手提数字显示电子秤设计总体方案设计.doc

手提数字显示电子秤总体设计.doc 手提数字显示电子秤设计 1 总体方案设计 手提电子称实现的原理就是利用电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，拟信号的方式传送到 A/D 转换器。其次，由 A/D 转换电路把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。 电阻应变式传感器是实现测试与自动控制的重要环节，也是智能仪器和仪表的重要组成部分。在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。 下图是电子称系统总体框图 感应器 放大滤波器电路 A/D 转换电路 按 键 CPU 介面电路 显示器 重 力 2 硬件部分设计 2 ( 1 电阻应变式称重传感器 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。 2 ( 1 ( 1 电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机制成的基底上，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 ) ( 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 ) 从力学知识我们知道: 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 ( 2--6 ) 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) 2 ( 1 ( 2 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棗电信号的转换任务。 以托利多公司的 SB 系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。 设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。 肓孔底部中心是承受纯剪应力，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，若把应变片贴在这里，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。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。 ε = ( 3Q ( 1+ μ) /2Eb ) * ( B ( H2-h2 ) +bh2 ) / ( B ( H3-h3 ) +bh3 ) ( 2--9 ) 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。 2 ( 1 ( 3 测量电路 测量电路把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。测量电路 由全桥电路为检测电路。 应变片全桥是指四个桥臂都接有应变片，如图2,1所示，此时相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂所接的应变片承受相同应变，即 R 1=R2=R3=R4=R 、 Δ R 1= Δ R3 = Δ R 、 Δ R 2= Δ R 4=- Δ R 当有拉力时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，拟信号的方式传送到 A/D 转换器。 在非电检测中，由机械应变所引起的电阻值变化量很小，难以直接用测阻表作精电桥投入测量之前，应将电桥调平衡，以消除电桥因不平衡而产生的零漂。调零方法是在电桥输出端 A 和 C 之间接一检流计，调桥臂电阻使检流计指示为0，即电桥输出电流 I O=0，输出电压 UO =0，电桥达到平衡状态。由上式可知，电桥的平衡条件为 R 1R3= R2R4。 图 2 ( 1 应变片 全桥测量电路 2 ( 2 差动电压放大电路 传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。 传感器输出的模拟信号比较微弱，通过一个模拟放大器对其进行放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，因此选用由三运放构成的具有高输入阻抗，高共模抑制比的差动放大器。 输出信号直接送到A/D转换器进行A/D转换。该电路中有: 当时，可以获得最佳共模抑制比。 图 2 ( 2 差分放大电路 2 ( 3 A /D 转换电路 A/D 转换器在设计中采用的 7106 是一个双积分型的 A , D 转换器。该转换器精度高，它带有输出译码器，可直接驱动液晶显示器。 7106 与液晶显示 器被设计成一个量程为 5mV 的电压表。便携式电子手提秤的量程为 5kg ，称重传感器在 5kg 时的输出约为 5mV 。 ICL7106 是集三位半 A/D 转换器、段驱动器、位驱动器于一身的大规模专用集成电路( ICL7106 管脚排列如图 2 ( 3 所示。具有以下主要性能特点: 能够直接驱动共阳极 LED 数码管 , 不需另加驱动电路和限流电阻; ? ? 采用 ?5 V 双电源供电; 图 2 ( 3 ICL7106 的引脚图 ? 功耗小于 15Mw, 最大静态电流为 1. 8mA ; ? 段驱动电流的典型值为 8mA ，最小位为 5mA ; ? 显示器可采用 7 段共阳数码管，也可选用四位组合式共阳 LED 显示器。 2 ( 4 ICL7106A/D 转换器 图 ICL7106 内部包括棍拟电路 ( 即双积分式, /D 转换器 ) 和数字电路 2 大部分。 ICL7106 的 A/D 转换器如图 2 ( 4 所示。它的每个测量周期分成自动调零、正向积分、反相积分 3 个阶段。自动调零主要是用失调电压对自动凋零电容 充电，用来补偿缓冲器、积分器、比较器的失调电压，并用基准电压 向基准电容 充电，使之电压被充到 ，为反向积分作准备。正向积分是把被测电压 经缓冲器和积分电阻送至积分器。积分器使固定时间 T1 内，对 进行定时积分，而反向积分则是将 已充好的基准电压按照相反的极性来代替 ，进行反向积分、经过时间 T2 ，积分器的输出又回零，积分电路参数由下式决定: 式中， ——为积分器不进入非线性区最大输出， = — 1.5V ( 为电源电压， 1.5V 为考虑模拟地电位、饱和压降等所留的余量); 一一最大允许输入信号，由测量范围决定; T1 ——为正向固定积分时间， T1=1000 ，其中 为计数脉冲的周期; 而满量程电压 与基准电压 的关系: =2 因为最大输入电压为 1.5V ，所以选 =1.000 V ，则满量程电压 , 2V ， 由基准电源 MCI403 产生的 2.5V 经过多圈电位器分压获得。 ICL7106 的数字电路如图 2 ( 5 所示，它是由时钟振荡器、分频器、计数器、锁存器、译码器、相位驱动器、控制逻辑组成 时钟振荡器由 ICL7106 内部反相器 F1 、 F 2 ，以及外部阻容元件 R 、 C 组成，属于两级反相式阻容振荡器，可输出占空比 D ?50% 的方波。振荡频率与振荡周期的估算公式分别为: ， ?2.2RC ? 因完成一次 A , D 转换需 16000 ，故采样周期 ，所对应的采样速率为 SR= /16000 图 2 ( 5 ICL7106 数字电路 在整个电子称系统中， 电阻应变式称重传感器是影响电子秤测量精度的关键部件。四片电阻应变片构成全桥桥路，在所加桥压 U 不变的情况下，传感器输出信号与作用在传感器上的重力和供桥桥压成正比，而且，供桥桥压 U 的变化直接影响电子称的测量精度，所以要求桥压很稳定。毫伏级的传感器输出经差分放大电路后，变成了较大的电压信号输出，送入 V/F 变换器进行 A/D 转换，最后控制实现重量的数码显示输出。 3 系统电路图 手提电子称电路图 系统说明: ICL7106 需 +5V 和 -5V 两组电源供电。由于采用 LED 方式显示，耗电较大，因此直流电源主要是通过变压器降压、整流滤波、稳压后获得。为了应急，应考虑电池供电。 基准电压应采用精密基准电源。分压电路小的电位器与电阻应有相同的温度 系数。电位器应尽量选用多圈电位器或微调可变电位器;电阻血选温度系数小的金属膜电阻;电容应选漏电小、损耗低、容量高、稳定性好、绝缘电阻高、介质吸收效应小的金属化聚丙烯电容。 为便于调换集成电路，应使用 40 脚插座。 LED 显示应选用共阳极。 4 与体会 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理想选择。 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 Protel 99 SE 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。