电子配料秤

电子配料秤 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电子配料秤 长安大学电子技术课程设计报告 电子技术课程设计 课题名称 电子配料称 班 指导教师 日 ___ 1 长安大学电子技术课程设计报告 前 言 电子技术是目前发展最快的技术领域之一，而电子技术课程设计可以使我们更好的掌握理论基础的基本原理，并运用于实践。 针对设计的要求和目的，查阅大量，对各单元电路提出了不同方案并进行比较，最终选择最佳方案。该设计论文共分四章。第一章对系统进行了概述， 第二章设计比对各单元电路，第三章系统综述，并给出完整的总体电路图，第四章对电子设计进行了总体评价;最后附明元器件明细和附图、参考文献等。 共同编写，我在本报告中负责转换与显示部分,由于缺少实践，并且知识、能力有限，所以本次设计中存在错误和缺点，望老师多加指导，批评指正。 编 者 2011年6月 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2 长安大学电子技术课程设计报告 目 录 摘要?????????????????????????????(4) 2.第二章 单元电路设计与分析 ??????????????(6) 2.1传感器??????????????????????????(6) 2.2三运放大电路???????????????????????(6) 2.3比较器??????????????????????????(9) 2.4 继电器??????????????????????????(10) 2.6 AD转换与显示???????????????????????(11) 3.第三章 系统概述总体电路 ????????????????(18) 4.第四章 结束语???????????????????????(19) 5.附录 ????????????????????????????(21) 6.参考文献??????????????????????????(21) 7.鸣谢????????????????????????????(21) 8.元器件明细表???????????????????????(22) 9.收获、体会与存在的问题?????????????????(23) 10.评价????????????????????????????(25) 3 长安大学电子技术课程设计报告 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,,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,,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 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,。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 第一章 系统综述 4 长安大学电子技术课程设计报告 1.2 原理框图 系统框图如图1.1所示: 1.3模块划分 邮电路工作原理图可知，本系统可划分为五个模块: (1)传感与放大; (2)比较与控制; (3)转换与显示. 第二章 单元电路设计 2.1 传感器 5 长安大学电子技术课程设计报告 传感器框架图如图2.1所示: 图2.1传感器框架图 应变式电阻传感器的工作原理图如图2.2所示 图2.2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? 表1传感器重量和电压线性关系表 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 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 6 长安大学电子技术课程设计报告 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: Uout??R132R(1?8)UinR7R9 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 R132R(1?8)?100R9 R7 所以我们不妨取R7=R9=R11=390KΩ，R8=R10=3.63MΩ,R12=R13=2MΩ。 7 长安大学电子技术课程设计报告 图2.3三运放大电路 仿真原理图如图2.4所示 8 长安大学电子技术课程设计报告 图2.4三运放大电路仿真原理图 2.3 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: UT?U基Rf?U(zR15?R16?Rp2) R15?R16?Rp2?Rf?UT?U基Rf?U(zR15?R16?Rp2)R15?R16?Rp2?Rf 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2.5任意电压滞回比较器原理图 b、工作原理及电压传输特性 9 长安大学电子技术课程设计报告 图2.6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。 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 10 长安大学电子技术课程设计报告 它的原理图如图2.10所示 图2.7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。 2.5 AD转换与显示 ?(转换方式 V-T型间接转换ADC。 ? 电路结构 图11.11.1是这种转换器的原理电路，它由积分器(由集成运放A组成)、过零比较器(C)、时钟脉冲控制门(G)和计数器(FF0,FFn)等几部分组成。 11 长安大学电子技术课程设计报告 图2.5.1 双积分A/D转换器 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (1)积分器 积分器是转换器的核心部分，它的输入端所接开关S1由定时信号Qn控制。当Qn为不同电平时，极性相反的输入电压vI和参考电压 VREF将分别加到积分器的输入端，进行两次方向相反的积分，积分时间常数τ=RC。 (2)过零比较器 过零比较器用来确定积分器的输出电压v0过零的时刻。当v0?0时，比较器输出vC为低电平;当v0<0时，vC为高电平。比较器的输出信号接至时钟控制门(G)作为关门和开门信号。 (3)计数器和定时器 它由n+1个接成计数器的触发器FF0,FFn-1串联组成。触发器FF0,FFn-1组成n级计数器，对输入时钟脉冲CP计数，以便把与输入电压平均值成正比的时间间隔转变成数字信号输出。当计数到2n个时钟脉冲时，FF0,FFn-1均回到0态，而FFn翻转到1态，Qn=1后开关 S1从位置A转接到B。 (4)时钟脉冲控制门 时钟脉冲源标准周期Tc，作为测量时间间隔的标准时间。当vC=1时，门打 12 长安大学电子技术课程设计报告 开，时钟脉冲通过门加到触发器FF0的输入端。 3.工作原理 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 双积分ADC的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。 下面以输入正极性的直流电压vI为例，说明电路将模拟电压转换为数字量的基本原理。电路工作过程分为以下几个阶段进行，图中 各处的工作波形如图 2.5.2所示。 (1) 准备阶段 首先控制电路提供CR信号使计数器清零，同时使开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，再使S2断开。 (2) 第一次积分阶段 在转换过程开始时(t=0)，开关S1与A端接通，正的输入电压vI加到积分器的输入端。积分器从0V开始对vI积分，其波形如图11.11.2斜线O-VP段所示。 根据积分器的原理可得 (其中τ,RC) 由于vO<0，过零比较器输出为高电平，时钟控制门G被打开。于是，计数器在CP作用下从0开始计数。经2n个时钟脉冲后，触发器FF0,FFn-1 都翻转到0态，而Qn=1，开关S1由A点转接到B点，第一次积分结束，第一次积分时间为t=T1=2nTc 令VI为输入电压在T1时间间隔内的平均值， 则由式 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 可得第一次积分结束时积分器的输出电压为 Vp 13 长安大学电子技术课程设计报告 图2.5.2.2双积分A/D转换器各处工作波形 (3) 第二积分阶段 当t=t1时，S1转接到B点，具有与vI相反极性的基准电压-VREF加到积分器的输入端;积分器开始向相反方向进行第二次积分;当t=t2时，积分器输出电压v0?0，比较器输出vC=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。在此阶段结束时v0的表达式可写为 设T2=t2-t1，于是有 冲个数为λ，则 T2=λTc 设在此期间计数器所累计的时钟脉 可见，T2与V1成正比，T2就是双计分A/D转换过程中的中间变量。 上式表明，在计数器中所得的数λ(λ=Qn-1???Q1Q0),与在取样时间T1 14 长安大学电子技术课程设计报告 内输入电压的平均值VI成正比的。只要VI<VREF，转换器就能正常地将输入模拟电压转换为数字量，并能从计数器读取转换的结果。如果取VREF=2nV，则λ=VI，计数器所计的数在数值上就等于被测电压。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 由于双积分A/D转换器在时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。尤其对周期等于T1或几分之一的对称干扰(所谓对称干扰是指整个周期内平均值为零的干扰)，从理论上来说，有无穷大的抑制能力。即使当工频干扰幅度大于被测直流信号，使得输入信号正负变化时，仍有良好的抑制能力。由于在工业系统中经常碰到的是工频(50Hz)或工频的倍频干扰，故通常选定采样时间T1总是等于工频电源周期的倍数，如20ms或40ms等。另一方面，由于在转换过程中，前后两次积分所采用的同一积分器。因此，在两次积分期间(一般在几十到数百毫秒之间)，R、C和脉冲源等元器件参数的变化对转换精度的影响均可忽略。 最后必须指出，在第二积分阶段结束后，控制电路又使开关S2闭合，电容C放电，积分器回零。电路再次进入准备阶段，等待下一次转换开始。 4.特点 (1)计数脉冲个数λ与RC无关，可以减小由RC积分非线性带来的误差。 (2)对脉冲源CP要求不变，只要在T1，T2时间内稳定即可。 (3)转换精度高。 (4)转换速度慢，不适于高速应用场合。 单片集成双积分式A/D转换器有ADC-EK8B(8位，二进制码)、ADC-EK10B(10位，二进制码)、MC14433(7/2位，BCD码)等。 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3 1/2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 15 长安大学电子技术课程设计报告 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2.6 ICL7107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。 16 长安大学电子技术课程设计报告 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 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 a 、d、e、f相与当做真正的百位的CP脉冲，接到74LS290的CP0端口，Q1接,,,端口构成,,,,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 ?? 17 长安大学电子技术课程设计报告 图2.13AD转换与显示电路 第三章 系统综述、总体电路图 18 长安大学电子技术课程设计报告 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。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 第四章 结束语 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， 19 长安大学电子技术课程设计报告 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。 20 长安大学电子技术课程设计报告 五.附录 六.参考文献 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ [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 21 长安大学电子技术课程设计报告 [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 [5] 从宏寿主编? Multisim 8 仿真与应用实例开发?北京.清华大学出版社，2007 七.元器件明细表 表2 元器件明细表 22 长安大学电子技术课程设计报告 八.鸣谢 感谢学校给我们锻炼的机会，感谢老师们的指导，在组员们的努力下，和同学们的互相帮助，互相启示，最终设计出电路来，非常感谢在过程中帮助过我们的每一个人～ 在电路设计和论文写作的过程中，得到了许多同学的宝贵建议，同时还得到他们的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。 最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢～ 九.收获与体会，存在的问题等 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 俗话说“好的开始是成功的一半”。说起课程设计，我认为最重要的就是做好课程设计的预习，认真的研究老师给的题目。其次，老师对实验的讲解要一丝不苟的去听去想，因为只有都明白了，做起设计就会事半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。最后，要重视程序的模块化，修改的方便，也要注重程序的调试，掌握其方法。 当然，这其中也有很多问题，第一、不够细心比如由于粗心大意，由于对课本理论的不熟悉导致设计出现错误。第二，是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。对于这次课程实习，将来有可能是一名工程技术人员的我的第一大心得体会就是，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我们这次实习所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。还有就是要团结作为一个团体必须要懂得合作。不懂的地方就要问，问同学，问老师。 在这次难得的课程设计过程中我锻炼了自己的思考能力和动手能力。通过题目选择和设计电路的过程中，加强了我思考问题的完整性和实际生活联系的可行 23 长安大学电子技术课程设计报告 性。在方案设计选择和芯片的选择上，培养了我们综合应用各种元件的能力，对各种元件的各个管脚的功能也有了进一步的认识。还—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 锻炼我们个人的查阅技术资料的能力，动手能力，发现问题，解决问题的能力。并且我们熟练掌握了有关器件的性能及测试方法。 再次感谢老师的辅导以及同学的帮助，是他们让我有了一个更好的认识，无论是学习还是生活，生活是实在的，要踏实走路。课程设计时间虽然很短，但我学习了很多的东西，使我眼界打开，感受颇深。 24 长安大学电子技术课程设计报告 25 ——————————————————————————————————————