69电子技术课程设计报告

数字电子技术课程设计报告设计课题：数字电子秤专业班级：应用电子1301班学生姓名：指导教师：闫栋梁设计时间：2014.12,29-2014,1,21数字电子秤设计者吕淑洁谭柏杨马飘飘指导教师闫栋梁摘要随着计量技术和电子技术的发展传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。本课程设计的电子秤是利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲V改为重量纲g即成为一台原始电子秤。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而由INA126构成的放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。放大后的模拟电压信号经过A/D转换电路变成数字量，A/D转换电路采用A/D转换芯片ICL7107实现。然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果，显示电路采用四块分立的七段LED显示电路进行显示。本设计中通过改变放大电路的增益，从而达到转换量程的目的。由于被测物体的重量相差较大，根据不同的侧重范围要求，需对量程进行切换。将设计好的电路利用AltiumDesigner软件进行电路图绘制，并进行仿真，最后得到了较好的效果，具有一定的精度，从而证明了该电子称设计方案可行。关键词全桥测量INA126ICL7107A/D转换LED引言随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。做为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品。1设计目的与要求21.1设计目的（1）设计简易数字电子秤满足一定的测量范围并通过LED显示出来；（2）培养独立分析问题和解决实际问题的能力；（3）了解常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则；（4）学会撰写课程设计总结报告；（5）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度；1.2设计要求（1）测量范围：0~199.9kg；（2）用数字显示被测重量，小数点位置对应不同的量程显示；扩展：具有自动切换量程功能。2方案设计与论证2.1电子称的基本结构电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：(1)承重、传力复位系统它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。(2)称重传感器即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。(3)测量显示和数据输出的载荷测量装置即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。2.2总体方案设计与论证数字电子秤与普通秤的区别即是将物体的重量通过数字直接在LED数码管3或液晶显示器上显示出来。因此，首先需要传感器将重量值转化成电压信号或电流信号，而一般经传感器产生的电压信号或电流信号都是比较微弱的，需经放大电路进行放大。放大后的电压或电流信号均属于模拟信号，要通过数码管或液晶显示器显示，必须变成数字信号，因此，放大电路后再接一A/D转换电路，将模拟信号转换成数字信号以便于数码显示。方案一：通过传感器产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片进行A/D转换，由于此芯片可直接用于数字显示，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示即可。而量程切换通过修改放大系统的增益实现。原理方框图如图1图1方案二：通过传感器产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片进行A/D转换，然后把转换后的数字信号输入单片机由单片机进行数据处理和对A/D转换的控制，再由单片机输出显示信号，通过显示电路进行显示。自动换挡功能通过单片机控制实现。该方案的原理方框图如图2所示图2方案一的优点是外部电路非常简单，且同时能实现较高的精度。缺点是无法对A/D转换进行控制。方案二可控制性好，电路简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限。而单片机需要编写程序进行数据处理，较复杂。4因此，基于简单原则、本专业尚未学单片机的原因，设计总体方案采用方案一。该方案主要包括四个模块：传感器模块、放大模块、A/D转换模块、数码显示模块。3单元电路设计与参数计算3.1传感器模块3.1.1称重传感器的基本原理称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到不同压力或拉力是产生的电信号也随着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥。传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。应变片式电阻传感器是以应变片为传感器元件,它具精度高，测量范围广;使用寿命长,性能稳定可靠;结构简单、尺寸小、重量轻,价格便宜等优点.电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应,即导体产生机械形变时,它的电阻值相应发生变化.电阻应变式传感器就是将被测物的质量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的电桥电路转换为被测物质量值相对应的电压信号。电阻应变式传感器由感压装置、电阻应变片和惠更斯电桥电路三部分组成，应变片式电阻传感器应用很广.本设计采用SP20C-G501电阻应变式传感器，该传感器结构简单、灵敏度高。电阻应变片有丝式和箔式.设有一根长为l的电阻丝,它在未受力时的原始电阻值为电阻丝在外力的作用下,将引起电阻的相对变化为其中为电阻丝的轴向应变.可见在电阻丝拉伸比例极限内,电阻的相对变化与应变成正比,可通过电阻或电压的变化测应变,从而测量重量.本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。电阻应变式传感器安装示意图如图35图3应变式传感器安装示意图电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：(1)电阻丝温度系数引起的。(2)电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。3.1.2称重传感器的测量电路常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—0.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中最常用的是桥式测量电路。它将应变阻值的变化转换为电压或电流的变化，这就是可用的输出信号。桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压Ui，另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或者就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uout＝KUiε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。全桥测量基本电路如图4.6图4其中输出电压电子秤的传感器在不加负荷时，桥路的电阻应平衡，也就是电桥初始平衡状态输出应为零。但实际上桥路各臂阻值不可能绝对相同，接触电阻及导线电阻也有差异，致使输出不为零。因此必须设置调零电路使初始状态达到平衡，即输出为零。可在图4中增加一个调零电桥，如图5图5全桥测量电路其测量条件如表173.2放大电路模块3.2.1放大电路方案的选择压力传感器输出的电压信号为毫伏级（0~2mv），所以对运算放大器要求很高。考虑以下几种方案可以采用：方案一：利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此中方案不宜采用。方案二：由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器。如图6.图6差动放大器电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。缺点：此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大。方案三：采用专用仪表放大器，如：INA126，INA121等。此类芯片内部采用8差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口非常简单。以INA126为例,其实际管脚图如图7所示：图7INA126管脚图基于以上分析，我决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126。3.2.2INA126放大器基本介绍INA126是低功耗、高精度的通用仪表放大器。它通用的3运放（3-opamp）设计和体积小巧使其应用范围广泛。反馈电流（Current-feedback）输入电路即使在高增益条件下(G=100时200kHz)也可提供较宽的带宽。单个外部电阻可实现从1至10000的任一增益选择INA126提供工业标准的增益等式（gainequation）。INA126用激光进行修正微调，具有非常