手提电子秤

手提电子秤 【摘要】 在生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是长期以来却一直沿用杆秤，称量方式简单落后，准确性差，速度慢，随着社会的进步、科学的发展，我们要求称量应具有操作方便、易于识别的特性。随着计量技术和电子技术的发展传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子秤量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。 设计中主要考虑峰峰值(PP)噪声分辨率、ADC的动态范围、增益漂移和滤波。通过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。 关键词:电子秤 智能仪 一、总体方案设计及实现要求 便携式电子秤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。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，然后通过量程转换电路，接着送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，其性能的好坏直接决定了电子秤的精度，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。传感器的范围0~5Kg 分辨率为10g。 下图是电子秤系统总体结构框图: 物重信号 放大信号 量 程 转电 阻 应 差 动 放 换 电 路 大 器 变 片 数字信号 模拟信号 数 码 显A/D转 换 示 输 出 电 路 二、硬件部分设计 1、电阻应变式秤重传感器 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)，再经相应 1 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之一。 电阻应变片原理: 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) (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，它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。 2 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，这样，式(2—6)常写作: ΔR/R = Kε (2—8) 2、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 R1=R2=R3=R4=R 、ΔR1=ΔR3=ΔR 、ΔR2=ΔR4=-ΔR 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IO=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R1R3= R2R4。 图2(1 应变片全桥测量电路 3 3、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。桥路所输出的信号为叠加在高共模电压下的直流微弱信号，首先应保证桥路得到高稳定度的电源，桥路采用的恒流电路供电。由A1 、R5 、R6 、RI 构成恒流源电路，为桥路提供高稳定度的电源电路。R1 - R4 电阻应变片构成检测力的电桥，由于受力的作用使弹性体产生变形，而使应变片阻值发生相应变化，从而桥输出微弱的与弹性体受力成正比的信号电压。RP为调零电位器，调整桥路输出零点。A2—A5与外围元件构成差分放大器。电路分成两级，第一级由A2、A3构成，以提高放大电路输入阻抗，第二级由A4、A5构成差分放大, 要求A4 的外接电阻严格匹配，同时较低的增益可以保证电路有较小的失调电压，RW为放大器的增益调整。 图3(1 差分放大电路 4、 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电压表。称重传感器在最大重量时的输出为满量程。 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5(1图所示。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; 4 ?采用?5V双电源供电; ?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。 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，使之电压被充到基准电压时，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，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、经过一定时间，积分器的输出又回零。 图5(1 ICL7106的引脚图 在整个电子秤系统中， 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，所以要求桥压应该很稳定。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。 5 三、整体电路图 根据综上的分析，绘制出了整体电路图如下: 6 四、总结与体会 在本次的设计过程中，我花了大量的时间和精力进行资料查阅和方案论证，根据自己曾经学过的数电和模电知识，以及本学期对传感器、微机原理等课程的学习，结合智能仪器的相关知识及其设计方法，完成了对此便携式电子秤的设计。但由于缺乏实践经验，还有很多因素没有能够顾及周全，如未考虑调零电路，电路中还有些功能不够完善，而且抗干扰能力处理的还不够细致。不过在一些细节方面我也下了些功夫，例如虽然这学期我们开了微机原理，在实验课上对A/D 0809进行了操作，对其功能和特性认识比较全面，但由于A/D 0809只能转化成8位的数字量，将会导致精度明显降低，且该器件只用于教学演示，在实际工程中基本用不到，所以我专门查阅了A/D ICL7106的相关资料，完成了A/D转换的操作。在本次设计中还有一个重要的缺陷，由于本设计只局限于理论上，未牵扯到实际的商用价值，所以没有考虑该设计的成本。 但是总的来说，在这次课程设计中，我学会了怎样把自己所学的各种知识综合运用，将它们应用到实处。通过具体的过程，我掌握了各个功能模块的接口设计方法，使自己无论是在设计思想还是在知识的具体运用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。期待老师的指点～ 参考文献 1、徐科军主编 传感器与检测技术(第二版) 电子工业出版社 2、黄贤武 郑筱霞 曲波 刘文杰 传感器实际应用电路设计 电子科技大学出版社 3、张鼎 译 智能传感器设计 人民邮电出版社 7