便携式电子秤设计

电子电路实验4 综合设计总结报告

题目：便携式电子秤的设计

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一、 摘 要

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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。而且随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。

为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，本文设计了一种新型便携式电子秤，论述了仪器的工作原理，介绍了仪器的电路设计与软件流程，探讨了仪器的工程设计技术。

本系统以以称重电路、显示电路、等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。提出了便携式电子秤的硬件设计方案，详细分析了各单元的硬件电路，给出了仪器电路设计，及相关电路原理图、流程图，可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。本系统主要测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、体积小、操作简单、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。

二、设计任务

2.1 设计选题

选题四 便携式电子秤设计 2.2 设计任务要求 1）秤重范围为20g~2kg；

（2）检定分度值：IV级（检定分度值在一百到一千之间）； （3）显示分辨力：1g；

（4）采用电阻应变式传感器检测物体重量，

（5）采用模拟数字电路构建系统，完成主要电路设计，包括了传感器电路，差动放大电路，A/D转换电路以及显示电路等； （6）显示电路采用LED数码管进行显示；

三、方案设计与论证

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方案一： 传感器

系统设计思路

差动放大 A/D 采样 单片机 数码管 称重传感器根据压力的变化提供相应的线性变化的电信号，该电信号经过高精度差动放大器放大。输入给双积分型模数转换器。转化为数字信号，数字信号可直接由单片机以串行方式读入。

单片机选用STC89C51型单片机，P0口定义为输出口，其中P0.0~P0.6输出要显示数据的段码。P1口中的P1.0~P1.3也定义为输出，显示输出数据的位码。显示器用动态扫描。 该设计的优劣：

a.优点：该系统采用了单片机作为显示模块的驱动电路，具有较好的系统扩展性，在显示压力的同时，还可以通过单片机的其他管脚输出信号以达到的功能的扩展。例如，在平时日常使用外，也可以作为工程应用中显示及反馈模块，通过对压力测量进行阈值的设定，来判定是否对系统的输入进行修正。 b.缺点：

系统的组成模块相对较多，在进行系统调试时可能会出现较多问题，也提高了系统的成本。并且单片机的编程时将会需要大量的时间，对系统的标定比较困难。不适合仅仅应用为日常生活。

方案二：

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系统设计思路

系统由5个部分组成：控制器部分、测量部分、数据显示部分、键盘部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图1所示。测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送单片机中的A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出，控制器接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数宁信号转换为物体的实际重量信号，并将其送到显示单元中。 该设计的优劣： a. 优点：这是一种基于STC12C5A60S2单片机的数字电子秤的设计，充分发挥了STC单片机的强大的控制能力，通过称重传感器和16位的AD7705转换器实现了对重量的高精度测量，具有成本低、稳定性强、电路简单等特点。系统在电子秤的实际应用中得到了满意的效果。 b. 缺点：系统的组成模块相对较多,在进行系统调试时可能会出现较多问题，也提高了系统的成本,不适合仅仅只在日常生活中使用。

方案三：

系统设计思路：

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。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。

该设计的优劣：

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传感器差动放大电路A/D转换LED显示

a. 优点：系统由纯硬件电路实现，没有复杂的编程问题。每个模块的功能单一，在调试环节便于对每个模块进行测试，能够迅速找到出现问题的模块，制作工艺较简单。

b. 缺点：功能单一，仅能在日常生活中使用，缺少功能扩展性。

方案比较

c. 综上所述通过比较三套方案，方案一采用单片机控制，具有较好的系统扩展性，但是系统的模块较多，而且在对单片机进行编程是需要大量时间；方案二成本低、稳定性强、电路简单等特点，但是系统的组成模块相对较多,在进行系统调试时可能会出现较多问题，也提高了系统的成本,不适合仅仅只在日常生活中使用。方案三由纯硬件组成，不需要进行编程，工艺较简单。鉴于本实验仅要求实现一个普通功能的便携式电子秤，不要求有其它扩展功能。而方案一制作流程过于复杂，难以调试，且成本较高。所以不采用方案一。对于方案二，它的制作过程与方案三相比较为复杂。且功能模块也较多，没有方案三易于调试，成本也相对较高。所以这次实验采用方案三为最终的设计方案。

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。

（1）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）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：

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图4

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。由于考虑到电源的输出噪声，为了提高系统高稳定性，可选用REF5010芯片提供一个稳定的基准电压。

2．差动放大电路：

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，我们这里使用一种用途非常广泛的放大器，就是典型的差动放大器INA126AP。它只需高精度和几只电阻器，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：

图5 放大倍数的推导过程：I=Vo=(R8+R7+R8)I

Vi1Vi2 R7word文档 可自由复制编辑

=(1+

2R8)Vi， R72R8 R75V

则Avf=1+

放大电路与ICL7107的连线示意图如下：

∞ A1 R8=30K R8=30K V+ IN- R7= 5.1 K IN+ 1M RP3 Vref+ Vref- COM ∞ A2 Rp2 图6

放大器INA114AP原理框图如下：

图7 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度，信号预处理

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电路精度A/D转换器以及输出电路等。

本次实验采用ICL7107芯片实现A/D转换功能。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为0~2kg，称重传感器在2kg时的输出约为200mV。

图8

4．LED显示电路：

本设计中LED显示电路采用4个1位的共阳数码管，型号：LG5011BSR。数

码管资料如下图。

图9

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图10

五、总体电路原理图

六、系统调试

1. 检查电路，观察电路中是否出现焊点虚焊，粘连等现象，各条线路中是否存在断路，短路等情况。

2. 接通电源，用万用表测芯片座上相应管脚的电压，看是否符合要求；如果符合要求，再断电插入芯片。

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3. 在J5处加上跳线帽，连通电路，如果数码管显示1000（或其它在误差允许范围之内的数据），证明芯片7107工作正常。

4. 用万用表测芯片7107管脚36的电压，同时调节滑动变阻器R4，使电压表显示读数100mV。

5. 将J5处的跳帽移至J3处，调节Rw和R1，使数码管在传感器无形变的情况下显示为0。

6. 用万用表测J3处电压，同时往下按压力传感器，观察数码管读数变化是否正确，且与万用表读数一致。

七、系统测试

1. 测试方法

（1）将调试用的传感器取下，接入测试用传感器。

（2）调节Rw，使数码管在压力传感器上无砝码的情况下显示为0。 （3）在砝码盘上加上一个砝码（重400g），调节数码管R1，使数码管显示读数为400。

（4）在砝码盘上再加上一个砝码（共重800g）,观察数码管显示读数是否为800（或其它误差允许范围内的数据780~820g）。若不是则说明电路需要重新调试。 (5) 在砝码盘上继续加上一个砝码（共重1200g）, 观察数码管显示读数是否为1200（或其它误差允许范围内的数据1180~1220g）。若是则说明测试成功。 2. 测试数据 砝码重量/g 400 800 1200 数码管读数 398 801 1215 误差 0.50% 0.125% 1.25% 3. 误差分析 （1） 芯片本身存在误差。例如进行调试步骤3时，数码管显示的是1000左右，

而不是1000。

（2） 调试仪器精度误差。例如在进行调试步骤4时，管脚36上的电压实际为

104mv，与100mV存在微小误差。

（3） 压力传感器上的电阻形变有一定时延，从而导致输出数据不稳定，造成误

差。

（4） 电路焊接得不好，滑动变阻器存在误差，数码管示数经常跳动。 4.电路板实物图

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八、实验总结

通过这次实验，我深入了解并掌握了便携式电子称的原理和制作过程，对ICL7107，差动放大电路，电桥，传感器有了深入的了解。在这次试验中，我加强了焊接电路的能力，在对电路进行调试的时候，我了解了ICL7017各个管角的作用，加强了对电路的检错能力，尤其是对数码管的检错。通过这次实验，我还深刻的体会到了自身基础知识和实践能力的不足，所以这次实验让我获益匪浅。

最后感谢老师的悉心指导。老师辛苦了！谢谢老师！

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