電子稱課程設(shè)計(jì)

1、 1.前言電子稱重技術(shù)是現(xiàn)代稱重計(jì)量和控制系統(tǒng)工程的重要基礎(chǔ)之一，電子衡器經(jīng)過40年的不斷改進(jìn)和完善，從60年代的機(jī)電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字化智能型。由于它具有稱量準(zhǔn)確、快速，讀取方便，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，便于與電子計(jì)算機(jī)結(jié)合而實(shí)現(xiàn)稱重計(jì)量與過程控制自動化等特點(diǎn)，在工商貿(mào)易、能源交通、輕工食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、航空航天等部門得到了廣泛的應(yīng)用。本課題本著電子秤向高精度、高可靠方向研究,講述了用單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤輸入和數(shù)據(jù)顯示，對如何實(shí)現(xiàn)鍵盤中斷、A/D采樣進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)特別適用于測量精度要求較高的場合, 具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。本文中第一章講述了電子秤的發(fā)展情況及其工作原理，第二章講

2、述了電子秤的硬件電路組成部分,第三章介紹了電子秤各部分功能實(shí)現(xiàn)的軟件設(shè)計(jì)。1.1 研究本文的意義 物料計(jì)量是工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易流通中的重要環(huán)節(jié)。稱重裝置或衡器是不可缺少的計(jì)量工具。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和商品流通的擴(kuò)大，衡器的需求也日益增多，過去沿用的機(jī)械杠桿秤己不能適應(yīng)生產(chǎn)自動化和管理現(xiàn)代化的要求。自六十年代以來，由于傳感器技術(shù)和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子稱重技術(shù)日趨成熟，并逐步取代機(jī)械秤。尤其是七十年代初期，微處理機(jī)的出現(xiàn)使電子稱重技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展?？焖?、準(zhǔn)確、操作方便、消除人為誤差、功能多樣化等方面已成為現(xiàn)代稱重技術(shù)的主要特點(diǎn)。稱重裝置不僅是提供重量數(shù)據(jù)的單體儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商

3、業(yè)管理系統(tǒng)的一個組成部分，推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動化和管理的現(xiàn)代化，它起到了縮短作業(yè)時(shí)間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及加強(qiáng)企業(yè)管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。稱重裝置的應(yīng)用已遍及到國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)對稱重儀表的要求也越來越高，要求儀表有更高抗干擾能力、更高的精度?；陔娮映拥默F(xiàn)狀，本文擬研究一種用單片機(jī)控制的高精度數(shù)字電子秤設(shè)計(jì)方案。這種高精度數(shù)字電子秤計(jì)量準(zhǔn)確、攜帶方便，集質(zhì)量稱量功能與價(jià)格計(jì)算功能于一體，能夠滿足商業(yè)貿(mào)易和居民家庭的使用需求。1.2 電子秤的發(fā)展1.電子技術(shù)滲入衡器制造業(yè)隨著第二次世界大戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)繁榮，為了把稱重技術(shù)引入生產(chǎn)工藝

4、過程中去，對稱重技術(shù)提出了新的要求，希望稱重過程自動化，為此電子技術(shù)不斷滲入衡器制造業(yè)。在1954年使用了帶新式打印機(jī)的傾斜杠桿式秤，其輸出信號能控制商用結(jié)算器，并且用電磁鐵機(jī)構(gòu)與代替人工操作的按鍵與辦公機(jī)器聯(lián)用。在1960年開發(fā)出了與衡器相聯(lián)的專門稱重值打印機(jī)。當(dāng)時(shí)的帶電子裝置的衡器其稱量工作是機(jī)械式的，但與稱量有關(guān)的顯示、記錄、遠(yuǎn)傳式控制器等功能是電子方式的。2.電子秤步入社會電子秤的發(fā)展過程與其它事物一樣，也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、由粗糙到精密、由機(jī)械到機(jī)電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程。特別是近30年以來，工藝流程中的現(xiàn)場稱重、配料定量稱重、以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測等工作，都離不開能

5、輸出電信號的電子衡器。這是由于電子衡器不僅能給出質(zhì)量或重量信號，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個單元承擔(dān)著控制和檢驗(yàn)功能，從而推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動化和合理化。近年來，電子秤已愈來愈多地參與到數(shù)據(jù)處理和過程控制中。現(xiàn)代稱重技術(shù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝技術(shù)、儲運(yùn)技術(shù)、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)及商業(yè)銷售領(lǐng)域中不可缺少的組成部分。隨著稱重傳感器各項(xiàng)性能的不斷突破，為電子秤的發(fā)展奠定了其礎(chǔ)，國外如美國、西歐等一些國家在20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)了0 .1 %稱量準(zhǔn)確度的電子秤，并在70年代中期約對75 %的機(jī)械秤進(jìn)行了機(jī)電結(jié)合式的電子化改造。 我國的衡器在20世紀(jì)40年代以前還全是機(jī)械式的，40年代開始發(fā)展了機(jī)

6、電結(jié)合式的衡器。50年代開始出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子衡器。80年代以來， 我國通過自行研制、引進(jìn)消化吸收和技術(shù)改造，已由傳統(tǒng)的機(jī)械式衡器步入集傳感器、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的電子衡器發(fā)展階段。目前，由于電子衡器具有稱量快、讀數(shù)方便、能在惡劣環(huán)境下工作、便于與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)稱重技術(shù)和過程控制的自動化等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、能源交通、商業(yè)貿(mào)易和科學(xué)技術(shù)等各個部門。隨著稱重傳感器技術(shù)以及超大規(guī)模集成電路和微處理器的進(jìn)一步發(fā)展，電子稱重技術(shù)及其應(yīng)用范圍將更進(jìn)一步的發(fā)展，并被人們越來越重視。3.國內(nèi)外發(fā)展概況及存在的問題在國際上，一些發(fā)達(dá)國家在電子稱重力一面已經(jīng)達(dá)到了較高的水平

7、。特別是在準(zhǔn)確度和可靠性等方面有了很大的提高。在稱重方面，國外電子秤產(chǎn)品的品種和結(jié)構(gòu)又有創(chuàng)新，技術(shù)功能和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，典型的成果有：（1）.美國Revere公司研制出的PUS型具有大氣壓力補(bǔ)償功能的拉壓兩用的稱重傳感器，用于高準(zhǔn)確度檢驗(yàn)平臺，稱重平臺，準(zhǔn)確度可達(dá)5000d。（2）.德國HBM公司研制成功C2A、C16A兩種不同結(jié)構(gòu)的1-100t具有耐壓外殼保護(hù)的防爆稱重傳感器，其防爆性能符合歐洲EN50014和EN50018d級標(biāo)準(zhǔn)。 （3）.德國賽特內(nèi)爾公司研制出以被青銅為彈性體材料，快速稱重200型稱重傳感器。其特點(diǎn)是線性好，固有頻率高，動態(tài)響應(yīng)快，獨(dú)創(chuàng)油阻尼裝置與過載保護(hù)裝置一體化，

8、保證稱量時(shí)速度快，工作壽命長。組裝330kg電子秤臺秤，準(zhǔn)確度可達(dá)4000d。2. 總體方案設(shè)計(jì)2.1方案比較 方案一、電子秤以單片機(jī)為主要部件，當(dāng)商品放到秤盤上時(shí)，秤盤下的重量電阻應(yīng)變式傳感器產(chǎn)生一電信號，信號的強(qiáng)弱隨商品重量的大小而變，該電信號經(jīng)放大電路放大后，送入A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與物重成正比，再進(jìn)入89C52單片機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，89C52單片機(jī)產(chǎn)生一組滿足顯示要求的數(shù)據(jù)，送至顯示電路顯示出實(shí)際重量。另一方面，商品單價(jià)通過鍵盤掃描電路送入89C52單片機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，送至顯示電路顯示,物重與單價(jià)經(jīng)過運(yùn)算產(chǎn)生總價(jià)，也在顯示電路上同時(shí)顯示出來，其框圖如圖2.1所示.

9、AT9S51單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換壓力傳感器放大電路LED顯示電路 圖 2.1方案一方框圖 方案二：采用專用儀表放大器，它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等特點(diǎn)，其圖如圖2.2所示.圖 2.2三運(yùn)放大電路結(jié)構(gòu)圖 三位半LED顯示A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107。ICL7107將高精度，通用性和真正的低成本很好的結(jié)合在一起，它有低于10uV的自動校零功能，零漂小于1uV/攝氏度,低于10PA的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個字。真正的差動輸入和差動參考電源在各種系統(tǒng)中都很有用。在用于測量負(fù)載單元，壓力規(guī)管和其它橋式傳感器會有更突出的優(yōu)點(diǎn)。另外只要用十個左右的無

10、源器件和一個LED顯示器就可以和ICL7107組成一個高性能的儀表面板，實(shí)現(xiàn)了低成本和單電源工作。其優(yōu)點(diǎn)正好可以在和稱重傳感器一起用時(shí)體現(xiàn)出來。其框圖如圖2.3所示.LED顯示電路A/D轉(zhuǎn)換壓力傳感器放大電路 圖 2.3方案二方框圖2.2方案論證 通過橋式傳感器電路將力信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過儀表放大器將電壓信號放大、輸入到雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ICL7107），它本身通過自己的工作原理將信號顯示在LED數(shù)碼管顯示上、通過數(shù)碼管顯示便可知稱重的重量.2.3方案選擇經(jīng)過上面二個方案的分析，第二個方案的可行性高，所以我選擇第二個方案作為最后的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)開始前我先確定好我的總體方案，為驗(yàn)證我電路的

11、正確性我將我設(shè)計(jì)的電路都先在Proteus ISIS上仿真。先分別驗(yàn)證各個模塊的能否正確實(shí)現(xiàn)其功能，再將整個電路進(jìn)行仿真解決模塊和模塊的接口問題，最后畫出整個電路圖。整個設(shè)計(jì)流程如圖2.4 所示： 查找資料和設(shè)計(jì)電路學(xué)習(xí)Proteus ISIS軟件的使用掌握整個框架設(shè)計(jì)和整個電路的流程確定電路和元器件仿真無誤后畫出總圖仿真 圖 2.4設(shè)計(jì)流程規(guī)劃圖 3.單元模塊設(shè)計(jì)本節(jié)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以及各個單元模塊之間的聯(lián)接關(guān)系；同時(shí)本節(jié)也會對相關(guān)電路中的參數(shù)計(jì)算、元器件選擇、以及對核心器件進(jìn)行必要說明。3.1各個單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)3.1.1傳感器模塊要達(dá)到設(shè)計(jì)

12、的性能要求，傳感器的精度起著決定性作用，本設(shè)計(jì)選用應(yīng)用于稱重系統(tǒng)90以上的高精度電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器是將被測量的力通過它所產(chǎn)生的金屬彈性變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的敏感元件。題目要求稱重范圍10kg，誤差不大于+0.005kg，考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重即10kg。本設(shè)計(jì)選擇的是L-PSIII型傳感器，最大量程20kg，精度為0.01%，滿量程時(shí)誤差0.002kg，可以滿足本系統(tǒng)的精度要求5。 本設(shè)計(jì)的測量電路采用最常見的橋式測量電路，用到的是電阻應(yīng)變傳感器半橋式測量電路。它的兩只應(yīng)變片和兩只電阻貼在彈性梁上，測量電阻隨重力變化

13、導(dǎo)致彈性梁應(yīng)變而產(chǎn)生的變化。電阻的變化使橋式測量電路的輸出電壓發(fā)生變化，即輸出電壓的變化反映出重力的變化。圖 3.1全橋測量電橋圖(其中V0輸出為02mv) 激勵電壓: 9VDC12VDC ； 靈敏度: 2±0.1mV/V輸入阻抗: 405±10 ； 輸出阻抗: 350±3 極限過載范圍: 150% ； 安全過載范圍: 120% 使用溫度范圍: -20+60 3.1.2 三運(yùn)放大電路模塊本次課程設(shè)計(jì)中，需要一個放大電路，我們將采用三運(yùn)放大電路，主要的元件就是三運(yùn)放大器。在許多需要用A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模

14、擬放大器對其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。圖 3.2三運(yùn)放大電路結(jié)構(gòu)圖 3.1.3 雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ICL7107）模塊當(dāng)輸入電壓為Vx時(shí)，在一定時(shí)間T1內(nèi)對電量為零的電容器C進(jìn)行恒流（電流大小與待測電壓Vx成正比）充電，這樣電容器兩極之間的電量將隨時(shí)間線性增加，當(dāng)充電時(shí)間T1到后，電容器上積累的電量Q與被測電壓Vx成正比；然后讓電容器恒流放電（電流大小與參考電壓Vref成正比），這樣電容器兩極之間的電量將線性減小，直到T2時(shí)刻減小為零。所以，可以得出T2也與Vx成正比。如果用計(jì)數(shù)器在T2開始時(shí)刻對時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，

15、結(jié)束時(shí)刻停止計(jì)數(shù)，得到計(jì)數(shù)值N2，則N2與Vx成正比。雙積分AD的工作原理就是基于上述電容器充放電過程中計(jì)數(shù)器讀數(shù)N2與輸入電壓Vx成正比構(gòu)成的。現(xiàn)在我們以實(shí)驗(yàn)中所用到的3位半模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7107為例來講述它的整個工作過程。ICL7107雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本組成如圖1所示，它由積分器、過零比較器、邏輯控制電路、閘門電路、計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘脈沖源、鎖存器、譯碼器及顯示等電路所組成。下面主要講一下它的轉(zhuǎn)換電路，大致分為三個階段：第一階段，首先電壓輸入腳與輸入電壓斷開而與地端相連放掉電容器C上積累的電量，然后參考電容Cref充電到參考電壓值Vref，同時(shí)反饋環(huán)給自動調(diào)零電容CAZ以補(bǔ)償緩沖放大器

16、、積分器和比較器的偏置電壓。這個階段稱為自動校零階段。第二階段為信號積分階段（采樣階段），在此階段Vs接到Vx上使之與積分器相連，這樣電容器C將被以恒定電流Vx/R充電，與此同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到某一特定值N1（對于三位半模數(shù)轉(zhuǎn)換器，N1=1000）時(shí)邏輯控制電路使充電過程結(jié)束，這樣采樣時(shí)間T1是一定的，假設(shè)時(shí)鐘脈沖為TCP，則T1=N1*TCP。在此階段積分器輸出電壓Vo=-Qo/C(因?yàn)閂o與Vx極性相反)，Qo為T1時(shí)間內(nèi)恒流（Vx/R）給電容器C充電得到的電量，所以存在下式： Qo= (1) Vo=-=- (2) 圖 3.3雙積分AD內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 第三階段為反積分階段（測量階段），在

17、此階段，邏輯控制電路把已經(jīng)充電至的參考電容按與極性相反的方式經(jīng)緩沖器接到積分電路，這樣電容器C將以恒定電流 放電，與此同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，電容器C上的電量線性減小，當(dāng)經(jīng)過時(shí)間T2后，電容器電壓減小到0，由零值比較器輸出閘門控制信號再停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并顯示出計(jì)數(shù)結(jié)果。此階段存在如下關(guān)系： Vo+=0 (3)把（2）式代入上式，得： T2=Vx (4)從（4）式可以看出，由于T1和Vref均為常數(shù)，所以T2與Vx成正比，從圖2可以看出。若時(shí)鐘最小脈沖單元為,則，代入（4），即有： N2= Vx (5) 可以得出測量的計(jì)數(shù)值N2與被測電壓Vx成正比。對于ICL7107，信號積分階段時(shí)間固定為1000個

18、,即N1的值為1000不變。而N2的計(jì)數(shù)隨Vx的不同范圍為01999，同時(shí)自動校零的計(jì)數(shù)范圍為29991000，也就是測量周期總保持4000個不變。即滿量程時(shí)N2max=2000=2*N1,所以Vxmax=2Vref，這樣若取參考電壓為100mV，則最大輸入電壓為200mV；若參考電壓為1V，則最大輸入電壓為2V。下面闡述ICL7107雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器引腳功能 圖3.4 ICL7107芯片引腳圖 ICL7107芯片的引腳圖如圖3.4所示，它與外圍器件的連接圖如3.5所示。圖3.5中它和數(shù)碼管相連的腳以及電源腳是固定的，所以不加詳述。芯片的第32腳為模擬公共端，稱為COM端；第34腳Vr+和35

19、腳Vr-為參考電壓正負(fù)輸入端；第31腳IN+和30腳IN-為測量電壓正負(fù)輸入端； Cint和Rint分別為積分電容和積分電阻，Caz為自動調(diào)零電容，它們與芯片的27、28和29相連，電阻R1和C1與芯片內(nèi)部電路組合提供時(shí)鐘脈沖振蕩源，從40腳可以用示波器測量出該振蕩波形，該腳對應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀上示波器接口CLK，時(shí)鐘頻率的快慢決定了芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間（因?yàn)闇y量周期總保持4000個Tcp不變）以及測量的精度。下面我們來分析一下這些參數(shù)的具體作用： Rint為積分電阻，它是由滿量程輸入電壓和用來對積分電容充電的內(nèi)部緩沖放大器的輸出電流來定義的，對于ICL7107，充電電流的常規(guī)值為Iint=4uA，則Rint

20、=滿量程/4uA。所以在滿量程為200mV，即參考電壓Vref=0.1V時(shí)，Rint=50K,實(shí)際選擇47K電阻；在滿量程為2V，即參考電壓Vref=1V時(shí)，Rint=500K,實(shí)際選擇470K電阻。Cint=T1*Iint/Vint,一般為了減小測量時(shí)工頻50HZ干擾，T1時(shí)間通常選為0.1S ，具體下面再分析，這樣又由于積分電壓的最大值Vint=2V，所以：Cint=0.2uF,實(shí)際應(yīng)用中選取0.22uF。對于ICL7107，38腳輸入的振蕩頻率為：f0=1/(2.2*R1*C1)，而模數(shù)轉(zhuǎn)換的計(jì)數(shù)脈沖頻率是f0的4倍，即Tcp=1/(4*f0)，所以測量周期T=4000*Tcp=1000

21、/f0，積分時(shí)間（采樣時(shí)間）T1=1000*Tcp=250/fo。所以fo的大小直接影響轉(zhuǎn)換時(shí)間的快慢。頻率過快或過慢都會影響測量精度和線性度，同學(xué)們可以在實(shí)驗(yàn)過程中通過改變R1的值同時(shí)觀察芯片第40腳的波形和數(shù)碼管上顯示的值來分析。一般情況下，為了提高在測量過程中抗50HZ工頻干擾的能力，應(yīng)使A/D轉(zhuǎn)換的積分時(shí)間選擇為50HZ工頻周期的整數(shù)倍，即T1=n*20ms,考慮到線性度和測試效果，我們?nèi)1=0.1m(n=5)，這樣T=0.4S，f0=40kHZ，A/D轉(zhuǎn)換速度為2.5次/秒。由T1=0.1=250/f0，若取C1=100pF，則R1112.5K。圖 3.5ICL7107和外圍器件連

22、接圖3.1.4 數(shù)碼管顯示模塊圖3.6數(shù)碼管圖3.6數(shù)碼管內(nèi)部電路數(shù)碼管可以直接和ICL7107相連，本設(shè)計(jì)采用的是7段共陽數(shù)碼管，顯示的范圍是01999。3.2 電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇在設(shè)計(jì)好各個模塊和總的原理圖后，需要根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇某些器件的參數(shù)，并且選擇合適的元器件也尤為重要。下面就著重介紹橋式電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換中的參數(shù)計(jì)算和部分?jǐn)?shù)字芯片的使用。3.2.1 橋式電路全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1R2R3R4，變化值R1R2R3R4時(shí)，橋路輸出電壓UoutKE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。電橋

23、的輸出電壓可由式（1）表示6，全橋測量電路圖如圖2所示： 3.2.2 三運(yùn)放放大電路 它主要由兩級差分放大器電路構(gòu)成。其中，運(yùn)放A1，A2為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對微弱輸入信號的衰減；差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得送到后級的差模信號與共模信號的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。這樣在以運(yùn)放A3為核心部件組成的差分放大電路中，在CMRR要求不變情況下，可明顯降低對電阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的條

24、件下，圖1電路的增益為：Av=(1+2R1Rg)(RfR3)。由公式可見，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過改變Rg阻值實(shí)現(xiàn)。3.2.3 雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ICL7107）第一階段，首先電壓輸入腳與輸入電壓斷開而與地端相連放掉電容器C上積累的電量，然后參考電容Cref充電到參考電壓值Vref，同時(shí)反饋環(huán)給自動調(diào)零電容CAZ以補(bǔ)償緩沖放大器、積分器和比較器的偏置電壓。這個階段稱為自動校零階段。第二階段為信號積分階段（采樣階段），在此階段Vs接到Vx上使之與積分器相連，這樣電容器C將被以恒定電流Vx/R充電，與此同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到某一特定值N1（對于三位半模數(shù)轉(zhuǎn)換器，N1=1000）時(shí)邏輯控制電路使充

25、電過程結(jié)束，這樣采樣時(shí)間T1是一定的，假設(shè)時(shí)鐘脈沖為TCP，則T1=N1*TCP。在此階段積分器輸出電壓Vo=-Qo/C(因?yàn)閂o與Vx極性相反)，Qo為T1時(shí)間內(nèi)恒流（Vx/R）給電容器C充電得到的電量，所以存在下式： Qo= (1) Vo=-=- (2) 第三階段為反積分階段（測量階段），在此階段，邏輯控制電路把已經(jīng)充電至的參考電容按與極性相反的方式經(jīng)緩沖器接到積分電路，這樣電容器C將以恒定電流 放電，與此同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，電容器C上的電量線性減小，當(dāng)經(jīng)過時(shí)間T2后，電容器電壓減小到0，由零值比較器輸出閘門控制信號再停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并顯示出計(jì)數(shù)結(jié)果。此階段存在如下關(guān)系： Vo+=0 (3)

26、把（2）式代入上式，得： T2=Vx (4）從（4）式可以看出，由于T1和Vref均為常數(shù)，所以T2與Vx成正比，從圖2可以看出。若時(shí)鐘最小脈沖單元為,則，代入（4），即有： N2=Vx (5) 可以得出測量的計(jì)數(shù)值N2與被測電壓Vx成正比。3.3特殊器件的介紹3.3.1 31/2位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107（1）31/2位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107的基本特點(diǎn)1.ICL7107是31/2位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，屬于CMoS大規(guī)模集成電路，它的最大顯示 值為士1999，最小分辨率為100uV，轉(zhuǎn)換精度為0.05士1 個字.2.能直接驅(qū)動共陽極LED數(shù)碼管，不需要另加驅(qū)動器件，使整

27、機(jī)線路簡化，采用士5V兩組電源供電，并將第21腳的GND接第30腳的IN .3.在芯片內(nèi)部從V+與COM之間有一個穩(wěn)定性很高的2.8V基準(zhǔn)電源，通過電阻分壓器可獲得所需的基準(zhǔn)電壓VREF .4. 能通過內(nèi)部的模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動調(diào)零和自動極性顯示功能。5.輸入阻抗高，對輸入信號無衰減作用.6. 整機(jī)組裝方便，無需外加有源器件，配上電阻、電容和LED共陽極數(shù)碼管，就能構(gòu)成一只直流數(shù)字電壓表頭.7.噪音低，溫漂小，具有良好的可靠性，壽命長.8. 芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）.9. 不設(shè)有一專門的小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動信號。使用時(shí)可將LED共陽極數(shù)數(shù)碼管公共陽極接V+（2）ICL7107引腳功能V和V-

28、分別為電源的正極和負(fù)極。au-gu,aT-gT,aH-gH：分別為個位、十位、百位筆畫的驅(qū)動信號，依次接個位、十位、百位LED顯示器的相應(yīng)筆畫電極。Bck：千位筆畫驅(qū)動信號。接千位LEO顯示器的相應(yīng)的筆畫電極。PM：液晶顯示器背面公共電極的驅(qū)動端，簡稱背電極。Oscl-OSc3 ：時(shí)鐘振蕩器的引出端，外接阻容或石英晶體組成的振蕩器。第38腳至第40腳電容量的選擇是根據(jù)下列公式來決定。Fosl = 0.45/RCCOM ：模擬信號公共端，簡稱“模擬地”，使 用時(shí)一般與輸入信號的負(fù)端以及基準(zhǔn)電壓的負(fù)極相連。TEST ：測試端，該端經(jīng)過500歐姆電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱“邏輯地”或“數(shù)字地”

29、。VREF VREF- ：基準(zhǔn)電壓正負(fù)端。CREF：外接基準(zhǔn)電容端。INT：27是一個積分電容器，必須選擇溫度系數(shù)小不致使積分器的輸入電壓產(chǎn)生漂移現(xiàn)象的元件。IN和IN- ：模擬量輸入端，分別接輸入信號的正端和負(fù)端。AZ：積分器和比較器的反向輸入端，接自動調(diào)零電容CAz 。如果應(yīng)用在200mV滿刻度的場合是使用0.47F，而2V滿刻度是0.047F。BUF：緩沖放大器輸出端，接積分電阻Rint。其輸出級的無功電流( idling current )是100A，而緩沖器與積分器能夠供給20A的驅(qū)動電流，從此腳接一個Rint至積分電容器，其值在滿刻度200mV時(shí)選用47K，而2V滿刻度則使用470

30、K。(3） ICL7107的工作原理 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用脈沖時(shí)間間隔，進(jìn)而得出相應(yīng)的數(shù)字性輸出。它的原理性框圖如圖2所示，它包括積分器、比較器、計(jì)數(shù)器，控制邏輯和時(shí)鐘信號源。積分器是A/D轉(zhuǎn)換器的心臟，在一個測量周期內(nèi)，積分器先后對輸入信號電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分。比較器將積分器的輸出信號與零電平進(jìn)行比較，比較的結(jié)果作為數(shù)字電路的控制信一號。時(shí)鐘信號源的標(biāo)準(zhǔn)周期Tc 作為測量時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。它是由內(nèi)部的兩個反向器以及外部的RC組成的。其振蕩周期Tc=

31、2RCIn1.5=2.2RC。計(jì)數(shù)器對反向積分過程的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂七壿嫲ǚ诸l器、譯碼器、相位驅(qū)動器、控制器和鎖存器。分頻器用來對時(shí)鐘脈沖逐漸分頻，得到所需的計(jì)數(shù)脈沖fc和共陽極LED數(shù)碼管公共電極所需的方波信號fc。譯碼器為BCD-7段譯碼器，將計(jì)數(shù)器的BCD碼譯成LED數(shù)碼管七段筆畫組成數(shù)字的相應(yīng)編碼。驅(qū)動器是將譯碼器輸出對應(yīng)于共陽極數(shù)碼管七段筆畫的邏輯電平變成驅(qū)動相應(yīng)筆畫的方波。控制器的作用有三個：第一，識別積分器的工作狀態(tài)，適時(shí)發(fā)出控制信號，使各模擬開關(guān)接通或斷開，A/D轉(zhuǎn)換器能循環(huán)進(jìn)行。第二，識別輸入電壓極性，控制LED數(shù)碼管的負(fù)號顯示。第二，當(dāng)輸入電壓超量限時(shí)發(fā)出溢出信號，

32、使千位顯示“1" ，其余碼全部熄滅。釣鎖存器用來存放A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，鎖存器的輸出經(jīng)譯碼器后驅(qū)動LED 。它的每個測量周期自動調(diào)零（AZ）、信號積分（INT）和反向積分（DE）三個階段。 第一階段：自動調(diào)零階段AZ轉(zhuǎn)換開始前（轉(zhuǎn)換控制信號VL=0) ，先將計(jì)時(shí)器清零，并接通開關(guān)S0 ，使積分電容C完全放電。 第二階段：信號積分INT令開關(guān)S1合到輸入信號V1一側(cè)，積分器對V1進(jìn)行固定時(shí)間Tl的積分，積分結(jié)果為：上式說明，在Tl固定條件下V0與Vl成正比。 第三階段：反向積分DE令開關(guān)S1轉(zhuǎn)至參考電壓VREF一側(cè)，積分器反向積分。如果積分器的輸出電壓上升至必零時(shí)，所經(jīng)過的積分時(shí)間T2則

33、可得，可見，反向積分到V0=0這段時(shí)間T2與Vl成正比。令時(shí)鐘脈沖CD的周期為Tc，計(jì)數(shù)扔器在T2時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)值為N得：T2=NTc .由此式分析可知：T1,Tc，VREF固定不變，計(jì)數(shù)值N僅與VIN成正比，實(shí)現(xiàn)了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)變。下面介紹A/D轉(zhuǎn)化過程的時(shí)間分配。假設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為40KHz，每個周期為4000Tc,每個測量周期中三個階段工作自動循環(huán)。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖各階段時(shí)間分配如下:信號積分時(shí)間Tl用1000Tc 。信號反向積分時(shí)間T2用0一2000Tc ，這段時(shí)間的長短是由VIN的大小決定的自動調(diào)零時(shí)間T0用10003000Tc 。 從上面的分析可知，Tl 侍定不變

34、的，但T2隨VIN的大小而改變。因?yàn)?，選基準(zhǔn)電壓VRFF= 100.0mv ,由：得：VIN=0.1N滿量程時(shí)N=2000，同樣由上式可導(dǎo)出滿量程時(shí)VIN與基準(zhǔn)電壓的關(guān)系為：VIN=2VREF。為了提高儀表的抗干擾能力，通常選定的采樣時(shí)間Tl 為工頻周期的整數(shù)倍。我國采用50Hz交流電網(wǎng)，其周期為20ms，應(yīng)選T1=n×20ms。n= l,2,3n越大，對串模干擾的抑制能力越強(qiáng)，但n越大，A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間越長。因此，一般取Tl=100ms，即f040KHz 。由T0=2RC105=2.2RC，得式中T0為振蕩周期。由上式可知，當(dāng)f0=40KHz時(shí)，阻容元件的選取并不唯一，只要滿足要求

35、即可。電源電壓ICL7107 V+ 到GND6V溫度范圍0 到 70ICL7107 V- 到GND-9V熱電阻PDIP封裝qJA(/W)50MQFP封裝80擬輸入電壓V+ 到V-最大結(jié)溫150參考輸入電壓V+ 到 V-最高儲存溫度范圍-65 到150時(shí)鐘輸入GND 到 V+.3.4 各單元模塊的聯(lián)接見附錄一4 相關(guān)軟件介紹 本章節(jié)介紹本次設(shè)計(jì)中用到的軟件，并總結(jié)本次設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)軟件的情況。 Altium Designer Summer 09，原名Protel,從2004年開始更名為Protel Dxp 而后是新版 Altium Designer Summer 6.0，6.0以后開始了以年份命名。A

36、ltium Designer Summer 09共分5個模塊，分別是原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)（包含信號完整性分析）、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設(shè)計(jì)。 以下介紹一些它的部分最新功能：可生成30多種格式的電氣連接網(wǎng)絡(luò)表；強(qiáng)大的全局編輯功能；在原理圖中選擇一級器件，PCB中同樣的器件也將被選中；同時(shí)運(yùn)行原理圖和PCB，在打開的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網(wǎng)絡(luò)。既可以進(jìn)行正向注釋元器件標(biāo)號（由原理圖到PCB），也可以進(jìn)行反向注釋（由PCB到原理圖），以保持電氣原理圖和PCB在設(shè)計(jì)上的一致性；滿足國際化設(shè)計(jì)要求（包括國標(biāo)標(biāo)題欄輸出，GB4728國標(biāo)庫）；方便易用的數(shù)模混合仿

37、真（兼容SPICE 3f5）；支持用CUPL語言和原理圖設(shè)計(jì)PLD，生成標(biāo)準(zhǔn)的JED下載文件；PCB可設(shè)計(jì)32個信號層，16個電源-地層和16個機(jī)加工層；強(qiáng)大的“規(guī)則驅(qū)動”設(shè)計(jì)環(huán)境，符合在線的和批處理的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查；智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪；提供大量的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)電路板作為設(shè)計(jì)模版；放置漢字功能；可以輸入和輸出DXF、DWG格式文件，實(shí)現(xiàn)和AutoCAD等軟件的數(shù)據(jù)交換；智能封裝導(dǎo)航（對于建立復(fù)雜的PGA、BGA封裝很有用）；方便的打印預(yù)覽功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印結(jié)果；獨(dú)特的3D顯示可以在制板之前看到裝配事物的效果；強(qiáng)大的CAM處理使您輕松實(shí)現(xiàn)輸出光繪文件、材料清單、鉆孔

38、文件、貼片機(jī)文件、測試點(diǎn)報(bào)告等；經(jīng)過充分驗(yàn)證的傳輸線特性和仿真精確計(jì)算的算法，信號完整性分析直接從PCB啟動；反射和串?dāng)_仿真的波形顯示結(jié)果與便利的測量工具相結(jié)合。 5系統(tǒng)調(diào)試 圖5.1系統(tǒng)仿真圖本設(shè)計(jì)在protues軟件里完成電路原理整體框架的繪制后，進(jìn)行模塊單元的仿真與調(diào)試: 由于在仿真軟件中不存在傳感器這類器件，所以我采用的是搭建一個橋式電路，然后用一個滑動變阻器調(diào)節(jié)來改變阻值，即可輸出相應(yīng)的電壓差，可以模擬應(yīng)變式傳感器的工作原理，在測試數(shù)據(jù)方面也是模擬的，得到的都是模擬數(shù)據(jù)?？傮w思路是調(diào)節(jié)滑動變阻器，使其輸出不同的電壓，觀察數(shù)碼管顯示是否顯示對應(yīng)的數(shù)值。然后分析和理論數(shù)值是否相同。6系統(tǒng)

39、功能、指標(biāo)參數(shù)6.1系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能通感應(yīng)器模塊將被測量的力轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過放大器模塊將電信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)化器模塊?；陔p積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ICL7107）的工作原理，最終將信號傳入顯示器模塊。最終將感應(yīng)器模塊、放大器模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)化器模塊、顯示器模塊組合得到數(shù)字電子稱系統(tǒng)。6.2系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)測試通過改變各個元件及各元件的參數(shù)來校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)要求的量程及精度，調(diào)節(jié)電阻電容對電子稱的量程范圍進(jìn)行校準(zhǔn)達(dá)到，測量精度為6.3系統(tǒng)功能及指標(biāo)參數(shù)分析感應(yīng)器主要通過重物質(zhì)量的改變來改變電路中的電阻，進(jìn)而改變輸出電壓。結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求，調(diào)節(jié)電阻及工作電壓獲得線性的輸出電壓，基于全橋測量電橋原理可知=。三運(yùn)放放大電路對輸

40、入信號做線性放大，由三運(yùn)放的的結(jié)構(gòu)和功能可以計(jì)算出=，=，=。稱重實(shí)質(zhì)是對質(zhì)量的累積計(jì)算，故采用ICL7107A/D轉(zhuǎn)換器，根據(jù)其工作特性可以得出=，,=，=，=,=,=7設(shè)計(jì)總結(jié)與體會 這次課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個數(shù)字電子秤，組裝及調(diào)試各單元電路及系統(tǒng)電路，用數(shù)字表顯示稱重結(jié)果。 回顧起此次課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，可以說，這次課程設(shè)計(jì)比較不容易，因?yàn)楹芏鄡?nèi)容還未進(jìn)行學(xué)習(xí)，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。這次設(shè)計(jì)使自己有機(jī)會使用到原來所學(xué)知識，并且可以有更深的認(rèn)識，可以時(shí)候收獲不小。 在設(shè)計(jì)的過程中可以說得是困難重重，這畢竟是第一次做數(shù)電課程設(shè)計(jì)，難免會遇到過各種各樣的問題，設(shè)計(jì)的過程中