手提电子秤电路设计.docx
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手提电子秤电路设计
手提电子秤电路设计
摘要：
手提电子秤具有称重精确度高，简单实用，携带方便成成本低，制作简单，测量准确，分辨率高，不易损坏和价格便宜等优点,是家庭购物使用的首选。
其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，显示电路。
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，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。
而差动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。
关键词：
电子秤测量显示
目录
1绪论错误！
未定义书签。
2系统总工作电路3
3单元电路的具体设计4
3.1测量电路4
3.2差动放大电路：
9
3.3A/D转换10
3.4显示电路设计13
4系统所需元件列表:
错误！
未定义书签。
5心得错误！
未定义书签。
参考文献……………………………………………………………18
附录…………………………………………………………………19
1绪论
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。
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。
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。
手提电子秤工作的大致流程可归结为如下四点。
首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号。
其次，由差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送A/D转换电路中。
然后再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路。
最后由显示电路显示数据。
具体框架如下：
2系统总工作电路
根据设计要求，选用电阻应变式传感器,它是以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。
电阻应变式称重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。
由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。
手提电子秤系统电路由四大部分组成：
电阻应变式传感器、差动放大电路、A/D转换电路和显示电路。
系统总工作框图2.1：
图2.1
3单元电路的具体设计
3.1测量电路
电阻应变片可直接粘贴在被测量的受力构件上，测量应力、应变。
然而要测量其他被测量（如力、压力、加速度等），就要先将这些被测量转换成应变，然后再用应变片进行测量，比直接测量多了一个转换过程，完成这种转换的原件弹性敏感原件。
由弹性敏感元件和应变片，以及一些附件（补偿元件，壳体等）便组成各种电阻应变式传感器。
3.1.1电阻应变式传感器的组成以及原理：
电阻应变式传感器简称电阻应变计。
电阻应变式称重传感器是基于这样个中一个原理：
弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片（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），而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。
通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得重力、变形、扭矩等机械参数。
电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。
它的一个重要参数是灵敏系数K。
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/S（Ω）……
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
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/
……
用式
去除式
得到：
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S……
另外，我们知道导线的横截面积
S=π
，则Δs=2πr*Δr，所以ΔS/S=2Δr/r…….
从力学知识我们知道：
Δr/r=-μΔL/L…….
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
代入
，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）…..
式
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。
在力学中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
常写作：
ΔR/R=Kε…….
3.1.2电阻应变式传感器的测量电路：
图3.1.1
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常用的是桥式测量电路。
桥式测量电路有四个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压E，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，否则就有电压输出，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。
测量电桥如图3.1.1。
它由箔式电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1、R2、R3、R4为特性相同的应变片,且有R1=R2=R3=R4=R，测量电桥的电源由稳压电源E供给。
物体的重量不同，电桥不平衡程度不同，指针式电表指示的数值也不同。
滑动式线性可变电阻器RP1作为物体重量弹性应变的传感器，组成调零电路，当载荷为0时，调节RP1使数码显示屏显示零。
其输出电压为：
U
=
（ΔR
/R-ΔR
/R-ΔR
/R+ΔR
/R）
ΔR
=ΔR
=ΔR，ΔR
=ΔR
=-ΔR
则有U
=
*4*ΔR/R=Ekε
3.2差动放大电路：
图3.2.1
差动放大电路是由比较器A1、A2组成的，其工作原理：
在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，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。
仪表仪器放大器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器LM358，广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。
本设计中差动放大电路结构图如图3.2.1：
推导过程：
I=（V
-V
）/R
V
=（R81+R7+R82）I
=（1+
）I
则有A
=1+
=13
3.3A/D转换
A/D转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。
在选择A/D转换时，先要确定A/D转换的位数，该设计运用的是双积分式A/D转换器ICL7106，A/D转换误的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关，系统精度涉及的环节很多，包括传感器的变换精度，信号预处理电路精度A/D转换器以及输出电路等。
3.3.1ICL7106双积分型的A／D转换器的特点：
a.直接输出7段译码信号
b.7106直接驱动LED
c.
位十进制A/D转换器
d.双积分型电路
3.3.2双积分A/D转换器结构与原理：
ICL7106的性能特点：
＋7V～＋15V单电源供电，可选9V叠层电池，有助于实现仪表的小型化。
低功耗（约16mW），一节9V叠层电池能连续工作200小时或间断使用半年左右。
输入阻抗高（1010Ω）。
内设时钟电路、＋2.8V基准电压源、异或门输出电路，能直接驱动3½位LCD显示器。
属于双积分式A/D转换器，A/D转换准确度达±0.05％，转换速率通常选2次／秒～5次／秒。
具有自动调零、自动判定极性等功能。
通过对芯片的功能检查，可迅速判定其质量好坏。
外围电路简单，仅需配5只电阻、5只电容和LCD显示器，即可构成一块DVM。
其抗干扰能力强，可靠性高。
ICL7106的工作原理：
ICL7106内部包括模拟电路和数字电路两大部分，二者是互相联系的。
一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果。
模拟电路：
模拟电路由双积分式A/D转换器构成。
主要包括2.8V基准电压源（E0）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等组成。
缓冲器A4专门用来提高COM端带负载的能力，可谓设计数字多用表的电阻挡、二极管挡和hFE挡提供便利条件。
这种转换器具有转换准确度高、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点，适合做低速模／数转换。
每个转换周期分三个阶段进行：
自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积分（DE），并按照AZ→INT→DE→AZ…的顺序进行循环。
令计数脉冲的周期为TCP，每个测量周期共需4000TCP。
其中，正向积分时间固定不变，T1＝1000TCP。
仪表显示值
N=
*
将T1＝1000TCP，UREF＝100.0mV代入上式得
N＝10UIN或UIN＝0.1N
只要把小数点定在十位上，即可直读结果。
满量程时N＝2000，此时UM＝2UREF＝200mV，仪表显示超量程符号“1”。
若需改装成2V量程的数字电压表，可按表3.3.1选择元件值。
名 称
量程UM
基准电压UREF
R2/kΩ
C4/μF
R4/kΩ
备 注
基本表
200mV
＋100.0mV
24
0.47
56
f0＝40kHz
改装表
2V
＋1.000V
1.5
0.047
560
表3.3.1
3.4显示电路设计
欲测量2V以上的直流电压，必须利用精密电阻分压器对UIN进行衰减。
积分电阻应采用金属膜电阻，积分电容宜选绝缘性好、介质吸收小的聚苯乙烯电容或聚丙烯电容。
数字电路：
数字电路主要包括8个单元：
①时钟振荡器；②分频器；③计数器；④锁存器；⑤译码器；⑥异或门相位驱动器；⑦控制逻辑；⑧LCD显示器。
时钟振荡器由ICL7106内部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C组成。
若取R＝120kΩ，C＝100PF，则f0＝40kHz。
f0经过4分频后得到计数频率fCP＝10kHz，即TCP＝0.1ms。
此时测量周期T＝16000T0＝4000TCP＝0.4s，测量速率为2.5次／秒。
f0还经过800分频，得到50Hz方波电压，接LCD的背电极BP。
LCD须采用交流驱动方式，当笔段电极a～g与背电极BP呈等电位时不显示，当二者存在一定的相位差时，液晶才显示。
因此，可将两个频率与幅度相同而相位相反的方波电压，分别加至某个笔段引出端与BP端之间，利用二者电位差来驱动该笔段显示。
驱动电路采用异或门。
其特点是当两个输入端的状态相异时（一个为高电平，另一个为低电平），输出为高电平；反之输出低电平。
7段LCD驱动电路如图所示。
图中，加在a、b、c笔段上的方波电压与BP端方波电压的相位相反，存在电位差，使这三段显示。
而d、e、f、g段消隐，故可显示数字“7”。
显见，只要在异或门输入端加控制信号（即译码器输出的高、低电平），用以改变驱动器输出方波的相位，就能显示所需数字。
用7106与数码管组成的3位半直流数字电压表，电路图如图3.4.1所示。
ICL7106与数码显示器被设计成一个量程为200mV的电压表。
把差动放大器输出的电压信号转换成数字信号。
便携式电子手提秤的量程为2kg~5kg，称重传感器在5kg时的输出约为200mV。
图3.4.1
5心得
目前，电子秤正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。
ICL7106采用较小的封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少，满足了电子秤小型化的需求；其内置各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过SPI接口方便地控制和读取这些寄存器，满足了电子秤智能化的需求。
因此ICL7106是电子秤中模数转换器的想选择。
在电子技术的课程设计中，我花了大量的时间和精力进行资料查阅和方案论证，结合自己所学，认真解决每一个功能模块中遇到的问题．有时，为了解决一个具体问题，竟到了绞尽脑汁的地步．
在设计完各个功能模块之后，我用Protel99SE绘图软件进行了各个模块的绘制，并最终绘制成一个总的电路原理图，收到了很好的效果。
但由于缺乏实践经验，电路中还有些功能不够完善，参数不够精确，而且抗干扰能力也不够好。
总之，在这次课程实际中，我学会了怎样把自己所学的书本知识应用到实处。
通过具体的操作，我掌握了各个功能模块的接口设计方法，无论是在设计思想还是在动手能力上都有了很大的提高。
从这次的课程设计中，我真正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，课程设计更是如此，只有经常的动手，理论与实际结合的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。
参考文献
1：
常健生主编检测与转换技术机械工业出版社1997
2：
陈尔绍编著传感器使用装置人民邮电出版社1999
3:
丁镇生编著传感器及传感器技术电子工业出版设
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