掌上电子称(成稿)

学校代码学号 00812030 分类号密级

学年论文（设计）

学院、系电子信息工程学院电子工程系

专业名称电子信息科学与技术

年级 08级

学生姓名闫晓晓

指导教师白凤山

2010年 9 月 1 日

便携式手提电子秤设计

摘要：手提电子秤具有称重精确度高，简单实用，携带方便成本低，制作简单，测量准确，分辨率高，不易损坏和价格便宜等优点。是家庭购物使用的首选。其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，显示电路。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，进行模数转换，然后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。

关键词：称重传感器、放大电路、A\D转换电路、数码显示器

The design of Portable electronic scales Abstract

Portable electronic weighing precision is high, simple, easy to carry, low cost, simple, accurate measurement, high resolution, not damaged and cheap price, etc. Family is the preferred shopping use. Its main circuits measurement circuit, differential amplifier circuit, A/D conversion, display circuit. One of the main measurement circuit components is resistance strain sensor. Resistance strain sensor is used in most of the sensor is a widely used in electronic and various type of new structure of the measuring device. But the effect is magnified differential circuit sensor output of the weak analogue in multiples of amplifier, the A/D converter to meet the requirements of the input signal level. A/D conversion of the analog signal is transformed into digital signals, then frequency-field, digital signal transmission to display circuit, by showing that circuit measurements.

Key words

Weighing transducer, amplifying circuit, A/D circuit, digital display

目录

绪论 (6)

第1章设计思路与方案 (7)

1.1 总的设计思路 (7)

1.2 设计内容及总体方案 (7)

1.2.1 电子称设计要求 (7)

1.2.2 特色与创新 (7)

1.2.3 缺点与改进 (7)

1.2.4 工作原理 (7)

第2章各电路的具体设计 (8)

2.1 测量电路 (8)

2.1.1 电源部分 (8)

2.1.2 电阻应变式传感器的组成以及原理 (9)

2.1.3 电阻应变式传感器的测量电路 (9)

2.2 差动放大电路 (10)

2.2.1 原理 (10)

2.2.2 所用芯片 (11)

2.3 A/D转换 (11)

2.3.1 ICL7107双积分型的A／D转换器的特点 (12)

2.3.2 双积分A/D转换器结构与原理 (12)

2.3.3ICL7107芯片的内部电路结构 (12)

2.3.4 工作过程 (14)

2.3.5 电压表部分电路应用 (14)

2.3.6 注意要点 (14)

第3章组装与调试 (16)

3.1 组成 (16)

3.2调试 (16)

第4章所需元件列表 (17)

第5章系统方案总结 (18)

结语 (19)

参考文献 (21)

绪论

在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。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，电子称量装置电子秤、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。通过分析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。

第1章设计思路与方案

1.1 总的设计思路：

用电子秤称重的过程是把被测物体的重量通过传感器转换成电压信号。由于这一信号通常都很小，需要进行放大，放大后的模拟信号经模/数变换转换成数字量，再通过显示器显示出重量。由于被测物体的重量相差较大，根据不同的测量范围要求，可由电路自动切换量程，同时显示器的小数点数位对应不同量程而变化，即可实现电子秤的要求。

1.2 设计内容及总体方案

1.2.1 电子称设计要求：

1、秤重范围为5kg，重量误差不大于 0.005Kg

2、电路由测量电桥，差动放大电路，A/D转换电路，显示电路组成

1.2.2 特色与创新：

①中文液晶显示所称量的物品重量，同时还可显示物品的名称，数量，单价，金额和所有物品的总金额。

②当物品重量超过电子秤量程，即过载情况或者是物品重量小于A/D转换器所能转换的最小精度，即欠量程的时候，具有超重报警功能。

1.2.3 缺点与改进

①由于采用的是电阻应变式传感器，所以电子称的量程不会太大，精度也不高。无法做到像由单片机构成的传感器那么精确且量程大。

②传感器部分改用单片机做，但相应设计会复杂的多。

1.2.4 工作原理：

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，以模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，具体方案如下：

第2章各电路的具体设计

2.1 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。5kg称重传感器能承受的激励电压为5～10V，运放电路要求正负9V电源。

2.1.1 电源部分：稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成如图：

A、整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。

B、稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电压和温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。

电源电路图：

集成三端稳压芯片LM7805具有比较高的精确度，加上电容的滤波，对电路可以提供比较稳定的电压。图2.2中电路提供的+5V电源主要用于电桥数据采集、给A/D（TCL2543）供电、液晶显示；+9V电源用于给LM336基准源供电、信号放大电路、；-5V为OP07参考电压和用于调零电路。由于要求输出的电流最大值为2000mA，而且取样电阻为1欧所以要求TCL2543输出的电压至少为2伏，通过计算-5伏的电压足够实现上述要求。

2.1.2 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

2.1.3 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0.0005—0.1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：

称重传感器

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。这里若考虑系统高稳定性，可选用Tedea-Huntleigh(称重传感器)的5kg 拉式称重传感器。

2.2 差动放大电路：

2.2.1 原理：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，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器，就是典型的差动放大器。它只需高精度LM358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：

推导过程：I=

7

2

1R V V i i

Vo=(R8+R7+R8)I =(1+

7

82R R )Vi ，

则Avf=1+

7

82R R

放大电路与ICL7107的连线示意图如下：

o

2.2.2

所用芯片：LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358结构图

2.3 A/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

5V

度，信号预处理电路精度A/D转换器以及输出电路等。

2.3.1 ICL7107双积分型的A／D转换器的特点

a.直接输出7段译码信号

b.7107直接驱动LED

c. 位十进制A/D转换器

d.双积分型电路

2.3.2 双积分A/D转换器结构与原理

常见A/D转换器的转换方式有积分式和非积分式两类（如逐次逼近比较式A/D 转换器），双积分式A/D转换器的基本组成如图，它由积分器、比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计数器及时钟脉冲源等电路所组成。

-U

t

(a) 电路组成框图

图6-2-6 双积分式A/D转换

2.3.3ICL7107芯片的内部电路结构：含有模拟电路和数字电路两大部分，电路结构组成如图：

ICL7107模拟部分电路

ICL7107内部数字部分电路

电路结构组成: 1．积分器 2．检零比较器 3．时钟脉冲控制门 4．计数器和定

时器

2.3.4 工作过程：

1．采样过程：T1=2nTc对被测电压定时间积分，与Vi平均值相关

2．积分比较阶段对基准电压回积分（定值积分）

3．休止阶段电容放电，积分器归零

7107在内部结构、而7107直接驱动LED（发光二极管）。电路的模拟部分通过自动调零、采样和基准积分三个阶段完成一次转换，转换速率为3～4次/秒。

2.3.5 电压表部分电路应用：用7107组成的3位半直流数字电压表

R P3

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0~5kg，称重传感器5kg 时的输出约为200mV。

2.3.6 注意要点：

（1）辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。

（2)关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是DC5V 。第36脚是基准电压，正确数值是100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在－3V至－5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入±199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。

（3)注意芯片27,28,29引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的33和34脚接的 104电容也不能使用磁片电容。

（4）注意接地引脚：芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，通常使用情况下，这4个引脚都接地。

（5）比例读数：把31脚与 36脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是100.0，通常在99.7－100.3之间，越接近100.0越好。这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少 mV 无关，也无法在外部进行调整这个读数。如果差的太多，就需要更换芯片了。

第3章组装与调试

3.1 组成

本装置由称重传感器、差分放大电路、A/D转换和数码显示电路四部分组成，电路附图所示。图中E为5V电池，R1~R4为称重传感器的4片电阻应变片，R5、R6与RP1组成零调整电路（当载荷为零时，调节RP1使液晶显示屏显示零）。IC2、IC3为双运放集成电路LM358中的两个单元电路，A1、A2组成了一个对称的同相放大器。A／D转换器采用了ICL7107双积分型A／D转换器。液晶显示屏采用3-1/2数码管。根据手提秤的特点，传感器应该选用S型称重传感器。电子秤的电子线路部分，除滑动电位器RP1和指示电表外，其他可集成安装在印制线路板上。

3.2 调试

⑴首先在秤体自然下垂已无负载时调整RP1，使显示器准确显示零。

⑵再调整Rp2，使秤体承担满量程重量（本电路选满量程为2千克）时显示满量程值。（调节Rp2衰减比）

⑶然后在秤钩下悬挂1千克的标准砝码，观察显示器是否显示1.000，如有偏差，可调整RP3值，使之准确显示1.000。（调节反向定值积分时间Vi）

⑷重新进行2、3步骤，使之均满足要求为止。

⑸最后准确测量RP2、RP3电阻值，并用固定精密电阻予以代替。RP1可引出表外调整。测量前先调整RP1，使显示器回零。

第4章所需元件列表

第5章系统方案总结

工作原理数显电子秤电路原理如上图所示，其主要部分为电阻应变式传感器R1、R2、R3、R4及IC2、IC3组成的测量放大电路，和IC1及外围元件组成的数显面板表。传感器R1采用E350~ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值为350欧姆。测量电路将产生的电阻应变量转换成电压信号输出。IC2、IC3将经转换后的弱电压信号进行放大，作为A／D转换器的模拟电压输入。IC4提供l．2V基准电压，它同时经R5、R6及RP2分压后作为A/D转换器的基准电压。3-1/2位A/D，转换器ICL7107的参考电压输人正端，由RP2中间触头引入，负端则由RP3的中间触头引入。两端参考电压可对传感器非线性误差进行适量补偿。

当然，可能还有这样那样的问题，特别是非线性误差方面的问题，在实际的制作中可以加以完善。

结语

出于方便和美观，我们可以把电子称的形状做成类似手套或者可以方便携带的形状，将压力传感器设计在掌心处，显示器可以做成一块手表，使用电子称的时候它是显示器，不用的时候它又可以当做手表使用，既美观又方便，出门购物不至于被商贩哄骗，当然，这肯定不适合称过重的物品，有它自身的缺陷，但我相信随着科学技术的发展，这些弊端会被克服，以后我们见到的电子称会让人耳目一新的。

致谢

在整个毕业设计期间，我得到了白凤山老师全面、具体和耐心的指导，使得我的学年论文可以顺利的完成。老师渊博的学识、严谨的态度、使我终生难忘，同时也受益非浅。老师以自己渊博的学识，雄阔的思维，和朴实无华、平易近人的人格魅力，使我树立了全新的思想观念和学习方法，以适应时代和社会的要求。感谢老师在书写论文的过程中，给予的宝贵意见，并且提供了设计所需要的学习资料，使我能够顺利完成论文。感谢老师在我作毕业设计期间给予的帮助和鼓励。同时，也感谢每一位帮助过我的师长。

感谢我的校友和朋友们在这四年对我的关心和帮助。

感谢我的父母及家人多年来对我学业上的全力支持和生活上的关心照顾。对所有给予我关心和支持的亲人和朋友们表示深深的谢意。