简易数字电子称系统设计

i目录1简易数字电子称系统设计概述...............................................................................................12简易数字电子称.......................................................................................................................22.1传感器电路的设计......................................................................................................22.1.1传感器原理................................................................................................................22.1.2设计内容...................................................................................................................32.2运算放大器的设计......................................................................................................52.3模拟/数字（A/D）转换电路的设计.........................................................................82.3.1双积分型A/D转换器...............................................................................................82.3.2ICL7107A/D转换器简介.........................................................................................82.3.3CL7107的A/D转换器的工作过程........................................................................112.4数字显示电路的设计................................................................................................132.5电源部分的设计........................................................................................................152.5.1电源电路的结构及各部分作用.............................................................................152.5.2参数计算.................................................................................................................162.6电路校验....................................................................................................................183设计总电路图.........................................................................................................................204设计的PCB板图...................................................................................................................215方案仿真.................................................................................................................................226元件清单.................................................................................................................................23参考文献....................................................................................................................................25致谢............................................................................................................................................26ii摘要以前人们用手工称来计量物体的轻重，而如今是数字时代，数字器件的便捷逐渐取代了古老的手工称。数字电子称根据其量程可用于许多场合，能方便地读出物体的质量，还能进行千克、市斤的转换，复位清零操作等，很多数字电子称还能直接读出物体的价格。将压力传感器、放大电路、A/D转换器及显示电路组合起来，便能制成体积小、精度高、经久耐用的简易数字电子称。此外，该电路稍加改造，还可演变出很多电路，如数显电流表、数字温度计等。关键词：AD521；ICL7107；传感器；电子称iiiAbstractBeforelong,peopleweightedtheobjectswiththemanualname.ButthepresentistheDigitalAge,andthedigitaldeviceconveniencehasgraduallysubstitutedfortheancientmanualname.Thedigitalelectronicnameactsaccordingtoitsmeasuringrangetobepossibletouseinmanysituations,andwecannotonlyconvenientlyreadouttheobject’sweightbutalsocancarryonakilogramintransformation,clearzeroandsoon.Manydigitalelectronicnamealsocandirectlyreadouttheobject’sprice.Theresistancepressuretransmitter,combiningwiththeamplifyingcircuit,AnalogtoDigitalconverterandthedigitaldisplaydevicethencanmakeupaslightlyvolume,highprecisiondigitalelectronicname.Bychangingthecircuitalittle,itcanalsouseinmanyelectricdevices,likedigitalamperemeter,thedigitalthermometerandsoon.Keywords:AD521;ICL7107;resistancepressuretransmitter;digitalelectronicname11简易数字电子称系统设计概述简易数字电子称系统是由压力传感器（电阻应变式称重传感器）、运算放大器、3位半模拟/数字（A/D）转换器、数字显示器等主要部分组成。在测量压力时，把外界压力信号通过传感器转换成电压信号，该电压信号经过运算放大器放大后经过模/数（A/D）转换器把模拟量转换成数字量，数字量送显示器显示。使用过程说明：通电后，首先清零，数码管均显示零，将物体（重量范围在0.1~1kg）放在电子称上，由于电阻应变片受到压力发生形变，阻值发生相应变化，传感器输出一个电压值[1]。此电压值经过A/D转换后，数码管显示一个读数，该读数便为该物体的重量。按下千克、市斤的转换开关，则能实现相应的单位转换功能。主要技术指标：（1）称量范围：0.1~1kg；（2）误差：±0.10g（或±1个字）；（3）千克、市斤转换；（4）LED（LCD）数码显示：3位半。（5）复零调节。22简易数字电子称1）组成按照系统设计要求，设计该系统主要由4个模块组成：压力传感器（电阻应变式称重传感器）、运算放大器、模拟/数字（A/D）转换器、数字显示器等主要部件组成。2）原理及框图在测量压力时，把外界压力信号通过传感器转换成电压信号，该电压信号经过适当处理后经过模/数转换器把模拟量转换成数字量，数字量送显示器显示[1]。复零调节电路是将数字显示器清零，测试转换电路是实现千克和市斤之间的转换。其结构框图如图1所示。图1简易数字电子称的结构框图2.1传感器电路的设计2.1.1传感器原理导体或半导体在外界作用下产生机械形变时，其阻值将发生相应的变化，这种现象称为“应变效应”[2]。根据应变效应将应变片粘贴于被测材料上，使其在受到外界应力作用时，引起应变片的变形，并使其阻值发生变化。通过测量双差动全桥电路将应变片阻值的变化转换成电压的输出，就可确定被测材料机械量的变化。根据传感器理论可知，设长为L、截面积为S、电阻率为ρ的电阻丝，已知其阻值为：LRS（1）当电阻丝两端有机械应力P时，ρ、L、S都会发生变化，从而导致电阻发生变化。其金属丝的应变灵敏系数K为：压力传感器运算放大器OSC复零调节测试转换数字显示器模/数（A/D）转换器31212Kc（2）比例系数μ称为泊松比，c为金属晶格结构的比例系数，一般在-12（镍）～+6（铂）范围。在弹性形变范围内，K决定于泊松比μ和比例系数c；在塑性形变范围内，因μ=0.5，所以K=2[3]。在电子秤的实际应用中，应变式传感器包括两个主要部分：一个是弹性敏感元件亦称弹性体，利用它把被测物理量质量转换为弹性体的应变值。本设计采用铝合金作为弹性体的材值。另一个是应变片，由于金属材料的应变片稳定性好，在很大范围内保持常数，所以一般采用金属电阻应变片。电子秤在秤台结构上一个显著的特点是一个相当大的秤台只在中间装置一块专门设计的传感器组来感应物料重量。当秤台上放置物料时，应变片产生电阻应变△R（应变片受拉时为R+△R，应变片受压时为R-△R）。为了显示和记录，通常将应变片组成双差动全桥电路。双差动全桥电路具有较高的灵敏度，良好的线性关系和适应温度变化的补偿能力。2.1.2设计内容1）结构及原理图本方案选用双孔梁弹性称重传感器如图2（a），其同一截面正反两面粘贴应变片，组成差动工作形式的电桥输出如图2（b），即采用两片受压（1R、3R），两片受拉（2R、4R）的四片应变片，且使相同受力状态的两应变片接入电桥的相对臂上。其特点是结构简单、容易加工、粘贴