測控電路課程設計之電子稱設計

測控電路課程設計之電子秤的設計一、設計任務1、題目：電子秤的設計1．確定結(jié)構(gòu)電子秤由傳感器、傳感器專用電源、信號放大系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及顯示器等五部分組成，其原理框圖如指導書圖4所示。2．設計技術(shù)指標如下：1）量程為0～1.999Kg，傳感器可采用懸臂梁式的稱重傳感器（懸臂梁上貼有應變片）。顯示電路采用為A/D轉(zhuǎn)換電路、共陰級數(shù)碼管。2、設計任務1）選擇傳感器2）設計傳感器測量電路：通常用電橋測量電路。3）放大電路設計由于傳感器測量范圍是0～2Kg，假定選擇的某款傳感器的靈敏度為1mV/V、工作電壓為10V，那么其輸出信號只有0-10mV左右；而A/D轉(zhuǎn)換的輸入應為0-1.999Kg，當量為1mV/g，因此要求放大倍數(shù)約為200倍，一般采用兩級放大器。另外，在電路設計過程，應考慮電路抗干擾環(huán)節(jié)、穩(wěn)定性。選擇低失調(diào)電壓、低漂移、高穩(wěn)定、經(jīng)濟性的芯片。最后，電路中還應有調(diào)零和調(diào)增益的環(huán)節(jié)，才能保證電子秤沒有稱重時顯示零讀數(shù)，稱重時讀數(shù)正確反映被秤重量。4）模數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器可選擇MC14433，也可另選。供電電源：設計一個可滿足本設計需求的電源。二、設計方案1、電子秤的主要組成電子秤由傳感器、傳感器專用電源、信號放大系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及顯示器等五部分組成，其原理框圖如圖4所示。傳感器傳感器放大系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換顯示器傳感器專用電源圖4電子秤組成框圖傳感器將被測物體的重量轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，放大系統(tǒng)把來自傳感器的微弱信號放大，放大后的信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換把模擬數(shù)字量，數(shù)字量通過數(shù)字顯示器顯示重量。2、方案的選用方案一：采用應變式電阻稱重傳感器，將被測物體的重量轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，然后采用AD620差動電路放大器把來自傳感器的微弱信號放大，然后將放大后的信號經(jīng)過MC14433模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，最后經(jīng)過動態(tài)掃描將數(shù)字量通過數(shù)碼管顯示出來，顯示出來的數(shù)字就是被測物體的重量。方案二：設計以51系列單片機AT89S52為控制核心，實現(xiàn)電子秤的基本控制功能。在設計系統(tǒng)時，為了更好地采用模塊化設計法，分步的設計各個單元功能模塊，系統(tǒng)的硬件部分可以分為最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、人機交互界面和系統(tǒng)電源四大部分。最小系統(tǒng)部分主要包括AT89S52和擴展的外部數(shù)據(jù)存儲器；數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號的前級處理和A/D轉(zhuǎn)換部分組成，包括運算放大器AD620和A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135；軟件部分應用單片機C語言進行編程，實現(xiàn)了該設計的全部控制功能。通過對兩種方案的對比，考慮到電子秤的稱重精確度、簡單實用性、測量準確性和分辨率，以及方案的可行性和操作性等各方面，我們選取方案一進行電子稱的設計。三、分模塊設計：傳感器工作原理，放大電路，轉(zhuǎn)換模塊，顯示模塊系統(tǒng)電源1、電子秤的工作原理電子秤主要是由電橋電路及電阻應變式傳感器組成，在現(xiàn)代測量技術(shù)中常常需要將非電量利用傳感器轉(zhuǎn)變成電量后再進行測量。電阻應變式傳感器是一種利用金屬電阻應變片將應變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。1）應變式電阻傳感器原理測量力時，可將電阻應變片粘貼在承受被測力的彈性元件上。當力作用在彈性元件上時，它將產(chǎn)生應變，通過粘貼膠將此應變傳遞給電阻應變片，使應變片的電阻產(chǎn)生變化，此現(xiàn)象稱為電阻應變效應。因為彈性元件的應變與所承受的力的大小成比例，所以應用橋式測量電路測出電阻應變片的電阻變化值即可測出力的大小。導體的電阻值可以用下式計算當此應變片兩端受拉或受壓以后，它將發(fā)生變化，對上式進行微分，得最后通過簡化得到其中稱為應變片的靈敏系數(shù)，對于一定材料，它是常數(shù)。稱為應變。通過上式可看出，電阻變化與應變片的應變是成比例的。通過測量電阻的變化，就可測出應變，也就可以測出受力了。為了顯示與記錄應變的大小，還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，因此，需要有專用的測量電路，通常采用直流電橋和交流電橋。2)非平衡電橋的工作原理在測量中常常會因為待測信號很小，所以用一般的測量儀表較難直接測量，因此常把它轉(zhuǎn)換成電壓變化后再用電測儀器進行測定，這正是利用電橋電路來進行這種變換的。非平衡電橋是利用電橋輸出電流或電壓與電橋各參數(shù)間的關系進行測量的，常用來測量動態(tài)對象。為了消除非線性誤差，在實際中常采用差動電橋。本次設計我們采用差動半橋式測量電路，電路圖如圖3在圖3中有兩個應變片，一個受拉，一個受壓，它們的阻值變化大小相等，符號相反。工作時將兩個應變片接在電橋相鄰臂內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)為半橋差動電路，當對稱時，即，且，可導出半橋差動電路的輸出電壓為這樣當載荷W作用時，產(chǎn)生了其中應變，A為常數(shù)。若保持U不變，令C=KAU，。這樣，通過測量輸出電壓，就可測出載荷W。2、放大電路的設計：由于傳感器測量范圍是0～2Kg，靈敏度為1mV/V,其輸出信號只有0-10mV左右；而A/D轉(zhuǎn)換的輸入應為0-1.999Kg，當量為1mV/g，因此要求放大倍數(shù)約為200倍，一般采用兩級放大器。1）差動放大電路我采用雙放大模式，即前后分別對信號進行放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求。我選用LM324四運放，連接組成兩級差動放大電路，初級放大電路如圖3A1A1∞A2∞R8R8R7VoViVi1Vi2I推導過程：I=Vo=(R8+R7+R8)I=(1+)Vi，圖3初級放大電路則Avf=1+圖3初級放大電路考慮到旋鈕旋轉(zhuǎn)的角度有限，若采用單級差動放大，在放大倍數(shù)足夠的條件下，調(diào)節(jié)旋鈕的精度就會降低，調(diào)零的時候難以數(shù)顯為零，給測量帶來不必要的麻煩，同時，為保證經(jīng)放大的信號足夠大，采用又一級放大電路，來提高整個系統(tǒng)的增益，這樣既滿足了放大倍數(shù)的要求，也使得旋鈕角度增加，調(diào)零更加容易，也可以是R8足夠大，第一級放大滿足倍數(shù)的要求，第二級只用來滿足調(diào)零的需要，即讓一級差動放大調(diào)節(jié)在實驗室溫度下，第二級的滑動變阻器可以適當縮小，這樣會使調(diào)零更加準確。2）AD620放大器。AD620是一種低耗高精度儀表放大器。僅需一個外接電阻即可得到1～1000范圍內(nèi)的任意增益；2.3V～18V的電源電壓；低功耗，最大電源電流1.3mA，最大輸入失調(diào)電壓125uV，最大溫度漂移1uV/℃，最大輸入偏移電流20nA；最小共模抑制比93dB（增益=10）；輸入電壓噪聲9nV（1KHz）；0.28uV噪聲（0.1Hz～10Hz）；帶寬120KHz（增益=100）；建立時間15us（0.01%）。AD620的增益是用電阻Rg來決定的，即用引腳1和8之間的阻抗來決定的。使用0.1%～1%的電阻，AD620就能提供精確的增益。對G（增益）=1，Rg引腳不連接（即Rg為無窮大）。其他的任何增益可按：（3.1）計算。3、模數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)傳感器的輸出信號放大后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，該數(shù)字量由顯示器顯示。選擇MC14433.A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)碼管顯示器。4、系統(tǒng)電源在系統(tǒng)的各個功能模塊設計完成之后，為了滿足系統(tǒng)的工作要求，系統(tǒng)電源需滿足以下幾種：+12V、-12V、+5V、-5V、+1V。其中+12V、-12V為運算放大器AD620的工作電壓；+5V、-5V為A/D轉(zhuǎn)換器MC14433的工作電壓，+1V為其工作時的基準電壓；其他各個芯片的工作電壓VCC均為+5V。設計電路時，選用LM317和LM337型號的芯片為核心來設計電源電路。由LM317和LM337提供系統(tǒng)所需的直流穩(wěn)壓電源。LM317特性簡介以及典型應用電路如下：特性：可調(diào)整輸出電壓低到1.25V；保證1.5A輸出電流；典型線性調(diào)整率0.01%；典型負載調(diào)整率0.1%；80dB紋波抑制比；輸出短路保護；過流、過熱保護；調(diào)整管安全工作區(qū)保護。典型應用電路參考如下：圖3.13LM317典型應用電路最大輸出電流為2.2A，輸出電壓范圍為1.25～37V；1、2腳之間為1.25V基準電壓；為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，R1應小于240歐姆；改變R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值；二極管D1、D2用于保護LM317。LM337基本特性功能和用法類似于LM317。四、實驗總結(jié)通過各方面的測試，我們組的電子稱實物能夠很好地實現(xiàn)要求的功能。通過對數(shù)據(jù)采集的分析，我們對各種傳感器、放大器及A/D轉(zhuǎn)換器，以及信號的轉(zhuǎn)換、傳輸有了更深的認識。但是本次設計中我們還有如下問題沒有更好的處理：1、電子電路的設計中對各種影響因素的考慮不夠完全，比如在對過電壓情況的處理中未作防范措施。2、系統(tǒng)設計不夠優(yōu)化，有待改善。比如沒有對系統(tǒng)的超量程和欠量程信號設計報警電路。3、對各種實用芯片價格了解不夠，選擇上任有欠缺，如所選的稱重傳感器價格較貴。五、感想在這次課程設計中，我對傳感器設計基礎知識有了更深入的了解，而且更重要的是又學到了很多新的知識，獲得了新的經(jīng)驗。我從中學會了如何去做設計，深刻了解到團隊精神的重要性，在這次的課程設計當中，在一些材料的選用，與其它同學進行了交流，提高了自己的工作效率。在如此短的時間。依靠個人能力是不可能完成如此繁瑣的資料查找與收集的。所以，通過這次課程設計，加強了同學之間的交流，大大增進了我們班的凝聚力，協(xié)作的精神更強了。而且自己也學到了很多實際的有用的東西，相信對以后的工作一定會大有益處。通過這次課程設計，使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉。使我在傳感器的基本原理、傳感器的實際應用，以及在常用傳感器設計思路技巧的掌握方面都能向前邁了一大步，為日后成為合格的應用型人才打下良好的基礎。我在指導老師的精心指導和嚴格要求下，獲得了豐富的理論知識，極大地提高了實踐能力，并對