便携式电子称的设计实现—毕业设计论文.doc

一、引言便携式电子秤具有简单实用，测量准确和价格便宜等优点，适合家庭购物使用。其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，LED显示电路（如图1所示）。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，再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。二、课题任务与要求1.设计题目：便携式电子秤的设计实现2.任务与要求：1）设计一个LED数码显示的便携式电子称。2）采用电阻应变式传感器。3）称重范围02kg。4）测量精度：不低于20g。三、系统概述1.设计方案：1）基于单片机的便携式电子称。.系统框图 图1. 系统设计思路系统由5个部分组成：控制器部分、测量部分、数据显示部分、键盘部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图1所示。测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送单片机中的A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出，控制器接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数宁信号转换为物体的实际重量信号，并将其送到显示单元中。优、缺点分析：a. 优点：这是一种基于STC12C5A60S2单片机的数字电子秤的设计，充分发挥了STC单片机的强大的控制能力，通过称重传感器和16位的AD7705转换器实现了对重量的高精度测量，具有成本低、稳定性强、电路简单等特点。系统在电子秤的实际应用中得到了满意的效果。b. 缺点：系统的组成模块相对较多,在进行系统调试时可能会出现较多问题，也提高了系统的成本,不适合仅仅只在日常生活中使用。）设计方案二。.系统框图： 图2. 系统设计思路压力传感器实现压电转换，将压力转换为电信号。经过高精度差动放大器放大后。输入给模数转换器，转化为数字信号，由该数字信号控制编码器的编码，从而控制数码管显示。优、缺点分析：a. 优点：每个模块的功能单一，且没有复杂的编程问题。在整个系统进行调试时，可以比较方便的对每个模块进行测试，能够迅速找到出现问题的模块。比较容易制作。b. 缺点：使用的芯片较多，信号的噪声较大，且数码管与编码器的电路比较繁杂，在实际焊接中容易出现问题。3）设计方案三.系统框图： 图3. 系统设计思路：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。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。优、缺点分析：a. 优点：系统由纯硬件电路实现，没有复杂的编程问题。每个模块的功能单一，在调试环节便于对每个模块进行测试，能够迅速找到出现问题的模块，制作工艺较简单。b. 缺点：功能单一，仅能在日常生活中使用，缺少功能扩展性。2.方案比较 在介绍每个方案时已经对每个方案的优劣进行了阐述。以下再对每种方案的突出特点进行比较。优点缺点方案一扩展能力强可用于其他领域成本高、制作困难方案二易于检查模块较多，电路复杂功能单一方案三易于检查模块最少，电路简单功能单一 表13.方案设定：鉴于本实验仅要求实现一个普通功能的便携式电子秤，不要求有其它扩展功能。而方案一制作流程过于复杂，难以调试，且成本较高。所以不采用方案一。对于方案二，它的制作过程与方案三相比较为复杂。且功能模块也较多，没有方案三易于调试，成本也相对较高。所以这次实验采用方案三为最终的设计方案。四、单元电路设计与分析1.测量电路：电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化 , 再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。在这里，我们用电阻应变式传感器作为测量电路的核心。并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度。（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。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，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 （2）电阻应变式传感器的测量电路： 电阻应变片的电阻变化范围为0.00050.1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做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：图4它由箔式电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，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，组成零调整电路，当载荷为0时，调节RP1使数码显示屏显示零。由于考虑到电源的输出噪声，为了提高系统高稳定性，可选用REF5010芯片提供一个稳定的基准电压。2差动放大电路：本次设计中，要求用一个放大电路，即差动放大电路，主要的元件就是差动放大器。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，我们这里使用一种用途非常广泛的放大器，就是典型的差动放大器INA126AP。它只需高精度和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。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下： 图5放大倍数的推导过程：I=Vo=(R8+R7+R8)I=(1+)Vi，则Avf=1+放大电路与ICL7107的连线示意图如下：RP3A1A2R8=30KR8=30KR7=5.1 K5VIN-IN+Vref+Vref-COMRp21MV+ 图6放大器INA114AP原理框图如下： 图73A/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ICL7107，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。本次实验采用ICL7107芯片实现A/D转换功能。ICL7107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02kg，称重传感器在2kg时的输出约为200mV。 图84LED显示电路： 本设计中LED显示电路采用4个1位的共阳数码管，型号：LG5011BSR。数码管资料如下图。 图9 图10五、 总体电路原理图（见附录1）六、 系统调试1. 检查电路，观察电路中是否出现焊点虚焊，粘连等现象，各条线路中是否存在断路，短路等情况。2. 接通电源，用万用表测芯片座上相应管脚的电压，看是否符合要求；如果符合要求，再断电插入芯片。3. 在J5处加上跳线帽，连通电路，如果数码管显示1000（或其它在误差允许范围之内的数据），证明芯片7107工作正常。4. 用万用表测芯片7107管脚36的电压，同时调节滑动变阻器R4，使电压表显示读数100mV。5. 将J5处的跳帽移至J3处，调节Rw和R1，使数码管在传感器无形变的情况下显示为0。6. 用万用表测J3处电压，同时往下按压力传感器，观察数码管读数变化是否正确，且与万用表读数一致。七、 系统测试1. 测试方法（1）将调试用的传感器取下，接入测试用传感器。（2）调节Rw，使数码管在压力传感器上无砝码的情况下显示为0。（3）在砝码盘上加上一个砝码（重400g），调节数码管R1，使数码管显示读数为400。（4）在砝码盘上再加上一个砝码（共重800g）,观察数码管显示读数是否为800（或其它误差允许范围内的数据780820g）。若不是则说明电路需要重新调试。 (5) 在砝码盘上继续加上一个砝码（共重1200g）, 观察数码管显示读数是否为1200（或其它误差允许范围内的数据11801220g）。若是则说明测试成功。2. 测试数据待添加的隐藏文字内容2砝码重量/g4008001200数码管读数4028001202误差0.50%0.00%0.17%3. 误差分析（1） 芯片本身存在误差。例如进行调试步骤3时，数码管显示的是988，而不是1000。（2） 调试仪器精度误差。例如在进行调试步骤4时，管脚36上的电压可能与100mV存在微小误差。（3） 压力传感器上的电阻形变有一定时延，从而导致输出数据不稳定，造成误差。八、实验总结通过这次实验，我深入了解并掌握了便携式电子称的原理和制作过程，还增强了实践动手能力，增加了电子产品设计与制作的经验，可谓受益匪浅。同时我也认识到自己在许多方面的不足，例如排查并解决调试过程中出现问题的能力仍需加强，相关理论知识掌握不透彻及相关专业软件使用不熟练等。最后感谢老师的悉心指导。老师辛苦了！谢谢老师！附录2元器件清单表 元件/集成块型号功能说明ICL7107ICL7107双积分A/D转换转换模-数信号R1、R2、R3、R4（2kg称重传感器可代）E350ZAA箔式电阻应变片传感器RP1，RP2, RP310K，5K，1K电位器电源+5V、-5V直流电源电阻各阻值共10块24k47k100k1k10k1M150精密金属膜电阻电容各容量共13块0.1u,0.47u0.22u110p0.02u0.01积分电路中不能用瓷片电容差动放大器INA114AP数码管LG5011BSR