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电子配料秤

长安大学

电子技术课程设计

课题名称电子配料称

班级

姓名

指导教师

日期1-4

前言

　　电子配料秤是一种预先给定质量比例，对被称物中的几种物质进行配料计量的衡器。

用途十分广泛，既可用于多种物料的配料汁量，也可用于一种物料的计量（料斗秤）。

若与包装密封机配套，即为定量包装秤。

一种电子配料秤，它包括有皮带、机架、驱动部分、称重传感器、测速传感器、变频器、控制仪表，张紧装置，在于机架的框架为矩形管，张紧装置由水平张紧装置和垂直张紧装置组成，水平张紧装置位于机架的被动辊处，主动辊中心位置低于被动辊中心位置高于张紧中心位置。

在机架上矩形箭内侧安装秤重框支点座和秤重托辊座。

本实验用新型的水平张紧及垂直张紧装置其设计思想是三角形张紧方式，其优点是张缩比大、可防止皮带下部颤动提高皮带运行稳定性。

本实验用新型的秤重托辊座、秤框支点座在机架矩形方管内侧的安装方式是在以保证定位精度的准确，生产，加工，安装方便。

在现代工业生产中，电子配料秤有着非常广泛的应用。

如饲料加工、炼钢、生产水泥等，在这此生产流程中经常需要将不同的物料按一定重景比例配置进行混合加工，现设计一种加料重量计量装置，用于配料生产的自动控制系统。

本课程设计的电子配料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。

而三运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。

A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，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。

1.第一章电子配料秤的系统概述……………………………………

（1）

2.第二章单元电路设计与分析……………………………………

（1）

2.1传感器……………………………………………………………………

（1）

2.2三运放大电路……………………………………………………………

（2）

2.3比较器……………………………………………………………………（3）

2.4继电器……………………………………………………………………（5）

2.6AD转换与显示……………………………………………………………（6）

3.第三章系统概述总体电路……………………………………………（8）

4.第四章结束语……………………………………………………………（6）

4.附录…………………………………………………………………………（9）

5.参考文献…………………………………………………………………（11）

电子配料称

摘要

　　电子配料称的核心元件是电阻应变式传感器，利用单臂电桥测量原理，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（mV）和重量纲（Kg）对应起来。

电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用单臂电桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。

由于感应电压一般为mV级，不能满足ＡＤ转换器对高电平的要求，所以要把输出电压信号经过三运放大电路进行放大，把放大后的电压信号传输给ＡＤ转换器。

AD转换器的作用就是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把转换后的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。

显示电路由七段数码管构成，它可以直接显示出十进制数，为了防止数码显示管显示的数据跳动太快，引入了寄存器，不仅能防止数据的跳动，还能把数据存起来。

为了实现电子配料称的自动停止加料，还要求有一个控制电路来实现对执行机构的自动控制，为此，该设计引入电压比较器和继电器，给电压比较器一个基准电压，当经放大电路放大后的电压小于基准电压时，让继电器的开关闭合，从而使执行机构工作，反之如果大于基准电压，继电器的开关就断开，从而使执行机构停止工作，则相应的控制电路按有关的逻辑程序工作，使之完成预定的动作。

关键词

称重传感器；三运放大电路；电压比较器；继电器；AD转换器

技术要求

1.配料称重范围10Kg～500Kg；

2.配料设定重量连续可调，到达设定重量自动停止加料；

3.配料重量的自动显示；

4.配料精度优于

1％。

一、系统综述　

电子配料秤以称重传感器为核心，通过信号放大和微处理器将重量值变成电信号输出，可应用计算机进行数据处理。

电子配料秤适于用计算机技术控制生产过程。

电子配料秤采用高精度的传感器，响应速度快、分辨率高，其配料准确度足以满足现代配料配方生产的要求；电子配料秤结构简单、重量轻、安装调试使用方便；它没有机械磨损，故稳定性好；传感器的密封性良好，适合在恶劣环境下工作；采用电子配料秤还可以提高劳动生产率、减轻劳动强度、保证饲料产品的质量、降低生产成本，以及促进企业管理水平的提高。

因此，我国现代企业均采用以电子配料秤为核心的配料计量系统。

电子配料秤的主要功能是用电子电路实现物料重量的计算，所以首先应将物料重量（非电量）转换成电量。

被称物料可通过支撑料斗的负重传感器（传感器将重力转换为电压或电流的模拟讯号，经放大器及滤波处理后由处理器转换为数字讯号），实现将重量信号转换成电信号，电量数值大小与物料的重量成比例。

根据预先设定的配料重量，确定基准电压（类似于天平的砝码，比较器的参考电压来自于基准源电路的采样电压），其值大小可以调节。

再将表示物料重量的电信号与基准电压进行比较，其比较结果（输出状态）来控制执行机构完成预定的动作。

电子配料称是一种将配料的重量信号转换为电子技术中易于测量的电信号，建立起重量和电压之间的关系，由于称重传感器感应出来的电压比较小，无法满足AD转换器对高低电平的要求，应把称重传感器的感应电压进行放大，为了能让电子配料称到达设定重量自动停止加料，可以采用电压比较器和继电器的配合，当经过放大的电压达到额定重量所对应的电压时，通过继电器让执行机构的供电线路断开，从而达到自动停止加料的目的。

同时把放大电路的输出信号通过ＡＤ转换器转换成数字信号后在七段数码管显示出物料的重量。

系统框图如图1.1所示：

　　　　　　　　　　　　图1.1电子配料秤框架图

二、单元电路设计

2.1　传感器

2.1.1　传感器的选择

　　由设计要求可知本设计采用力学传感器，而力学传感器又可分为应变式力传感器、电感式压力传感器、压电式力传感器和电容式传感器。

压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。

实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

电感式传感器存在交流零位信号，不宜于高频动态测量，且本设计所用为直流电。

电容式传感器负载能力差，寄生电容影响大，输出特性曲线非线性，但是本设计要求重量和电压要具有线性关系。

　　应变式力传感器的表面积与截面积之比大，散热条件好，能承受较大电流和较高电压，因而输出灵敏度高，并可制成各种需要的形状，便于大批量生产，而且电阻应变式压力传感器与传统压力传感器相比，具有具有体积小、重量轻、精度高、可靠性好及使用方便、应力应变线性度好、重复性好、回差小、蠕变小等优点。

综合以上各种传感器的优缺点以及经济效益和设计需求，我们选择应变式力传感器。

2.1.2　电阻应变式传感器的组成以及原理

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。

传感器框架图如图2.1所示：

图2.1传感器框架图

弹性敏感元件感受被测量，产生形变，在表面形成应变，粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片随即产生应变，其阻值也相应发生变换。

下面两个图分别是应变式电阻传感器的外形图和金属丝应变片的结构图：

图２.2桥式应变式电阻传感　　　　　　　　图２.3　金属丝式应变片

　　　　　器外形图　　　　　　　　　　　　　　　　　的结构图

　　应变式电阻传感器的工作原理图如图２.３所示

图２.4应变式电阻传感器的工作原理

激励电压:

9VDC～12VDC；灵敏度:

2±0.1mV/V

输入阻抗:

405±10Ω；输出阻抗:

350±3Ω极限过载范围:

150%；安全过载范围:

120%

使用温度范围:

-20℃～+60℃

电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。

电子配料称的传感器的测量电路通常使用桥式测量电路，它将应变电阻值的变化转换为电压或电流的变化，这就是传感器输出的电信号。

电桥电路有四个电阻，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U，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，或则就有电压输出，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。

一般来说，传感器的灵敏度为2mV/Kg,而它的激励电压一般为10V，所以传感器的电压输出很小，范围大致是0～20mV，而电子配料称的量程为10～500Kg，所以输出电压与重量的线性关系为0.04mV/Kg。

所以应变式电阻传感器的重量和电压之间的线性关系应满足如表1所示：

重量（Kg）

0.1

0.2

…

1.0

…

500.0

输出电压（mV）

0.004

0.008

…

0.04

…

20.0

表1传感器重量和电压线性关系表

图2.5应变式传感器安装示意图

2.2三运放大电路

本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。

在许多需要用A/D转换和数字采集系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。

本电路主要是对输入信号的放大，主要是采用差动放大器OPAMP3288RT来对其输出进行放大，OPAMP3288RT高精度运算放大器具有极低的输入时态电压，利用电路的对称性来进行温度补偿，从而抑制零点漂移，因而具有极低的失调电压温漂，非常低的输入声电压幅度及长期稳定等特点，可广泛的应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱号的精确放大，尤其是应用于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪。

三运放大器原理图如图2.5所示

下面是关于参数的选定，由图可以分析出放大器的输出电压与输入电压之间的关系是：

又因为A/D转换器的输入电压范围为0～2V，而应变式电阻传感器的输出电压范围为0～20mV，所以三运放大电路的电压放大倍数应为100倍。

下面我们来确定三运放大电路中各个电阻的阻值，即只要满足

所以我们不妨取R7=R9=R11=390KΩ，R8=R10=3.63MΩ,R12=R13=2MΩ。

图２.6三运放大电路

由于称重传感器在multisim里无法仿真，无法产生输出电压，所以对放大电路的仿真我们采用直接加电压的方法，在三运放大电路的输入端直接加10mV的电压，在输出端用示波器测出输出电压，仿真原理图如图2.6所示

图2.7三运放大电路仿真原理图

仿真结果如图2.7所示，输出电压为1.00V，说明放大电路能正常工作。

2.8三运放电路仿真结果图

2.3比较器

2.3.1、电压比较器的功能：

比较电压的大小。

广泛用于各种报警电路。

输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况。

使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。

2.3.2、电压比较器的描述方法:

电压传输特性uO＝f（uI）

电压传输特性的三个要素：

1）输出高电平UOH和输出低电平UOL

2）阈值电压UT

3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向

2.3.3.、比较器的论证与选择

比较器可以分为滞回比较器、过零比较器以及由555集成芯片构成的滞回比较器等。

显然过零比较器不适合本次设计要求，因为它不能满足任意电压即不能控制执行机构对一定重量的物料的添加与否；而555集成芯片构成的滞回比较器与滞回比较器相比，在抗干扰方面不如后者，因为滞回比较器具有回差电压常用于控制系统中，所以我们选择滞回比较器。

滞回比较器又分为基本滞回比较器和任意电压滞回比较器，为了实现添加物料的连续可调我们采用任意电压滞回比较器。

下面我们先来介绍

2.3.4、任意电压滞回（迟滞）比较器

a、阈值电压

任意电压滞回比较器的原理图如图2.8所示，运用叠加原理可以得到比较器的阈值电压公式可写为：

式中Uz表示的是稳压管的稳压值。

由公式可得知，当Rp2的电阻最大时对应的同相输入电压应该与10Kg物料由称重传感器感应的电压经放大电路放大后的电压相等，即为40mV,而当Rp2的电阻最小时对应的同相输入电压应该与500Kg物料由称重传感器感应的电压经放大电路放大后的电压相等，即为2V。

由此可以确定滞回比较器各个电阻的阻值以及滑动变阻器的可调范围。

图2.9任意电压滞回比较器原理图

b、工作原理及电压传输特性

图2.10任意电压滞回比较器的电压传输特性

如图2.9所示为任意电压滞回比较器的电压传输特性，在同相和反相输入电压相等时，比较器的输出产生跃变，当uI＜－UT，则uN＜uP，uO＝+UZ。

此时uP＝+UT，增大uI，直至+UT，再增大，uO才从+UZ跃变为－UZ；当uI＞+UT，则uN＞uP，uO＝－UZ。

此时uP＝－UT，减小uI，直至－UT，再减小，uO才从－UZ跃变为+UZ。

c、电路特点：

（1）

经

加到运放的反相端；

（2）

经

中到运放的同相端；

（3）

引入电压并联正反馈，使运放工作非线性。

（4）

和

起限幅作用，使

2.4继电器

本设计采用的是二极管和继电器J等元件组成。

二极管工作于开关状态，由比较器的输出状态控制。

当Vo=-Uz时，二极管导通，使继电器吸合；Vo=Uz时，二极管截止，继电器释放，则相应的控制电路按有关的逻辑程序工作，使之完成预定的动作。

继电器是一种自动和远距离操纵用的电器，广泛地应用于自动控制系统遥控，遥测系统，电力保护系统以及通信系统中，起着控制、检测、保护和调节的作用，是现代电气装置最基本的器件之一，它的功能是当输入激励量达到规定要求时，在电气输出电路中，被控参量发生预定阶跃的变化的一种自动电器。

在本设计中，我将采用FRX-13F型继电器，具有体积小，质量轻，动作快等特点，可用于数字式仪表，数据检测处理系统，通信设备，自动控制及信号装置中。

它的原理图如图2.10所示

图2.11继电器的工作原理图

继电器的带铁芯的线圈一端接地，另一端接一个二极管，二极管的方向如图所示，二极管的另一端接任意电压滞回比较器的输出端，23、24端口接在执行机构的供电系统的回路中，这样就可以通过继电器实现自动停止加料。

2.5AD转换与显示

2.5.1AD转换

在一个电子配料称系统最重要的参数是内部分辨率、ADC动态范围、无噪声分辨率、更新速率、系统增益和增益误差漂移。

该系统必须设计成比率工作方式，所以它与电源电压波动无关。

根据该课程设计中的设计要求，我们采用双积分式A/D转换器。

为保证一定的分辨率和较低的成本，这里采用三位半积分式A/D转换器ICL7107。

ICL7107是一种31/2字位单片COMS集成双积分式A/D转换器。

且其性价比高，外接元件数量少，使用方便。

其输出方式为译成七段码静态的22端固定的输出。

可直接驱动31/2字位LED数码管的全部笔段。

当量程为200mv时，参考电压Vr=100mv，它可由稳压电源经分压后供给。

CC7107A/D转换器引出端功能：

图2.12ICL7107管脚图

CC7107采用标准的陶瓷户塑料双列直插40引线封装，。

各引线的功能说明如下：

Au~Gu：

为个位的段驱动信号，接个位的LED的a~g对应段笔画。

At~Gt:

为十位的段驱动信号，接十位LED的a~g对应笔画段。

Ah~Gh：

为百位的段驱动信号，接百位LED的a~g对应笔画段。

ABk:

为千位的驱动信号，接千位的LED的a~b段。

PM：

为负数指示信号，接千位LED的g段笔画或负号段，当信号为负值时，该段点亮，正值则不显示。

GND:

为逻辑线路的电位端。

OSC1和OSC2：

为时钟脉冲发生器的接线端。

Vref+和Vref-：

为参考电压的接线端。

Cref+和Cref-:

为参考电容的接线端。

COM：

为公共模拟地端。

IN+和IN-:

为模拟信号输入端。

BUF:

为缓冲器输出端，接积分电阻。

AZ:

为积分器和比较器的反相输入端，接自动稳零电容。

INT:

为积分器输出端，接积分电容。

TEST：

为灯光测试端，在检查LED时该段通过500欧姆电阻与GND相连，则各段均显示。

V+：

为电源正极，通常接+5V.

V-:

为电源负极，通常接-5V.

图示电路为ICL7107引脚及其个外角功能,该电路采用标准的3.5位显示电路进行显示，其中最高位可以显示千位的“1”和显示负号。

此外，由于该电路的两个输入端即COM与V+端的电位差具有很高的稳定性，可以作为参考电压源。

因此，可以通过分压的方法来扩大它的量程

称重传感器感应到的模拟小信号经放大器放大滤波，输入到芯片ICL7107的31管脚。

经A/D转换，将输入的模拟信号转换为数字信号由2-20，22-25管脚输出。

A/D转换器的输入电压范围为0到2V，传感器的称重范围为10kg到500kg，所以其当量为0.004mv/g。

2.5.2显示部分

AD转换可以直接驱动七段数码管，所以我们选用七段数码管，而七段数码管又分为共阴和共阳两种接法，我们选择共阴接法，即低电平有效。

又由于称重范围为10Kg～500Kg且精度优于百分之一，所以我们不能直接把用CC7107和三位半数码管直接用，因为精度不够，因而我们采取把7107的个位输出看成十分位、十位看成个位、百位看成十位、千位不接，把百位的

、d、e、

相与当做真正的百位的CP脉冲，接到74LS290的CP0端口，Q1接ＣＰ１端口构成８４２１十进制计数器，输出经七段数码驱动器74LS47接到代表百位的七段数码管，连接图如图2.13所示

图2.13AD转换与显示电路

三、系统综述

电子配料秤是一种将一定重量的物料通过一定的结构添加给所需要的机构，当达到该重量后能够自动停止加料并且可以显示出所加物料的重量，而这些机构包括能够将重量信号转化为电量信号的称重传感器、能够将很微弱的电压信号进行一定倍数的放大的放大电路，以及能够将输入的电压和基准电压进行比较结果只有高电平和低电平的电压比较器，进而和二极管和继电器配合来实现对执行机构的控制。

为了让重量显示出来，还必须得有AD转换器，能够再将模拟信号转换为数字信号，从而实现在七段数码管中显示出所加物料的重量。

图3.1电子配料称总电路图

经过上述多个部分的结合就实现了嗲暗自配料秤的设计要求。

电子配料称的总体电路图如图3.1所示。

结束语

经过了一周半的课程设计，我们通过上网查找资料，去图书馆借书，问老师和同学设计出了电子配料秤的电路，我们用mulitisim仿真出了电路的每个部分，虽然有的地方不能进行仿真，但是我们在可以进行仿真的地方都进行了仿真，仿真的结果正还可以，没有进行仿真的地方我们也进行了多方面的认证，而且效果也不错。

虽然总体上效果还不错，但是还不够完全的自动化，智能化，如果能够让设备自动完成配料，这样会更加节省人力，提高工作的效率，进而产生更大的经济社会效益。

随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。

智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展。

而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。

传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次课设中的半桥电子配料秤就是在以上仪器的基础上设计而成的。

因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。

所以我们还要不断的学习新的知识来弥补自己的不足，我相信在学习了单片机之后我们会设计出更加完美的电子配料秤。

首先是传感器的精密度，它将直接影响电子秤的称重准确度。

课设时由于传感器发出的信号不是很稳定，所以称重时误差很大。

如果使用精密度较高的传感器，效果会好的多。

其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，然后进行A/D转换。

该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。

最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。

还有就是进行数据处理时，选取适当的数据转换系数，使输出满足量程要求。

我相信以后的我们在学习了新的知识之后，会设计出更加完美的，功能更加齐全的电子配料秤。

参考文献

[1]林涛·数字电子技术基础·北京清华大学出版社·2006

[2]林涛·模拟电子技术基础·重庆重庆大学出版社·2003

[3]孙运旺·传感器技术与应用·杭州浙江大学出版社·2006

[4]张岩·传感器应用技术·福州福建科学技术出版社·2006

元器件明细表

表2

元器件明细表

序号

名称

型号参数

数量

备注

放大器

OPAMP3288RT

构成三运放大电路

比较器

OPAMP-3T

组成滞回比较器

AD转换器

CC7107

模数转换

七段数码管

SEVEN-SEG-ＣＯＭ-A

显示重量

数码管驱动器

74LS47

加计数器

74LS290

10V直流电源

传感器激励电压

附图

七段显示译码器功能表

十进制数

输入

输出

显示字型

abcdefg

0x1

xx0

101

xxxx

0000000

1111111

熄灭

111

1x1

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

0000001

1001111

0010010

0000110

1001100

0100100

1100000

0001111

0000000

0001100

1x1

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