电子配料秤

电子配料秤 本文由骑自行车的蚊子贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 长安大学电子技术课程设计 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。 本次电子课程设计的内容是电子配料秤。 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 定量包装秤。 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量比例配 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。 针对设计的要求和目的，查阅大量资料，对各单元电路提出了不同并进 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表和附图、参考文献等。 共同编写，我在本报告中负责转换与显示部分,由于缺少实践经验，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) 1.第一章 电子配料秤的系统概述„„„„„„„„„„„„„„(5) 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 (19) 4.第四章 结束语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 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) 电子配料秤 摘要 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,,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 电子配料秤 压力传感器 差动放大电路 AD 转换 数字显示电路 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 1.1 电子配料秤设计思想 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。 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 2.1 传感器 单元电路设计 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 输 入 阻 抗 : 405?10Ω 极限过载范围: 150% ; ; 灵敏度: 2?0.1mV/V ; 输 出 阻 抗 : 350?3Ω 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 重量(Kg) 输出电压(mV) 0 0 0.1 0.004 0.2 0.008 „ „ 1.0 0.04 „ „ 500.0 20.0 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: R 2R U + = ? 13 (1 + 8 )U in 1 R7 R9 0 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 R13 2R (1 + 8 ) = 100 R7 R9 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 R f + U(R 15 + R 16 + R p2) z R 15 + R 16 + R p2 + R f ? UT = U 基 R f ? U(R 15 + R 16 + R p2) z R 15 + R 16 + R p2 + R f 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