自動(dòng)檢測(cè)數(shù)字電子稱課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、自幼檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告自幼檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)目錄摘要2一、設(shè)計(jì)任務(wù)31.設(shè)計(jì)要求3二、設(shè)計(jì)思路及原理框圖32.1 .設(shè)計(jì)思路32.2 設(shè)計(jì)方案32.3 基本工作原理框圖4三、系統(tǒng)方案43.1 傳感器的選擇41. 1.1電阻應(yīng)變式傳感器的組成以及原理43. 1.2電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路54. 1.3三運(yùn)放大電路63.2 ICL7107介紹73.2.11 CL7107工作原理：73.2.12 ICL7107雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器引腳功能、外圍元件參數(shù)的選擇83.2.13 ICL7107A/D轉(zhuǎn)換及譯碼電路103.2.14 顯示電路設(shè)計(jì)10四、調(diào)試結(jié)果及分析114.1 仿真測(cè)試11

2、4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)12五、設(shè)計(jì)總結(jié)13參考文獻(xiàn)149本設(shè)計(jì)電子秤以單片機(jī)為主要部件，利用全橋測(cè)量原理，通過(guò)對(duì)電路輸出電壓和標(biāo)準(zhǔn)重量的線性關(guān)系，建立具體的數(shù)學(xué)模型，將電壓量綱（V）改為重量綱（g）即成為一臺(tái)原始電子秤。本設(shè)計(jì)采用電阻應(yīng)變式傳感器是傳感器中應(yīng)用最多的全橋測(cè)量電路，使系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差更小，輸出的數(shù)據(jù)更精確。放大后的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路變成數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換電路采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7107實(shí)現(xiàn)。然后把數(shù)字信號(hào)輸送到顯示電路中去，最后由四塊分立的七段LED顯示電路進(jìn)行顯示。將設(shè)計(jì)好的電路利用AltiumDesigner軟件進(jìn)行電路圖繪制，并用proteous進(jìn)行仿真，具有一定的精

3、度，從而證明了該電子稱計(jì)方案可行。關(guān)鍵詞：電子稱電阻應(yīng)變片全橋ICL7107一、設(shè)計(jì)任務(wù)1 .設(shè)計(jì)要求1.1 制作一個(gè)具有數(shù)字顯示功能的數(shù)字電子稱；1. 2調(diào)試數(shù)字電子稱的各個(gè)單元電路及系統(tǒng)電路；1.3 掌握數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試方法；1.4 測(cè)量范圍0-0.99kg(0-0.99V)1-1.99kg(IT.99V)。1.5 直流電源輸出的微弱信號(hào)，經(jīng)放大后，由數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，由數(shù)字顯示電路顯示。二、設(shè)計(jì)思路及原理框圖2.1 .設(shè)計(jì)思路1)用電子稱稱重的過(guò)程是把被測(cè)物體的重量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由于這一信號(hào)通常都汴常小，需要進(jìn)行放大，放大后的模擬信號(hào)經(jīng)模/數(shù)變換轉(zhuǎn)變成數(shù)字量,再通

4、過(guò)譯碼顯示器顯示出重量。由于被測(cè)物體的重量相差很大,根據(jù)不同的測(cè)量范圍要求，可由電路自由切換量程，同時(shí)，顯示器的小數(shù)點(diǎn)數(shù)位對(duì)應(yīng)不同量程而變化，即可實(shí)現(xiàn)電子稱的要求。2)稱重的準(zhǔn)確程度首先取決于傳感器輸出的信號(hào)，電子稱的傳感器通常使用電橋，它將應(yīng)變電阻轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)或電流信號(hào)。2.2 設(shè)計(jì)方案通過(guò)傳感器產(chǎn)生電壓信號(hào)經(jīng)放大電路把信號(hào)放大后輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換由于此芯片可直接用于數(shù)字顯示故轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量直接用數(shù)碼顯示器進(jìn)行顯示即可。而量程切換通過(guò)修改放大系統(tǒng)的增益實(shí)現(xiàn)。自幼檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)2.3 基本工作原理框圖三、系統(tǒng)方案3.1傳感器的選擇3. 1.1電阻應(yīng)變式傳感器的組成以及原理電阻

5、應(yīng)變式傳感器是將被測(cè)量的力，通過(guò)它產(chǎn)生的金屬?gòu)椥宰冃无D(zhuǎn)換成電阻變化的元件。由電阻應(yīng)變片和測(cè)量線路兩部分組成。常用的電阻應(yīng)變片有兩種：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，本設(shè)計(jì)中采用的是電阻絲應(yīng)變片，為獲得高電阻值，電阻絲排成網(wǎng)狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導(dǎo)線，線柵上面粘有覆蓋層，起保護(hù)作用。電阻應(yīng)變片也會(huì)有誤差，產(chǎn)生的因素很多，所以測(cè)量時(shí)我們一定要注意，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：A. 電阻絲溫度系數(shù)引起的。B. 電阻絲與被測(cè)元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。對(duì)于因溫度變化對(duì)橋接零點(diǎn)和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會(huì)因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引

6、起誤差，所以對(duì)要求精度較高的傳感器,必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償片.，并從外部對(duì)它加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點(diǎn)。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來(lái)說(shuō)主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，通過(guò)線性補(bǔ)償，也可得到改善。滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用?？涨鷱┞勈鍫栍纱瓮僖黄淦湍?，金1后注喪笊蜂於&外*蕤打疝噂蕤壯舟溺蕓就圖2-應(yīng)變式傳感器安裝示意圖3.1.2電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路測(cè)量電路是電子秤設(shè)計(jì)電路中是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，我們?cè)谥谱鞯倪^(guò)程中應(yīng)盡量

7、選擇好元件，調(diào)整好測(cè)量的范圍的精確度，以避免減小測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差。常規(guī)的電阻應(yīng)變片K值很小，約為2,機(jī)械應(yīng)變度約為0.0000010.001,所以，電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍為0.0005-0.1歐姆。所以測(cè)量電路應(yīng)當(dāng)能精確測(cè)量出很小的電阻變化，在電阻應(yīng)變傳感器中做常用的是全橋式測(cè)量電路。橋式測(cè)量電路有四個(gè)電阻，其中任何一個(gè)都可以是電阻應(yīng)變片電阻，電橋的一個(gè)對(duì)角線接入工作電壓U,另一個(gè)對(duì)角線為輸出電壓Uo。其特點(diǎn)是：當(dāng)四個(gè)橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時(shí).，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計(jì)來(lái)測(cè)量，所以電橋能夠精確地測(cè)量微小的電阻變化。9350350n也350350Um圖3-全橋測(cè)量電橋圖它

8、由電阻應(yīng)變片電阻RI、R2、R3、R4組成測(cè)量電橋，瓦=艮=1<3=&=350Q,加熱絲阻值為50Q左右，測(cè)量電橋的電源由穩(wěn)壓電源孔.供給。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：Ri=R°=R3=R，其變化值A(chǔ)R尸RuARsmARM.,其橋路輸出電壓1加=您£。其輸出靈敏度比半橋乂提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。將差動(dòng)放大器調(diào)零，合上電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位RW1,使數(shù)顯表顯示0.OOVo將10只標(biāo)準(zhǔn)硅碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器RW3（增益即滿量程調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.200V（2V檔測(cè)量）或一0.200V。

9、拿去托盤上的所有祛碼,調(diào)節(jié)電位器R眄（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.0000V。重復(fù)標(biāo)定過(guò)程,一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量綱g,就可以稱重。成為一臺(tái)原始的電子秤。3.L3三運(yùn)放大電路本次課程設(shè)計(jì)中，需要一個(gè)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)字采集的單片機(jī)系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號(hào)都很微弱，必須通過(guò)一個(gè)模擬放大器對(duì)其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)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。GND圖4-三運(yùn)放大電路結(jié)構(gòu)圖3.2ICL7107介紹3.2.1ICL7107工作原理:雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

10、的原理比較簡(jiǎn)單，當(dāng)輸入電壓為Vx時(shí)，在一定時(shí)間T1內(nèi)對(duì)電量為零的電容器C進(jìn)行恒流（電流大小與待測(cè)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(cè)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(kāi)始時(shí)刻對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，結(jié)束時(shí)刻停止計(jì)數(shù)，得到計(jì)數(shù)值2,則N2與Vx成正比。Tl/XVxQo=oHRQoVxCRC(3)(4)dt=0把（2）式代入上式，得:TT2二VxVref從（4）式可以看出，由于T1

11、和Vref均為常數(shù)，所以T2與Vx成正比。若時(shí)鐘最小脈沖單元為電，則T1=N1*力，T2=N2*%，代入（4）,即有：N2=Jvl-Vx(5)可以得出測(cè)量的計(jì)數(shù)值2與被測(cè)電壓Vx成正比。對(duì)于ICL7107,信號(hào)積分階段時(shí)間固定為1000個(gè)7”，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(dòng)校零的計(jì)數(shù)范圍為29991000,也就是測(cè)量周期總保持4000個(gè)T”不變。即滿量程時(shí)N2max=2000=2*Nl,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IV,則最大輸入電壓為2Vo3.2.2 ICL7107雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)

12、換器引腳功能、外圍元件參數(shù)的選擇ICL7106CPLICL7107CPLDIP-40(lg<B2A2(1000) AB4(MINUS) POL05C105C205C3TESTREF HIREF LOCREF+CREF-COMMONIM HIINLOA-ZBUFFNTV-G2(10's)C3、A3 (100s)<33BP/GND圖5-ICL7107管腳圖x 2ICL71070.LN- tno8 8 8 3 S。57顯示衿5> 3C 20 C O B 15：-16-199.9<圖6-ICL7107和外圍器件連接圖ICL7107芯片的引腳圖如圖3所示，它與外圍器件的連

13、接圖如圖所示。圖中它和數(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36腳Vr+和35腳Vr-為參考電壓正負(fù)輸入端；第31腳IN+和30腳1-為測(cè)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(dòng)調(diào)零電容，它們與芯片的27、28和29相連，用示波器接在第27腳可以觀測(cè)到前面所述的電容充放電過(guò)程，該腳對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀上示波器接PVint；電阻R1和Cl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(cè)量出該振蕩波形，該腳對(duì)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(cè)量周期總保持4000個(gè)Tcp不變

14、)以及測(cè)量的精度。下面是這些參數(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(lái)對(duì)積分電容充電的內(nèi)部緩沖放大器的輸出電流來(lái)定義的，對(duì)于ICL7107,充電電流的常規(guī)值為Iint=4uA,則Rint=滿量程/4uA。所以在滿量程為200mV,即參考電壓Vref=0.IV時(shí),Rint=50K,實(shí)際選擇47K電阻；在滿量程為2V,即參考電壓Vref二IV時(shí)，Rint=500K,實(shí)際選擇470K電阻。Cint=Tl*Iint/Vint,一般為了減小測(cè)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,這樣乂由于積分電壓的最大值Vint=2V,所以：Cint=0.2uF,實(shí)際應(yīng)用中

15、選取0.22uF。對(duì)于ICL7107,38腳輸入的振蕩頻率為:f0=l/(2.2*R1*C1),而模數(shù)轉(zhuǎn)換的計(jì)數(shù)脈沖頻率是豚的4倍,即Tcp=l/(4*f0),所以測(cè)量周期T=4000*Tcp=1000/f0,積分時(shí)間(采樣時(shí)間)T1=1000*Tcp=250/fo。所以f。的大小直接影響轉(zhuǎn)換時(shí)間的快慢。頻率過(guò)快或過(guò)慢都會(huì)影響測(cè)量精度和線性度，同學(xué)們可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)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(lái)分析。一般情況下，為了提高在測(cè)量過(guò)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Tl=n*20nis,考慮到線性度和測(cè)試效果，我

16、們?nèi)1=0.lms(n=5),這樣T=0.4S,f0=40kHZ,A/D轉(zhuǎn)換速度為2.5次/秒。自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)il由T1=O.l=250/f0,若取Cl=100pF,則5KC。實(shí)驗(yàn)中為了更好的理解時(shí)鐘頻率對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的影響，我們讓R1可以調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)電位器就是實(shí)驗(yàn)儀中的電位器RWCo3.2.3 ICL7107A/D轉(zhuǎn)換及譯碼電路所示，其中Rl=4.7KQ,R3=4.7KQ：Cl=100mF,C2=C3=C4=100nF：Bl=IV。如前面所講述的一樣，R3為積分電阻，C2為積分電容，C3為自動(dòng)調(diào)零電容，C4與R1構(gòu)成振蕩回路，提供時(shí)脈沖振蕩源。B1提供參考電壓IV,使得最大輸入電壓為2V

17、輸入電壓由31管腳接入，30管腳接地225管腳中，21接地，20管腳接4個(gè)七段顯示器的陰陽(yáng)極端，從而控制顯示器的工作，其他管腳如圖所示接顯示器的輸入端從左至右依次是高位到低位的顯示。圖7-ICL7107AD轉(zhuǎn)換及譯碼電路3.2.4 顯示電路設(shè)計(jì)如圖所示為由A/D轉(zhuǎn)換器CC7106組成的數(shù)字電壓表，電源電壓為9V。測(cè)量范圍為:0-1.999kg;0-19.99kg;0-199.9kg;0T9為kg共四檔。輸入阻抗實(shí)際上為電阻分壓器的總組織，即R1=R5+R6+R7+R8+R9=10MC。各擋量程由開(kāi)關(guān)S1控制，衰減后的電壓Vx為電壓表輸入的基本電壓,并送到CC7106的IN+、IN-端。如開(kāi)關(guān)S

18、1動(dòng)端對(duì)地電阻為RX時(shí)，則Vx=V1RX/RioVI為V1+和VI-端輸入的被測(cè)電壓。圖中，RI、C1為主振蕩器的定時(shí)元件。R2和RP為基準(zhǔn)電壓VREF的分壓電路，用以調(diào)節(jié)VREF的大小。FU為熔斷絲、R3為限流電阻，它和C3組成輸入濾波電路，用以提高電路的抗干擾能力和過(guò)載能力。R4、C5為積分電阻和積分電容，它和內(nèi)部運(yùn)算放大器構(gòu)成積分器。C4為自動(dòng)調(diào)零電容，C2為基準(zhǔn)電容。RIO、RH、R12、三個(gè)異或門和開(kāi)關(guān)S2用以控制小數(shù)點(diǎn)。四、調(diào)試結(jié)果及分析4.1 仿真測(cè)試下面的仿真圖就是TC7107與硬件的連接，只不過(guò)為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，用一個(gè)滑動(dòng)變阻器代替壓力傳感器，用一個(gè)運(yùn)算放大器代替三運(yùn)放。從圖上可

19、以看出我們用了五個(gè)數(shù)碼管，其中上邊的那個(gè)是作為比較，如果輸入沒(méi)超過(guò)量程，數(shù)碼管閑事1,超出量程，數(shù)碼管顯示為0。本次仿真結(jié)果的量程為0.000-1.999,不過(guò)由于存在誤差，數(shù)碼管最小顯示為0.002。9自幼檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì).UUWX- XWU1Q 上？-9 fcs 3 =$ sx圖9-系統(tǒng)測(cè)試仿真圖4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量m(g)020406080100120140160180200Max電壓V(mv)12243658210612714416118520416825028 0 O 。5 0 52 11»學(xué)£為*電壓經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，得出結(jié)論，在誤差允許范圍內(nèi)，本設(shè)計(jì)能比較準(zhǔn)確的反映出質(zhì)量與電壓的線性關(guān)系，基本滿足電子稱的設(shè)計(jì)要求