù)器計數(shù)。經(jīng)過規(guī)定時間或計數(shù)器預(yù)置的數(shù)〔例如預(yù)置1000個脈沖數(shù)〕后計滿溢出時，〔即t＝〕產(chǎn)生溢出脈沖。這時通過邏輯控制電路使開關(guān)接通基準(zhǔn)電壓，斷開被測電壓－。那么定時積分階段宣告完畢，對基準(zhǔn)電壓的定值積分開場。定時積分階段積分器的輸出電壓的表達(dá)式為：〔12〕定時積分階段完畢時，積分器的輸出電壓為〔13〕式中，──計數(shù)脈沖的頻率，──計數(shù)器的預(yù)置數(shù)，。2〕對基準(zhǔn)電壓定值積分設(shè)t＝時，開關(guān)接通基準(zhǔn)電壓〔如圖9〔a〕〕。反向積分器A1對積分，輸出電壓開場線性下降。當(dāng)下降到≤0時〔即t＝〕，如圖9〔b〕，過零比較器A2再次翻轉(zhuǎn)，輸出的負(fù)跳變脈沖關(guān)閉閘門，計數(shù)器停頓計數(shù)，邏輯控制電路使開關(guān)閉合，積分電容快速放電，使積分器恢復(fù)到零狀態(tài)，那么定值積分階段完畢。在定值積分階段，積分器的輸出電壓的表達(dá)式為：〔14〕定值積分階段完畢時，積分器的輸出電壓為：〔15〕式中，──定值積分的時間，可以通過計數(shù)器累計的時鐘脈沖數(shù)來計算，即〔16〕由式〔15〕可得：〔17〕由式〔13〕和〔17〕可得：〔18〕可見，ICL7107被測電壓與參考電壓之間有著嚴(yán)格的比例關(guān)系[1]。假設(shè)固定為1000，應(yīng)設(shè)定為100mV，那么被測電壓的值可直接以計數(shù)器的計數(shù)值來顯示。輸出讀數(shù)〔〕〔19〕在放大器輸出端，假設(shè)接到A端，此時輸出電壓為40mV，那么在顯示電路中將顯示“0400〞；假設(shè)接到B端，此時輸出電壓為20mV，那么在顯示電路中將顯示“0200〞。利用VIN與VREF的比例關(guān)系來設(shè)計電路，可以大大簡化放大器的設(shè)計和調(diào)試工作。2.4數(shù)字顯示電路的設(shè)計1〕七段數(shù)碼管顯示原理七段數(shù)碼管在工業(yè)控制中有著很廣泛的應(yīng)用,例如用來顯示溫度、數(shù)量、重量、日期、時間，還可以用來顯示比賽的比分等，具有顯示醒目、直觀的優(yōu)點。七段數(shù)碼管可分為共陰極和共陽極的數(shù)碼管，對于共陰極的數(shù)碼管只有當(dāng)其輸入端輸入高電平時二極管才會發(fā)光；而共陽極的數(shù)碼管只有當(dāng)輸入端輸入低電平時二極管才會發(fā)光。其具體工作原理可表達(dá)如下：首先將數(shù)碼管要顯示的8分為七段如圖10所示。圖10數(shù)碼管位置圖這七段分別由七個發(fā)光二極管構(gòu)成，還有一個發(fā)光二極管用來顯示小數(shù)點。各段LED顯示器需要由驅(qū)動電路驅(qū)動，且驅(qū)動一個二極管點亮需要約3mA的電流。根據(jù)數(shù)碼〔0，1，2，3，4，5，6，7，8，9〕來決定七段中的某一段或幾段進(jìn)展顯示，例如：如果數(shù)碼為0，那么要點亮a、b、c、d、e、f段。對于其它的數(shù)字可依次類推。2〕顯示方式的選擇因為芯片ICL7107采用雙電源供電，能輸出較大的電流，適合于驅(qū)動發(fā)光二極管〔LED〕數(shù)碼顯示器，并且ICL7107芯片內(nèi)部包括7段譯碼，可以用硬件譯碼的方法直接驅(qū)動發(fā)光二極管〔LED〕數(shù)碼顯示器，所以顯示方式采用共陽極數(shù)碼管LED顯示。七段LED數(shù)碼管共陽級顯示如以以下圖11。圖11共陽極顯示原理ICL7107沒有專門的小數(shù)點驅(qū)動信號，使用時可將共陽極數(shù)碼管的公共陽極接，小數(shù)點接GND時點亮，接時熄滅[1]。3〕外圍電阻的選擇由于每個二極管需要約3mA電流驅(qū)動，四個數(shù)碼管共有25個二極管需要驅(qū)動，故需要的總電流為mA，所以在5V電源處需加一個100的電阻。由式〔19〕，假設(shè)為100mV，那么輸出讀數(shù)和輸入電壓間是十倍的關(guān)系，故需要將十位上的小數(shù)點點亮，才能使所稱物體的質(zhì)量和顯示的讀數(shù)相等。點亮該小數(shù)點的方法是將一個1.5k的電阻接地。具體電路如以以下圖12。圖12顯示電路2.5電源局部的設(shè)計2.5.1電源電路的構(gòu)造及各局部作用1〕電源電路框圖及原理在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率穩(wěn)壓電源的組成可以用如圖13表示，它是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四局部組成[5]。電源變壓器整流電路濾波電路電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路圖13電源電路的構(gòu)造框圖電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰慕涣麟妷褐?，然后通過整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓[5]。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動〔一般有±10%左右的波動〕、負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載和溫度變化時，維持輸出穩(wěn)定的直流電壓[5]。2〕整流電路整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電，完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路[5]。本設(shè)計選用單相橋式整流電路，如圖14，其中Tr是電源變壓器，是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流二極管〔D1~D4〕接成電橋的形式。圖14單相橋式整流電路3〕濾波電路濾波電路用于濾除整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路[5]。常用的構(gòu)造如圖15所示。本設(shè)計濾波電路選用〔a〕中的電容濾波。圖15濾波電路的基本形式4〕穩(wěn)壓電路在本設(shè)計中，穩(wěn)壓電路采用三端集成穩(wěn)壓器組成。三端集成穩(wěn)壓器只有輸入、輸出和公共引出端。78L××系列為正電壓輸出，79L××系列為負(fù)電壓輸出。本設(shè)計使用了7815、7805、7915、7905四個三端集成穩(wěn)壓器，其中7815、7805分別輸出＋15V、＋5V直流電源，7915、7905分別輸出－15V、－5V直流電源。2.5.2參數(shù)計算1〕變壓器的參數(shù)計算A．保證穩(wěn)壓器在電網(wǎng)電量低時仍處于穩(wěn)壓狀態(tài)，要求：〔20〕式中，是穩(wěn)壓器的最小輸入輸出壓差，典型值為3V。按一般電源指標(biāo)的要求，當(dāng)輸入交流電壓220V變化10%時，電源應(yīng)穩(wěn)壓。所以穩(wěn)壓電路的最低輸入電壓：〔21〕由于5V〔或15V〕，所以有〔〕，取值9V〔或18V〕。B．另一方面，為保證穩(wěn)壓器安全工作，要求：〔22〕式中，是穩(wěn)壓器的最大輸入輸出壓差，典型值為35V可見9V〔或18V〕在所需范圍內(nèi)。C．由于=0.5A，變壓器副邊P4.5W，變壓器的效率η=0.7，那么原邊功率P6W，由以上分析可見，選購副邊電壓為9V〔或18V〕，輸出電流1A，功率為9W〔18W〕的變壓器。2〕濾波電容C的計算[5]〔23〕〔式中T為輸入交流信號周期；為整流濾波電路的等效負(fù)載電路〕因此有取、=2200μF〔、=1000uF〕接入電容、、、用于消除波紋電壓，、、、用來抑制穩(wěn)壓器自激。綜上，畫出電源局部的電路如圖16所示。圖16電源局部電路圖2.6電路校驗1〕傳感器電路的調(diào)零如圖3，即當(dāng)應(yīng)變片不受力作用時，調(diào)節(jié)，輸出電壓為零。2〕放大電路調(diào)零如圖6，當(dāng)放大器輸入為零時，調(diào)節(jié)Rp，使輸出電壓為零。3〕ICL7107A/D轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試如圖8，主要調(diào)試工作為基本量程200mV時的基準(zhǔn)電壓=100mV的調(diào)整[1]。調(diào)整Rp，用數(shù)字電壓表進(jìn)展測量，看基準(zhǔn)電壓是否等于100mV。調(diào)試后對電路工作狀態(tài)的檢查步驟為：A．零電壓測量〔此操作可當(dāng)作復(fù)零操作〕將正輸入端與負(fù)輸入端短接，即將31、30腳短接，LED應(yīng)顯示“0000”B．基準(zhǔn)電壓的測量將U與〔31與36腳〕短接，讀數(shù)應(yīng)為“100.0±1”。C．顯示器筆段的測試將TEST與短接，即將37、1腳短接，LED應(yīng)顯示“1888〞。D．負(fù)號與溢出功能的檢查將正輸入端與短接，即將31、26腳短接，應(yīng)顯示負(fù)號和顯示千位的“1〞字，而百、十、個位各段均不亮?！踩绾螌崿F(xiàn)市斤千克的轉(zhuǎn)換，加控制電路如何實現(xiàn)〕3設(shè)計總電路圖4設(shè)計的PCB板圖畫出放大電路的PCB板如附件1所示。5方案仿真仿真軟件采用的是ElectronicWorkbench8.0〔EWB8〕，由于元件庫中沒有AD521，故用一般放大器NE5532代替其仿真。仿真圖如附件2。6元件清單表1元件清單編號元件名稱規(guī)格數(shù)量1七段數(shù)碼顯示器LED42應(yīng)變傳感器BHR-1013穩(wěn)壓集成塊780514穩(wěn)壓集成塊781515穩(wěn)壓集成塊790516穩(wěn)壓集成塊790517變壓器DS18B2028單刀雙擲開關(guān)SWSPDT19整流二極管1N4007810運算放大器AD521111A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107112電位器10k213電位器4.3k114電位器20115電位器1k116電解電容2200uF217電解電容1000uF218瓷介電容0.33uF219瓷介電容1uF220瓷介電容0.1uF521瓷介電容100pF122瓷介電容0.22uF123瓷介電容0.47uF124瓷介電容0.01uF125電阻1k2續(xù)表1編號元件名稱規(guī)格數(shù)量26電阻10k127電阻100k228電阻24k129電阻10130電阻47k131電阻1M132電阻100234保險絲FUSE4參考文獻(xiàn)[1]何希才等，傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版業(yè)，2005：73-79.[2][日]松井邦彥著，梁瑞林譯，傳感器實用電路設(shè)計與制作[M]．北京：科學(xué)出版社，2005：162-178.[3]何希才，薛永毅著，傳感器及其應(yīng)用實例[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003：176-180.[4]全國大學(xué)生電子設(shè)計組，電子系統(tǒng)設(shè)計實踐[J]．湖北：華中科技大學(xué)出版社，2005：55-60.[5]康華光，電子技術(shù)根基〔模擬局部〕[M]．北京：高等教育出版社，1999：443-