便携式电子称实验报告.docx
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便携式电子称实验报告
电子电路综合实验
总结报告
题目:
便携式电子称的设计
班级:
20130811
学号:
2013081104G
姓名:
杨文龙
成绩:
日期:
2016.3.20
一、摘要
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。
本次实验设计了三种实验方案,最终选定利用电阻应变式传感器、差动放大电路、A/D转换电路以及数码管搭建一个重力测量电路以达到称重目的。
关键字:
模拟电路、电阻式应变片、ICL7107、INA114AP、数码管显示
二、设计任务
2.1设计选题
选题四:
便携式电子称的测试与设计
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
方案一:
基于51单片机的便携式电子秤的设计
此方案利用传感器进行数据采集,再通过软件编程利用内部带有模数转换功能的单片机在进行模拟量与数字量的转换。
再通过51单片机的I/O口来控制数码管来显示出相应数值。
优点:
采用由此设计出的电子秤系统,硬件部分简单接口电路易于实现,在电路结构上只有简单的输出输入关系较方案一较简单,且对于后期的改进也比较方便。
缺点:
由于单片机需要利用内部寄存器来进行控制,因此需要懂得一些编程技术,且有一定的编程量,调试起来不方便。
所需要的工具过多,前期准备过多,比较繁琐。
基本原理图
方案二:
基于实际电路的便携式电子称的实现
首先利用压力传感器测出物质的重量信号。
其次,由运放组成的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,再将输出的数字信号经过编码器传送到显示电路,最后由显示电路显示数据。
基本原理图
优点:
该方案通过实际电路来实现电子称的功能,由纯硬件电路来搭建电子称,避免了利用单片机时需要编程的难题,后期的检查与调试也相对比较简便。
缺点:
模块过多,电路复杂,设计电路图也相对困难。
且连线过多,出现故障的几率增加,另外对于故障的排查也增加了一定的难度。
方案三:
利用集成电路实现便携式电子称的设计
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,由集成差动放大器INA114AP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转换集成电路ICL7107中,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。
优点:
由于利用了集成差放电路以及集成A/D电路,因而在电路结构上得到大大的简化,且该电子称纯由电路组成,不涉及单片机一类的编程技术,简单方便,便与后期排查错误。
缺点:
差放电路出虽得到简化,但LED显示模块采用的是单个共阳极的数码管组成,因而电路结构上还稍显复杂。
另外该设计方案由电路组成,功能单一,而且在功能改进的方面会在很大程度上受到限制。
由于是利用焊接来衔接各个模块,各个线之间容易碰触造成电路短接,从而影响整体的功能。
基本原理图
综合以上几种方案的比较,最终选定方案三来实现电子称功能的设计。
因为该方案不涉及编程技术,只需焊接实际电路即可,从而在前期准备以及后期调试与故障的排查上也较为方便。
另外该方案还采用了集成电路,因而在电路结构上得到了简化,故障出现的几率也较低。
四、电路单元参数的选定和设计实现
1、电阻应变式传感器的测量电路:
V+
V-
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。
2、差动放大电路:
本设计方案中采用仪用放大器INA114AP,其原理框图如上图。
其中1、8管脚所接的Rg改为5K滑动变阻器,便于后期调节放大倍数以显示出正确的数值,减小误差。
7管脚接+5V;4管脚接-5V;2、3管脚分别接上一模块输入的正极与负极;5、6管脚为输出,接入下一个模块,其中5管脚接地,作为下一管脚输入的负极
3、A/D转换电路
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,信号预处理电路精度A/D转换器以及输出电路等。
各个管脚的链接以及组成的电阻电容的值均在上述原理图
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
连接时将四个数码管的共阳级全接在一起接入+5V,其余管脚接入ICL7107相应的管脚上。
由于是3位半显示,所以A1~G1为个位数,A2~G2为十位数,A3~G3为百位数,则作为最高位B4与C4相连接入19管脚,G4接入20管脚表示其极性。
图4系统软件程序流程图
元器件清单如下:
五、装调测试过程
5.1测试仪器
(1)万用表
(2)电源:
EM1712DC(3)标准重物
2.传感器电路测试
通过外接压力传感器和调节平衡电路,用万用表测量传感器输出差分信号电压值,在无重物时,通过调节平衡电路,使得传感器输出差分信号(绿线和白线)电压为零。
3.差动放大电路测试
将上一模块接入差动放大电路中并放上一定重物,测量绿线和白线之间的输出电压以及差动放大电路的输出电压,并记录两者的的比值G。
然后断开电压,测量滑动变阻器的阻值。
重复上述步骤,多次测量,并绘制曲线,如下图:
所得曲线近似可看为一条双曲线的右半支,符合放大器的放大倍数的公式,因而该放大器正常。
4.A/D转换及显示电路测试
当ICL7107的36管脚与31管脚短接,将滑动变阻器调到适合位置,使LED显示屏显示的数值为1000,即相当于输入端加入100mV模拟电压,则表明该A/D转换器工作正常。
5.整体电路测试
整体测试时,将标准重物悬挂于传感器端,测试并记录下不同重量的测试值,测试时,用400g的物体进行标称,所得数据如表1所示。
表1测试结果
标准重量
400g
800g
1200g
测试数值
403
804
1199
相对误差
0.75%
0.5%
0.08%
从测试结果看符合标准,表明该电子称合格。
作品图与测试电路图如下:
36管脚为100mv时的数码管显示
标称图(标称重物400g)
测试图(800g)
测试图(1200g)
六、实验注意事项及主要可能故障分析
1、注意事项
a.注意LED采用共阳数码管,仔细看清楚其内部结构。
b.注意ICL7107与LED数据线的焊接。
c.注意LED最高位与ICL7107芯片的连接关系。
d.注意桥式电路连接关系。
2、主要可能故障分析
a.LED显示故障,确认LED是否完好或焊接是否正确。
b.A/D放大电路放大倍数的范围与输入信号的关系不满足要求时,调节变阻器不再起作用,显示电路超量程。
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