简易电子秤设计说明书.docx
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简易电子秤设计说明书
3.3.3测试电路设计
3.3.4主要芯片介绍
3.3.5方案分析
3.4调试方法和实验分析
3.4.1调试方法
3.4.2实验结果误差分析
3.4.3设计中产生错误的分析
附录2PCB图
第一章设计任务
1.1简述电子称国内外发展现状和发展趋势
国内发展
50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。
60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。
电子衡器制造技术及应用得到了新发展。
电子称重技术从静态称重向动态称重发展：
计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。
电子称重技术基本达到国际上20世纪90年代中期的水平,少数产品的技术已处于国际领先水平。
国内的电子秤市场中,1009左右量程的电子秤精度一般为0.019即10mg。
在研究方法上,电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或力的大小,通过压力传感器转换为电信号,并通过控制电路来处理该电信号。
但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。
国外发展
在国际上,一些发达国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平。
特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。
在称重传感器方面,国外电子秤产品的品种和结构又有创新,技术功能和应用范围不断扩大,
1）美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器,用于高准确度检验平台,称重平台,准确度可达5000d。
2）德国HBM公司研制成功C2A、C16A两种不同结构的1-100t具有耐压外壳保护的防爆称重传感器,其防爆性能符合欧洲EN50014和EN50018d级标准。
3）美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢F6Ox系列5-5000kg称重传感器,准确度6000d。
用于湿度大,腐蚀性强的环境中,而且防水。
4）德国塞特内尔公司研制出以被青铜为弹性体材料,快速称重用200型称重传感器。
其特点是线性好,固有频率高,动态响应快。
独创油阻尼装置与过载保护装置一体化,保证称量时速度快,工作寿命长。
组装3一30kg电子平台秤,准确度可达4000d。
发展趋势
通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。
1.2电子称的优势
1）小型化
体积小、高度低、重量轻，即小、薄、轻。
近几年新研制的电子平台秤结构充分体现了小薄轻的发展方向。
对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤，可采用将薄型或超薄型的圆形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底面与称重传感器外径相同的盲孔内，形成低外形的秤体结构，称重传感器的数量和位置由秤的额定载荷和力学要求计算决定。
钢板或铝板就是秤体的台面，称重传感器既是传感元件，又是承力支点，极大地简化了秤体结构，减少了活动连接环节，不但降低了成本，而且提高了稳定性和可靠性。
2）模块化
对于大型或超大型的承载器结构，如大型静动态电子汽车衡等，已开始采用几种长度的标准结构的模块，经过分体组合，而产生新的品种和规格。
3）集成化
对于某些品种和结构的电子衡器，例如小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等，都可以实现秤体与称重传感器，钢轨与称重传感器，轨道衡秤体与铁路线路一体化。
如秤体与称重传感器一体化的便携式静动态电子轮轴秤，多用硬铝合金厚板制成。
4）智能化
电子衡器的称重显示控制器与电子计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。
使电子衡器在原有功能的基础上，增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能，这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子衡器与采用智能化称重显示控制器的电子衡器的根本区别。
5）综合性
电子称重技术的发展规律就是不断的加强基础研究并扩大应用，扩展新技术领域，向相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。
6）组合性
在工业称重计量过程或工艺流程中，不少称重计量系统还要求具有可组合性，即测量范围等可以任意设定；硬件能够依据一定的工作条件和环境作某些调整，硬件功能向软件方向发展；软件能按一定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可以使用不同的语言和条形码，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。
第二章总体设计与方案选定
2.1理论基础
1）原理
主要用一个电阻应变式传感器，电阻应变式传感器是基于这样一个原理：
弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。
也就是当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，这时输出的电流和电阻发生变化，这便可以当作一个信号，输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大，因此用一个放大器进行放大，放大后的模拟信号经模数转换电路转换为便于处理的数字信号输出。
然后应用单片机或芯片MC4511和MC1413进行调试确定量程精度，并且用LCD或LED进行输出，在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，若需要还要在传感器与数模转换器之间加上信号调整电路。
为了保护仪器还在需要时加上报警电路。
2）待解决问题
（1）应变片灵敏度要高，因为是小量程的则形变很小。
（2）因为形变小所以很难找到合理的应变片以得到合理分辨力。
（3）因量程小则数据进入线性区域困难。
（4）因应力很小则应该尽量减少其它力的影响以减小误差。
2.2基本原理
1）电子称是由称重传感器感知外界的重力，再把转换的电信号传送给电子电路的。
在称重时不要过力，特别是小称量的秤，所称的物品要轻拿轻放，以免损坏传感器。
2）必须给电子秤一个稳定的工作电压，使之提高称重的准确性。
3）电子秤最好在干燥通风的环境中使用（防水电子秤除外），因为，传感器和电子元件长期工作在潮湿的环境中会缩短使用寿命，给您带来经济损失。
4）电子秤内部使用的是运算放大器、A/D模数转换器和译码器电路，为使您称重准确，应远离强电磁干扰源，如（电焊机，电钻，磁铁，大型电动机）等。
第三章电路调试与实验
3.1设计方案
系统框图
1）
2）
方案设计
3.2方案介绍及选定
1）方案介绍
前端信号处理时，选用放大器模数转换器等措施，在显示方面采用LED或具有字符图文显示功能的LCD显示器。
这不仅加强了人机交换的能力，可以显示所称量的物体信息等相关内容。
目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。
由于系统需要的按键较多，因此要加一个键盘。
单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。
但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。
使用单片机处理LED显示型方案会给系统设计带来一定的难度。
使用译码器MC4511和达林管阵列MC1413可以完成比较复杂的控制系统，其外围的电路简单，不需要编写复杂的程序，因为有许多现成的软件可以应用。
但是其缺点是耗费时间，调试不方便，不利于大规模生产。
2）方案选定
最后综合各方面的要求以及所有的条件，选择芯片处理与LED输出型方案。
（图一方案）
3.3系统各部分的设计
1）传感器的设计
传感器及弹性元件，弹性元件就是弹性体。
弹性体是一个有特殊形状的结构件。
它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变早电信号的转换任务。
称重测量采用目前常用并且比较成熟的方法来实现称重，弹性元件选用双孔梁式如图所示4片电阻应变片中1，2，3，4粘贴在双孔梁的应变区在称重时双孔梁在由被称物体产生的压力P和系统底盘对双孔梁的支持力N的作用下产生平行四边形形变由这4片应变片接成的全桥电桥在电压的激励下随重量不同而输出不同的电压信号。
设有一双孔长方体悬臂梁。
贴应变片处均承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。
主应力方向一为拉神，一为压缩，因此把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。
下面便为贴应变片中心点的应变表达式，次为文献上所寻，此处不做推导。
ε=（3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/（B（H3-h3）+bh3）
其中：
Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：
μ—泊松系数；B、b、H、h—为梁的几何尺寸。
需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。
之所以弹性元件选用带有秤盘的双孔梁式秤有以下基本特点
（1）同样载荷情况下梁的应变量和电桥的输出电压是个常量且与载荷在秤盘的位置无关,它的最大特点就是具有抗偏载的力学特性。
也就是说，弹性体的应变
（2）梁的应变量和电桥的输出电压与载荷成正比。
至于弹性元件的具体尺寸见下图五.虽然载荷在秤盘的位置和称重结果关系不大但秤盘的重量和面积都要根据称重传感器的性能和使用要求严格去选择并且需要对称重传感器进行四角偏载误差锉修调整以保证系统的准确度
2）传感器的选择
电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好。
因此由成本及此次应用环条件境可以选择电阻应变式传感器，电阻应变式传感器主要利用金属电阻应变效应或半导体材料的压阻效应制成灵敏原件，是测量微小变化的理想传感器。
电阻应变式传感器具有较悠久的历史，基于新材料和新工艺的发展，新型应变式传感器不断出现。
因为电阻式应变片具有体积小、质量轻、结构简单、灵敏度高、性能稳定、适于动态和静态测量的特点。
总之电阻应变式传感价格适中、精度高、使用广泛，不过基于此设计量程小应变力小的特点，要求灵敏度尽量的高，因此选用半导体压阻式传感器。
实际选用平行梁传感器（TJH-2A）。
称重传感器的准确度等级包括传感器的非线性、蠕变、重复性、滞后、灵敏度等技术指标。
在选用的时候不应该盲目追求高等级的传感器，应该考虑电子衡的准确度等级和成本。
一般情况下，选用传感器的总精度为非线性、不重复性和滞后三项指标的之和的均方根值略高于秤的精度。
至于传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数而定。
一般来说秤体有几个支撑点就选用几只传感器。
传感器的量程选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体自重、可产生的最大偏载及动载因素综合评价来决定。
一般来讲，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。
但是在实际的使用当中，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。
下面给出一个经过大量实验验证的经验公式。
公式如下：
C=K0×K1×K2×K3（Wmax+W）／N
式中C——单个传感器的额定量程
W——秤体自重
Wmax——被称物体净重的最大值
N——秤体所采用支撑点的数量
K0——保险系数，一般取1.2～1.3之间
K1——冲击系数
K2——秤体的重心偏移系数
K3——风压系数
3）测试电路设计
鉴于压阻式传感器选了四个，则选用全桥电路，本系统电源可以输入来自各种直流电源输出的直流电压也可以电用池输出的直流电压，为了简便对于电桥应用四节电池大概输入+5V和-5V电压。
放大器应用比较好掌握的两个反响比例放大器进行200倍放大。
然后用AD转换器进行转换，最后输入MC4511译码器和MC1413达林管阵列进行数据出理并且用LED显示器进行输出。
这样可以避免比较复杂的电路设计。
因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以此处传感器均采用全桥式等臂电桥。
放大电路主要完成对称重传感器送来的信号放大后通过ADC得到用于各芯片处理的数据。
图六电路图设计
4）主要芯片介绍
（1）MC4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，引脚排列如图2所示。
其中abcd为BCD码输入，a为最低位。
LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。
BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。
另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。
LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。
a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。
另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观图3是CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。
所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地。
限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。
（2）MCl4433芯片介绍
MCl4433具有以下特点：
.3
位双积分型A/D转换器;
.外部基准电压输入=200mV或2V;
.自动调零;
.量程有199.9mV或1.999V两种（由外部基准电压VREF决定）;
.转换速度为（1～10）次/s,速度较慢。
MCl4433为DIP24封装,芯片引脚排列如图七所示,引脚的功能及含义如下：
（a）与电源相关的引脚（共6脚）
.VDD：
正电源端,典型值+5V。
.VEE：
模拟负电源端,典型值—5V。
.VSS：
数字地（所有数字信号输入输出的零电位）。
.GND：
模拟地（所有模拟信号的零电位）。
。
Vx：
被测电压输入端。
.VREF：
外接电压基准（2V或200mV）输入端。
（b）与外接电阻、电容相关的引脚（共7脚）
.R1：
外接积分电阻输入。
.C1：
外接积分电容输入。
图七MC14433芯片引脚
.R1/C1：
外接电阻R1和外接电容C1的公共端,电容C1常采用聚丙烯电容,典型值0.1uF,电阻R1有两种选择：
一是量程为200mV时,R1=470kΩ;另一是量程为2V时,R1=27kΩ。
.C01、C02：
外接失调补偿电容端,典型值为0.1uF。
.CLK0、CLKl：
时钟振荡器外接电阻Rc接入端,外接电阻Rc典型值为470kΩ,时钟频率随Rc电阻阻值的增加而下降。
（c）与控制信号相关的引脚（共3脚）
.DU：
更新转换控制信号输入,高电平有效。
.EOC：
转换结束输出,当DU有效后,EOC变低,16400个时钟脉冲（CLK）周期后产生一个0.5倍时钟周期宽度的正脉冲,表示转换结束。
典型的,EOC与DU相连,每次A/D转换结束后均自动启动新的转换。
.OR：
过量程状态输出,低电平有效。
当|Vx|>VREF时,OR有效（输出低电平）。
（d）与选通和数据相关的引脚（共8脚）
.DS4～DS1：
分别表示个、十、百、千位的选通脉冲输出,格式为18个时钟周期宽度的正脉冲。
例如,当DS2有效期间,Q0～Q3上输出的BCD码表示转换的百位的数值。
·Q0～Q3：
某位BCD码数字量输出。
具体是哪位,由选通脉冲DS4DSl指定,其中Q3为高位,Q0为低位。
MCl4433选通时序如图八所示。
EOC输出1/2个CLK周期正脉冲表示转换结束,依次DSl、DS2、DS3、DS4有效。
当DSl有效期间从Q3～Q0端读出的数据是千位数,DS2有效期间读出的为百位数,依次类推,周而复始。
当DSl有效时,Q3～Q0上输出的数据为千位数,由于千位只能是0或1,故DSl有效期间,Q3～Q0输出的数据被赋予了新的含义：
Q3表示千位。
Q3=0,表示千位为1;Q3=1,表示千位为0。
Q2表示极性。
Q2=0,表示极性为负;Q2=1,表示极性为正。
Q0表示超量程。
Q0=1,表示超量程;Q0=0,表示未超量程。
Q0=1时,进一步确定是由过量程还是欠量程引起的超量程,由Q3（千位数据）来确定。
当Q3=0,表示千位为1,是由过量程引起的;当Q3=1,表示千位为0,是由欠量程引起的。
MCl4433千位选通含义如表1所示。
表1MC14433千位选通含义
BCD输出
DS1有效时千位的含义
Q3
Q2
Q1
Q0
极性
千位
量程
1
1
1
0
＋
0
－
1
0
1
0
－
0
－
1
1
1
1
＋
0
欠量程
1
0
1
1
－
0
欠量程
0
1
0
0
＋
1
－
0
0
0
0
－
1
－
0
1
1
1
＋
1
过量程
0
0
1
1
－
1
过量程
图八MCl4433选通时序
（3）INA128放大器
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。
图九
图九放大器
5）方案分析
（1）静态特性分析
线性度分析
高精度的称重传感器合理的电路配合良好的机械结构设计可以使称重系统数据输出达到很好线性度，很高的精度，但是高精度和测量结果的有效性是以称重系统工作于水平面为前提的所有技术指标也是针对于这个前提。
绝大部分称重系统都要求工作在水平面，称重传感器和系统机械结构也都依此设计。
若称重系统没有工作在水平面，设工作平面与水平面存在一夹角θ，如下图
图十秤盘与被称物作用力图
秤盘与其中的被称物体也随之与水平面存在夹角θ从力学角度分析物体所受重力G分解为垂直于工作平面的对称重传感器的压力P和平行于工作平面的力F,P和F均小于G。
压力P垂直作用于称重传感器是称重传感器设计受力的方向在允许的范围内由此方向施力于称重传感器，电桥输出具有良好的线性，力F平行于称重传感器根据系统倾斜方向的不同会使称重传感器发生整体拉伸、压缩或扭曲变形，这将影响电桥的输出，而且并非线性，会导致测量误差但是力F的方向并非称重传感器设计受力方向，由于称重传感器结构的原因在这个方向受力发生变形的敏感程度远低于垂直方向，尤其是当倾斜角度θ和重力G都很小时G在力F方向的分量sinθG更是微乎其微，可以忽略。
虽然此次未亲自用实验测数据，但是应用已有数据可得：
非线性Nonlinearity%FS<0.015（见附表）
迟滞
Hysteresis%FS<0.05（见附表）
重复性
Repeatability%FS<0.05（见附表）
灵敏度
电子称的重要参数是灵敏系数K。
在此重点分析！
设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。
当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：
R=ρL/SΩ（2—1）
当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。
设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。
此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。
对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。
我们有：
ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2（2—2）
用式（2--1）去除式（2--2）得到
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S（2—3）
另外，我们知道导线的横截面积S=πr2，则Δs=2πr*Δr，所以
ΔS/S=2Δr/r（2—4）
从材料力学我们知道
Δr/r=-μΔL/L（2—5）
其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。
μ是表示材料横向效应泊松系数。
把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L=（1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L=K*ΔL/L
其中 K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（2--7）
式（2--6）说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。
需要说明的是：
灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。
在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便
常常把它的百万分之一作为单位，记作με。
这样，式（２--６）常写作：
ΔR/R=Kε（2—8） 由图五双孔梁切面标尺图所给的数据代入上式得
灵敏度Sensitivity2.0mV／V
（2）动态特性分析
此处应用在电子称上的传该器重点为静态分析，动态在此不再讨论，不过保证压阻式压力传感器优良动态特性主要的是设计有高的固有频率的敏感元件。
为减小运动质量和避免加速度效应,一般采用周边固支的圆平膜片或方平膜片作为弹性敏感膜。
3.4调试方法和实验分析
1、调试方法
分模块调节。
主要分为两个模块：
A/D转换及显示部分、三运放高共模抑制比部分与调零部分。
①A/D转换及显示部分：
通过改变滑动变阻器20KΩ电阻值，改变TC14433的2引脚的VREF电压值，从而使得A/D至显示部分正常，即从INA128的6引脚OUTPUT直接输入电压，使得四位一体数码管显示即为其输入电压值。
例如，在INA128的6引脚OUTPUT输入0.38V，调节滑动变阻器20KΩ电阻值使得数码管显示0380。
用到器材：
测控电路直流稳压电源模块、万用表、导线若干。
②三运放高共模抑制比部分：
通过改变滑动变阻器Rg（500Ω）电阻值，使得每向电子秤添加一个20g的砝码，显示的数值对应增加或减小20。
这部分运用的基本原理是放大倍数X等于1+（R1+R2）/Rg,其中INA128内部R1、R2均为25KΩ。
又实验测得每增加一个砝码，电桥两端的输出端对应发生电压变化0.1mv。
其需要放大倍数为
1+（R1+R2）/Rg=X，
X=20/0.1,
50k/Rg=200-1，
故Rg=251.2
这是的滑动变阻器500Ω电阻绝对能保证的范围，调节过程中很容易实现。
③调零部分：
电桥在无任何载重情况下，往往也有mv级的输出，这样我们得通过调零电路进行校正。
调零电路如下：
图十
升级会员 