数字电子秤简介

一．电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。

二. 数字电子秤的基本原理

数字电子秤一般由以下5部分组成：传感器、信号放大系统、模数转换系统、显示器、和量程切换系统。

电子秤的测量过程实际是通过传感器将被测物体的重量转换成电压信号.

电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。

尺寸：

三．实物图

使用特别注意：传感器属于精密部件，剧烈振动、自由落体、碰撞、过载、过压等等，都非常容易造成传感器永久损坏或者影响精度和线性，您如果对该部件没有一定的了解，请慎重购买。毕竟该部件比起电阻 电容 三极管等其它电子部件要脆弱的多。

四．性能指标

用逐差法求灵敏度为： 加ΔU 时：

S=△U0/△F=42.18/(50*9.8)=0.086（V/N） 减ΔU时：

S=△U0/△F=42.3/(50*9.8)=0.086（V/N）

用两个变量的统计计算法求输出电压U0和压力F之间的相关系数为： 加ΔU 时r=0.999956 减ΔU时r=0.999986

输出电压U0和压力F线性度比较好。

用逐差法求灵敏度为： 额定荷载为0g0Sv=△U0/ △U桥额定荷载为050gSv=△U0/ △U桥0额定荷载为0g0r=0.355335

输出电压U00额定荷载为50gr=0.999934 0

输出电压U0和供桥电压U桥线性度比较好。 额

U

01

荷

234

载

5678911E为

0g

时

01

：

定

额定荷载为50g时：

输出电压与工作电压关系特性图

180160140120100806040200

1

2

3

4

5

6

7

8

91011

E/V

输出电压与标准砝码的标称值的关系

相对误差：

mg=10g时，E=（10.04-10

）/10=0.4%

mg=20g时，E=（20.08-20）/20=0.4%

mg=30g时，E=（30.11-30）/30=0.37% mg=40g时，E=（40.09-40）/40=0.23% mg=50g时，E=（50.11-50）/50=0.22% mg=60g时，

E=（60.14-60）/60=0.23% mg=70g时，E=（70.13-70）/70=0.19% mg=80g时，E=（80.08-80）/80=0.1% mg=90g时，E=（90.13-90）/90=0.14% mg=100g时，E=（99.82-100）/100=0.18%

测量精度符合设计要求。

误差分析：1、在读取数字电压表的读数时的误差； 2、由于砝码不标准引起的误差；

3、由于环境因素如风吹动秤盘引起的误差。

U/mv

传感器电子秤

XX学院

课 程 设 计 书

专业（年级、班）

设 计 人

指 导 教 师

辅 导 教 师

2009 年 01 月 01 日（设计结束日）

课 程 设 计 任 务 书

班级（专业） 设计人

一、 课程设计题目： 电子秤

本设计要求：

1.秤重最大50kg。

2.电子显示，显示4位。

3.设计电源电压5V，误差5%。

4.误差0.1kg。

二、要求课程设计自 2008 年 12 月 29 日

至 2009 年 01 月 01 日

专业教研室主任 年 月 日

系、系主任签章 年 月 日

指导教师评语：

指导教师：

年 月 日

前 言

电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。

本课程设计的电子秤是利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，

建立具体的数学模型，将电压量纲V改为重量纲g即成为一台原始电子秤。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。

目 录

1.数字电子秤的基本原理 ?????????????????(1)

2.数字电子秤的构成 ????????????????????(1)

2.1传感器??????????????????????????(1)

2.2三运放大电路???????????????????????(2)

2.3间接比较型模式转换器ADC ?????????????????(3)

2.4 CT74LS290计数器介绍???????????????????(5)

2.5 集成二进制—七段译码驱动器介绍??????????????(6)

3.设计总结 ?????????????????????????(8)

4.附录????????????????????????????(9)

5.参考文献?????????????????????????(11)

数字电子秤简介

电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。

1. 数字电子秤的基本原理

数字电子秤一般由以下5部分组成：传感器、信号放大系统、模数转换系统、显示器、和量程切换系统。其原理图如图（1）所示。

图（1）

电子秤的测量过程实际是通过传感器将被测物体的重量转换成电压信号输出，放大系统把来自传感器的微弱信号放大，放大后的电压信号经过模数转换把模拟信号转换成数字量，数字量通过显示器显示重量。

2. 数字电子秤的构成

2.1 传感器

电子秤传感器的测量电路通常使用桥式测量电路，它将应变电阻值的变化转换为电压或电流的变化，这就是传感器输出的电信号。电桥电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，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，或则就有电压输出，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。

测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。

图（2） 全桥测量电桥图（其中V0输出为0~2mv）

激励电压: 9VDC～12VDC ； 灵敏度: 2±0.1mV/V

输入阻抗: 405±10Ω ； 输出阻抗: 350±3Ω 极限过载范围: 150% ； 安全过载范围: 120%

使用温度范围: -20℃～+60℃

2.2 三运放大电路

本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。在许多需要用A/D转换和数字采集系统中，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。

图（3）三运放大电路结构图

为使系统产生的误差更小，传统上，设计秤重、测力、转矩及压力测量系统时，输出的数据更精确广泛采用全桥接电阻传感器的方法。本设计采用全桥测量电路。大多数桥接传感器都要求较高的激励电压（通常为10 V），同时输出较低的满量程差动电压，约为2 mV/V。传感器的输出通常由仪表放大器加以放大。

2.3 间接比较型模式转换器ADC

（1）双积分ADC简介

间接比较型A/D转换器是先将模拟信号电压变换为相应的某种形式的中间信号，然后再将这个中间信号变换为二进制代码输出。双积分式ADC就是一种首先将输入的模拟信号变换

成与其成正比的时间间隔，然后再在这段时间间隔内对固定频率的时钟脉冲信号进行计数的A/D转换器，所获得的计数值就是正比于输入模拟信号的数字量。

双积分ADC电路由积分器、比较器、计数器、参考电压源、电子切换开关、逻辑控制及CP信号几部分组成，原理框图和积分波形如图（4）示。

图4-1原理图

图（4-2）积分波形图

图（5）所示为双积分ADC原理图，图中S0，S1为模拟开关，控制逻辑包括一个n为计数器，附加触发器Fc，模拟开关驱动电路L0，L1及门G1，G2等。

转换开始前，令转换控制信号Vs=0计数器和附加触发器均置0，S0闭合，电容器充分放电，V01=0。当Vs=1以后,S0断开，A/D转换开始。分下面两个阶段：

1) 通过2次积分将Vi转换成相应的时间间隔。转换开始时t=0,S1与Vi接通，

2) Vi通过R对C充电，积分器输出电压负向线性变化，积分器对Vi在0～t1时间积分。 当t=t1时,

式中，Vi为0～t1时的输入模拟电压的值。

3) 量化编码阶段。利用计数器对已知的时钟脉冲计数至t2，完成A/D转换。从t=t1开始，S1与参考电压—VREF接通，通过R对C反向充电，V01逐渐上升，经t2—t1时间间隔，V0=0。

所以

因为VREF和t1为定值，所以T2与Vi成正比，即将Vi变换为与它成正比的时间间隔。 在T2阶段，将CP（周期为Tc）送入计数器计数，

则

图（5）双积分A/D装换器原理图

由此可见，计数器计数所获得的数字量正比于输入模拟电压。

双积分A/D转换器工作波形如图（6）所示。它具有工作性能稳定的优点，输出数字量与积分器时间常数无关，对干扰（如工频干扰等）有很强的抑制作用，但该电路转换速度低。

图（6）双积分A/D装换器工作波形图

2.4 CT74LS290计数器介绍

由双积分A/D装换器转换出的数字脉冲进入CT74LS290计数器中进行计数进位计算其工作原理如下

当输入第 1 ～9 个脉冲时，百分位片计数；十分位片、个位片、十位片的 CP0 未出现脉冲下降沿，因而保持计数“0”状态不变；

当输入第 10 个脉冲时，百分位片返回计数 “0”状态，其 Q3 输出一个下降沿使十位片计数 “1”，因此输出读数为 Q3?Q2?Q1?Q0? Q3 Q2 Q1 Q0 = 00010000，即计数 “0.10”。 当输入第 11 ～ 19 个脉冲时，仍由百分位片计数，而十分位片保持 “1”不变，即计数为“11 ～ 19”；当输入第 20 个脉冲时，个位片返回计数“0”状态，其 Q3 输出一个下降沿使十位片计数“2”，即计数为“0.20”。以后以次类推。

当输入第101～109个脉冲时，十分位片计数；个位片的 CP0 未出现脉冲下降沿，因而保持计数“0”状态不变；

当第110个脉冲时，十分位片返回计数 “0”状态输出一个下降沿使个位片计数 “1”， 因此输出读数为

=000100000000，即计数“1.00”

当输入第111～119个脉冲时，仍由十分位片计数，而个位片保持 “1”不变，即计数为“111 ～ 119”； 当输入第120 个脉冲时，十分片返回计数“0”

状态输出一个下降沿使十位片计数“2”，即计数为“2.00”。以后以次类推。

由个位向十位进位时步骤和上面一样。

综上所述，该电路构成 10000 进制四位异步加法计数器。

图（7）计数器工作原理图

2.5 集成二进制—七段译码驱动器介绍

输出的信号分别进入集成二进制—七段译码驱动器中，集成二进制—七段译码驱动器的使用端BI/RBO、LT和RB的功能如下所述：

消隐（灭灯）：输入BI在低电平时有效。当BI为低电平时，不论其余输入状态如何，所有输出无效，数码管七段全暗，无显示。可用来使显示的数码闪烁，或与某一信号同时显示。在译码时，BI应接高电平或悬空（TTL）。

灯测试（试灯）：输入LT在低电平时有效。在BI/RBO为高电平的情况下，只要LT为低电平，无论其输入时什么状态，所有输出全有效，数码管七段全亮。可用来检验数码管、译码器和有关电路有无故障。在译码时，LT应接高电平或悬空（TTL）。

脉冲消隐（动态灭灯）：输入RBI高电平或悬空（TTL）时，对译码器无影响。在BI和LT全为高电平的情况下，当RBI为低电平时，若输入的数码是十进制的零，即0000，则七段全暗，不加以显示；若输入的数码不是十进制的零，则照常显示。

显示数码时，有些零可不显示。例如，003.80中百位的零可不显示，则十

位的零也可不显示。小数点后第二位的零，如不考虑有效数字的零称为冗余零。 脉冲消隐输入RBI为低电平，就可使冗余零消隐。

脉冲消隐（动态灭灯）：输出RBO和消隐输入BI共用一个管脚，当它用作输出端时，与RBI配合，共同使冗余零消隐。以3位的十进制的零是否要显示，取决于百位是否为零，有否显示。这就将要用图（8）电路中的RBO进行判断。在RBI和A3、A2、A1、A0全为低电平时，RBO输出低电平；否则，输出高电平。百位为零（及百位的A3、A2、A1、A0全为低电平），而且被消隐（及百位的RBI也为低电平），则百位的RBO和十位的RBI全为低（因为二者连在一起），其余数码照常显示。若百位不是零，或是未使零消隐，则百位的RBO和十位的RBI全为高电平，使十位数的零不具备消隐条件，而好其他数码一起照常显示。

我们在实验中采用的是用74LS48驱动共阴极数码管见图（8）

图（8） 74LS48驱动共阴极数码管原理图

74ls48引脚功能表—七段译码驱动器功能几设计总图见附录

3. 设计总结

4. 附录

74ls48引脚功能表—七段译码驱动器功能表十进数

或功能输入BI/RBO输出备注

LTRBID C B A abcdefg0HH0 0 0 0H111111011Hx0 0 0 1H01100002Hx0 0 1 0H11011013Hx0 0 1 1H11110014Hx0 1 0 0H01100115Hx0 1 0 1H10110116Hx0 1 1 0H00111117Hx0 1 1 1H11100008Hx1 0 0 0H11111119Hx1 0 0 1H111001110Hx1 0 1 0H000110111Hx1 0 1 1H001100112Hx1 1 0 0H010001113Hx1 1 0 1H100101114Hx1 1 1 0H000111115Hx1 1 1 1H0000000BIxxx x x xL00000002RBIHL0 0 0 0L00000003LTLxx x x xH11111114

5.参考文献

1. 吉祥等.《电子技术基础试验与课程设计》.北京.电子工业出版社2002.2

2. 瑞祥等.《数字电路识读》.浙江.浙江科学技术出版社.2005.8

3. 杨帮文.《新编传感器实用宝典》.北京.机械工业出版社.2005.4

4. 余孟尝.《数字电子技术基础简明教程（第二版）》.北京.高等教育出版社.2006.12

5. 科林等.《TTL高速CMOS手册》.北京.电子工业出版社.2004.5

6. 孙余凯等.《常用集成电路实用手册》.北京. 电子工业出版社.2006.1

7. 孙余凯等.《常用集成电路实用手册（续集）》.北京. 电子工业出版社.2008.1

8. 邱寄帆等.《数字电子技术实验与综合实训》.北京.人们邮电出版社.2005.9

13

课程设计说明书

电子传感器讲义

电子传感器

电子传感器是用来检测某给定物理系统的各种物理量的。 这些量可以是:

温度

光(光电)

磁场

应变

压力

位移和转动

加速度

热敏电阻

由半导体组成,在两引线之间带有能隙 E g (~1eV)

温度由如下公式给定:

???

?????=00exp T T R R ββ

其中, K

E g 2=

β

β的典型值在 3000K 到 4000K 之间

热敏电阻 2

热敏电阻的温度响应是非线性的, 这是一个问题。 可以借助微型计算机用样 条插值法或并联线性化来解决。

其中假设 0T T T ?=?很小

线性化使 β的灵敏度相应的减为原来的 。

电阻温度检测器

电阻温度检测器(RTD )是一种接近纯金属 制成的电阻。

温度增加时,电子扩散出金属晶格(lattice 原文误为 latice ) ,电子迁移率 μ减少。装置的电 导率为

()()T q n T μσ??=

其中 n 为电子密度。

在一个很大的温度范围检测器是线性的,但 是它的灵敏度只是热敏电阻的十分之一。

热电偶

热电偶根据塞贝克效应工作。两段不同成分的导体联在一起形成一个环路, 若两个接点温度不同,则在回路中产生电流。如下图所示:

热电偶的分类 热电偶的标准分类如下表

磁感应传感器——介绍

磁场传感器——磁通门磁力计

图中为 Vacquier 式磁通门磁力计的构造,中心的 线圈通以随时间变化的电流。

传感线圈两端的电压为:dt

d n V pickup Φ

= 其中 n 线圈匝数, Φ为磁通量。

在没有外加磁场(H sig =0)的情况下,传感线圈没 有磁通,因为它的两个绕阻的绕向相反。

注:

(磁通门同样基于法拉弟定律,通常是用两个铁磁材料制成的杆,但也可以是用一 次或二次绕组绕成的环或圈。这两个杆用一次绕组缠绕,以相反方向产生驱动磁场。频 率 f 的交流电在一次绕组中流动,在驱动磁场的作用下两个杆的磁化作用处于相反方向。 二次绕组测量两个杆产生的净磁通量。在未施加外部磁场时,假定两个杆和一次线圈是 相同的,则在二次线圈里的净磁通量为零。这样在此线圈中就不会有信号产生。当沿着 杆的轴线方向施加一个外部磁场时,其中的一个杆将先于另一个杆磁性饱和。磁通门的 输出是驱动频率 f 的第二谐波。施加一个小磁场时,第二谐波的波幅与施加的磁场成正比) 。

磁通门式磁力计 2

有外加磁场时,磁滞环(为了简单,图中画成闭合的)偏离原点, H ex 在两个 线圈中产生一个非零磁通,这个磁通不会使两个铁心线圈饱和。

当电流 I E 振荡时, V pickup 随着外加磁场的出现也发生振荡

磁通门式磁力仪 3

有外加磁场时,在

这个边缘处有一个

短暂的激励

别忘了,两个磁心的磁化方向相反,而外加磁场则只有一个方向。

注意,电流 I ex 变化一个周期要产生两个磁滞环,所以,传感器电流要调整到 二次谐波 频率。

磁场传感器——霍尔效应探测器

这是一种用得最多的磁场传感器。

当存在一个磁场时,根据下面的公式,洛仑兹力驱使载流子朝横向移动。

这便产生了一个横向电场 E H

磁感应传感器——霍尔效应探测器 2

平衡时,

B v E E q B v q H H ?=?=? 定义 v 为漂移速度,则偏流为

():n v l w q I ????=负载流子 ():p v l w q I ????=正载流子

这样霍尔电压 V H 可以写为

增量光轴编码器

* 一道光束照射圆盘,圆盘上有间隔均匀的狭缝,当光束穿过狭缝时,光探测 器检测到光信号,检测到的信号可以用来计算角度

位置

* 光检测器阵列是这样布置的:当一组可以看到光

时,另一组就不能。结果生成两种正交的数字信号,

它们可以用来决定转动方向。

* 码盘直径为 1到 2英寸,其上刻有 500到 2048

个狭缝

* 在设备中,它可以检测高于 10000rpms 的转速。

微型角速率传感器

1

微型角速率传感器

2

加速度计

加速度计 2

该系统运动的一般方程为:

其中, y m ,y b , 和 L 分别为总体位移,基础位移和弹簧的弹性形变量; a b (t)为加速度 (这正是我们所要确定的) 。

这个传感器直接读出了上面这个微分方程的解。而如果从微分方程出发,我 们需要把它解出来。实际上,如果事先知道 a b (t)的某些性质,如它是恒定的还是 振荡的,等等,求解会容易些。

位移检测器——线性可变差动变压器

LVDTS 代表线性可变差动变压器

它有两个传感线圈,分别绕在一个励磁绕组的两侧,如下图所示:

这两个传感线圈反向绕制,所以它们的感应电动势相减。

通过一个一端伸出传感器的推杆(没有显示出)把磁心和系统机械相连。

线性可变差动变压器 2

* 当磁芯位于中央位置时, V 1-V 2

=0

* V1-V 2的值随着磁心位置的变化而变化, 这是由于传感线 圈和励磁线圈之间的互感发生了变化。 (如果磁心向左移 动, V 1-V 2增加,变成正值。反之亦然) 。

* 输出调整在驱动励磁线圈的振荡电流的峰值。

* 通常,驱动电流的振荡频率为机械系统的 10%。 * 这种传感器是一个精密的仪器,而且非常可靠

结构示意图

线性可变差动变压器示意图

压电电阻装置

* 由半导体材料,比如硅制成。

* 加压使原子晶格变形,导致沿内部某一方向上的电流可以更加自由地流动。 * 电导率与应变张力有关。 适当安排电阻的排列方向, 使应力在一个方向上加到 电阻器上, 那么在这个方向上的电阻也随之改变。 可以按照下面的布局进行应力 测量。

压电电阻装置 2

? 灵敏度高所以它们很敏感

? 应力实际上是非线性的,对于硅可以近似为

24120εεδ+=R

R

: P型

210110εεδ+?=R

R

:N型

? 它的最大允许压力比金属箔型的装置小 10倍 ? 受温度影响很大

压力传感器

这是一种现代固态传感器, 它由一片硅薄膜制成。 压力加到薄膜上, 它就会发生 变形。这个形变由贴在薄膜上的应力传感器来测量。

压力传感器分类 用于压力测量的腔 /薄膜式传感器有四种主要类型

差压型 真空型 计量型 密封型

粘贴式金属膜传感器

在这种传感器中,电阻率不随应力改变

()v R

R

r 21+=εδ 用光刻方法把一片金属合金薄片刻成所要求的形状, 然后将它置于一个塑料 绝缘层上。

通常将金属刻成折叠型的,这样可以增加有效长度,从而增加了灵敏度。

粘贴式金属膜式传感器 2 无应力时

粘贴式金属膜片式传感器 3

典型的粘贴式传感器:

传感膜片长 10mm (1-2%应变) (实际尺寸 0.5mm ) v=0.3

R=120

?灵敏度系数 =2

5110?=ε

3104. 2?×=?∴R

或者,在 10V 电压下 , V V out μ50?=

应变传感器

定义纵向应变:

L

L L ?=ε

横向应变:

W

W

T ??=ε 这两个量之比的负值就是泊松氏比:

* 当 v=0.5时,在应力作用下体积恒定。 * 对金属, v 的典型值范围为 0.3-0.4

* 当 v<>

应变传感器 2

净电阻为:

A

L

R ρ

= 其中 ρ为电导率 电阻随着应力改变化。若 ρ不变,则满足简单关系式:

()ρ

δρεδ+

+=v l R

R

l 2

电阻应力计

灵敏度系数(G )是传感器的一个非常重要的参数,它定义为:

()ρδρεδ?++==l v l G l 2

传感器电子制作

基于89S52单片机设计的火焰检测

一、实验目的

（1）培养实践动手能力，熟悉开发项目流程，培养社交能力，开发思维。

（2）加深对各种传感器的认知和基本熟悉其工作原理。

（3）加深对电子类知识积累，会简单的编程实现简单的负载控制。

二、实验器材

（1）微型控制芯片：STC89S52单片机。

（2）主要传感器：火焰传感器。

（4）声音发生装置：有源蜂鸣器；及各类辅助电子元件。

三、实验原理

（1）微处理器控制芯片：STC89S52单片机

在STC89S52芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容C1、C2形成反馈电路，可构成稳定的自激振荡器，振荡频率通常是1.2~12MHz。若晶体振荡器频率高，则系统的时钟频率也高，单片机的运行速度也就快。可用于编程控制负载动作，是整个设计的心脏，也相当于人的大脑。其外观如下图1所示：

图1 STC89S52单片机

（2）火焰传感原理

原理：

火焰传感器:由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但总体来说，其对应火焰温度的近红外波长域及紫外光域具有很大的辐射强度,根据这种特性可制成火焰传感器。

功能说明：

火焰传感器是机器人专门用来搜寻火源的传感器，当然火焰传感器也可以用来检测光线的亮度，只是本传感器对火焰特别灵敏。火焰传感器利用红外线对对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接受管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器中，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理。

火焰传感器实物图如下图2所示：

图2 火焰传感器实物图

火焰传感器电路原理图如下图3所示：

图3 火焰传感器电路图

四、实验步骤

（1）制作最小系统控制单元

用单片机底座初步确定其项目构架,并由此开展外围硬件设计。将复位电路、时钟电路及微型控制单元相互搭建成基本系统，组成单片机最小系统，如下图4所示：

图4 最小系统

（2） 声控报警电路

当检测到有火焰存在时，声控电路将进行声音报警，同时发光二极管将发光，以提醒有关人员进行处理。声控报警电路有一个蜂鸣器构成，现实电路有一个发光二极管构成。

电路原理图如下图5：

图 5 声控报警电路

（3） 元器件清单

实验所需电子元器件如下表：

（4） 硬件实物图

硬件实物图如下图6：

图6 硬件实物图

图6 硬件实物图

五、实验操作代码

（1）相关声明

#include //库文件

sbit buzzer= P2^0;//定义蜂鸣器接至P2.0

sbit LED = P2^1;//定义发光二极管接至P2.1

sbit DO=P2^2; //定义单片机P2口的第3位 （即P2.2）为传感器的输入端

（2）延迟函数

/******************************************************************** 延时函数

*********************************************************************/

void delay()

{

unsigned int i;

for(i=0;i<>

}

（3）主函数

/******************************************************************** 主函数

*********************************************************************/

void main()

{

while(1) //无限循环

{

LED = 1;//关闭LED

buzzer = 1;//关闭蜂鸣器

if(DO= =0)//当检测到火焰时 ，执行条件函数

{

delay();//延时抗干扰

if(DO==0)//确定检测到火焰时 ，执行条件函数

{

LED = ~LED; //发光二极管发光

buzzer = 0; //蜂鸣器报警

delay(); //调用延时函数

}

}

}

}

六、实验总结：

在老师耐心的指导下，我顺利完成了这次火焰检测设计，通过这次的设计使我认识到本人对单片机、传感器方面的知识知道的太少了，对于书本上的很多知识还不能灵活运用，尤其是对程序设计语句的理解和运用，不能够充分理解每个语句的具体含义，导致编程的程序过于复杂，使得需要的存储空间增大。损耗了过多的内存资源。

本次的设计使我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应把所学的用到我们现实的生活中去，此次的传感器电子设计给我奠定了一个实践基础，我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己适应于以后的竞争，同时在查找资料的过程中我也学到了许多新的知识，在和同学

协作过程中增进同学间的友谊，使我对团队精神的积极性和重要性有了更加充分的理解。

最后，感谢老师对我的细心的指导，正是由于老师的细心的辅导和他提供给我们的参考资料，使得我的课程设计能够顺利的完成，同时在课程设计过程中，我们巩固和学习了我们的单片机、传感器知识。相信这对我以后的课程设计和毕业设计将会有很大的帮助！

传感器电子称

传感器与检测技术课程设计说明书 电子秤的设计与制作 院 部:

学生姓名:

指导教师:

专 业:

班 级:

完成时间:

简易电子称的设计及制作

1. 设计的任务与要求

设计任务:

用学过的传感器设计并制作一个能测量重量的装置,并能测量不大于 1KG 的物体,误差小于±1%。

设计要求:

(1)画出电路原理图(或仿真电路图) ;

(2)元器件及参数选择;

(3)编写设计报告并写出设计的全过程,附上有关资料和图纸,有心得体 会。

2. 方案设计

本设计分三个模块:数据采集及放大模块、模数(A/D)转换模块、显示模 块。 本电路应用压敏电阻构成秤重电桥来采集电压的微小变化, 经过仪表放大器 AD623组成的放大电路放大后送入 A/D转换芯片 ICL7107,对输入电压信号进行 转换成数字量输出; 显示模块直接连接数码管构成, 显示实际测量值。 外部电路 非常简单,方便制作。

3. 原理设计

本电子称电路时通过秤重电桥产生电压信号, 经放大电路把信号放大后输入 A/D转换芯片 ICL7107进行 A/D转换,由于此芯片可直接用于数字显示,故转换 后的数字量直接用数码显示器进行显示。 此方案的优点是外部电路非常简单, 但 同能实现较高的精度。缺点是无法对 A/D转换进行控制,其电路方框图如图 1:

图 1数字电子称方案框图

电阻应变式传感器的原理:电阻应变式传感器是将被测量的力,通过它产 生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组 成。

电阻应变片也会有误差, 产生的因素很多, 所以测量时我们一定要注意, 其 中温度的影响最重要, 环境温度影响电阻值变化的原因主要是:电阻丝温度系数 引起的,电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。

对于因温度变化对桥接零点和输出, 灵敏度的影响, 即使采用同一批应变片, 也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差,所以对要求精度较高的传感 器, 必须进行温度补偿, 解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自 动补偿片, 并从外部对它加以适当的补偿。 非线性误差是传感器特性中最重要的 一点。 产生非线性误差的原因很多, 一般来说主要是由结构设计决定, 通过线性 补偿, 也可得到改善。 滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。 由于粘合剂为 高分子材料, 其特性随温度变化较大, 所以称重传感器必须在规定的温度范围内 使用。

单臂电桥测量电路中,将一个应变片接入电桥对边,当应变片初始阻值:R 1

=R 2 =R

3

=R

4

, 其变化值 ΔR

1

=ΔR

2

=ΔR

3

=ΔR

4

时, 其桥路输出电压 Uo =U ΔR/R。 4. 电路设计

数字电子称从原理上讲应该算是一种典型的数字电路, 可以由许多中小规模

集成电路组成,所以可以分成几个独立的电路。

(1)电阻应变式传感器的测量电路

常规的电阻应变片 K 值很小,约为 2,机械应变度约为 0.000001— 0.001, 所以, 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, 其中任何一个都可以是电阻应变片电阻, 电桥的 一个对角线接入工作电压 +5V, 另一个对角线为输出电压 -5V 。 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, 或则就有电压输出, 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。

测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节, 我们在制作的过程中应尽 量选择好元件, 调整好测量的范围的精确度, 以避免减小测量数据的误差。 桥式 电路图如图 2所示:

图 2 桥式测量电路图

它由电阻应变片电阻 R 1 、 R

2

、 R

3

、 R

4

组成测量电桥, R

1

=R

2

=R

3

=R

4

=350Ω,

加热丝阻值为 50Ω左右,测量电桥的电源由稳压电源供给。将差动放大器调零, 合上电源开关,调节电桥平衡电位 RP ,使数显表显示 0.00V ,就可以称重,成为 一台原始的电子秤。

(2)放大电路

AD623是一个集成单电源仪表放大器, 它能在单电源 (+3V到 +12V)下提供满 电源幅度的输出。 它允许使用单个增益设置电阻进行增益编程, 以得到更好的灵 活性。符合 8引脚的工业标准配置。在无外接电阻条件下, AD623被设置为单增 益(G=1) 。在外接电阻后, AD623可编程设置增益,增益最高可达 1000倍。其 电路图如图 3所示:

图 3 放大电路

AD 623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CMRR )而保

持最小的误差。线路噪声及谐波将由于 CMRR 在高达 200HZ 时仍保持恒定。它有 较宽的共模输入范围, 可以放大具有低于地电平 150mv 共模电压信号。 它在双电 源 (2.5至 6V ) 仍能提供优良性能。 低功耗, 宽电源电压范围, 满电源幅度输出, 使 AD623成为电池供电的理想选择。 在低电源电压下工作时, 满电源幅度输出级 使动态范围达最大。 它可以取代分立的仪表放大器设计, 且在最小的空间提供很 好的线性度,温度稳定性很可靠性。

(3) A/D转化器

一个电子秤系统最重要的参数是内部分辨率、 ADC 动态范围、 无噪声分辨率、 更新速率、 系统增益和增益误差漂移。 该系统必须设计成比率工作方式, 所以它 与电源电压波动无关。

ICL7106和 ICL7107是高性能,低功耗三位半数字 A/D转电路。它包含七段 译码器,显示驱动器,参考源和时钟系统。 ICl7107可直接驱动数码管,具有低 于 10μV自动校零功能, 零漂小于 1μV/°C 低于 10pA 的输入电流, 极性转换误差 小于一个字。 由于两个输入端最大承受电压为 200mV 因此要实现最大值为 2000mV 的显示可以用以下分压形式(本设计所采用的) , ICL7107型 A/D转换器是把模 拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模的 CMOS 集成电路, 它具有功耗低、 输入阻抗高、噪声低,能直接驱动共阳极 LED 显示器,不需另加驱动器件,使转 换电路简化等特点。其电路图如图 4

所示:

图 4 模数转换电路图

由于所选用的芯片 ICl7107已经具有译码功能, 故在显示时只需要接上数码 显示器即可用于显示。管脚分布如下表 1所示:

表 1 ICl7107管脚说明

(4)数码显示电路

由于 A/D转化选择的 ICL7107, 所以显示部分直接接入四个共阳极数码管即 可,简单方便,容易操作。可以避免外接电路复杂的情况,同时也能很准确的显 示出当前物体的重量。其电路图如图 5所示 , 引脚图如图 6所示。

图 6 数码管显示电路图

图 5 一位一体数码管引脚图

5. 安装调试

按图 7连接电路图

图 7系统电路总原理图

将差动放大器调零,合上电源开关,调节电桥平衡电位 RP1,使数显表显示 0.00V ,就可以称重,成为一台原始的电子秤。

这个电路主要是由 AD623运算放大器及电位器 RP2组成的放大电路。通过 调节 RP2的值,就可以获得所需要的增益,配合 ICL7107提供的最大增益,可 以将输入信号放大到所需要的幅度。 选择运放时要注意, 由于输入信号的幅度很 小, 因此对运放的噪声性能和失调电压要求非常高, 应选择低噪声、 低失调的运 算放大器。

利用 ICl7107A/D转换器组装成 3.5位数字电路 , 外围元件的作用是:

(1) R2,C3为时钟振荡器的 RC 网络。

(2) RP3,R3是基准电压的分压电路。 R2使基准电压 VREF =1V

(3) R4,C5为输入端阻容滤波电路,以提高电压表的抗干拢能力,并能增 强它的过载能力。

(4) C6,C4分别是基准电容和自动调零电容。

(5) R5,C7分别是积分电阻和积分电容。

(6) ICL7107的第 21脚(GND )为逻辑地,第 37脚(TEST )经过芯片内 部的 500Ω电阻与 GND 接通。

(7)芯片本身功耗小于 15mW (不包括 LED ) ,能直接驱动共阳极的 LED 显示器, 不需要另加驱动器件, 在正常亮度下每个数码管的全亮笔画电流大约为 40~50mA 。

(8) ICL7107没有专门的小数点驱动信号,使用时可将共阳极数码管的公 共阳极接 V+,小数点接 GND 时点亮,接 V+时熄灭。

6. 总结

课题总结:

目前,电子秤正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。 ICL7107采用较小 的封装,尺寸很小,所需的外围器件也很少,满足了电子秤小型化的需求;其内 置各种控制寄存器和数据寄存器, 并且可以通过 SPI 接口方便地控制和读取这些 寄存器,满足了电子秤智能化的需求。因此 ICL7107是电子秤中模数转换器的 理想选择。

在电子技术的课程设计中, 我们花了大量的时间和精力进行资料查阅和方案 论证,结合自己所学,认真解决每一个功能模块中遇到的问题.有时,为了解决 一个具体问题,竟到了绞尽脑汁的地步。

在设计完各个功能模块之后, 我用 Protel99SE 绘图软件进行了各个模块的绘 制, 并最终绘制成一个总的电路原理图。 另外, 我还用仿真软件进行某些功能模 块的仿真, 收到了很好的效果。 但由于缺乏实践经验, 电路中还有些功能不够完 善,有写参数不够精确,而且抗干扰能力也不够好。

自己所学的书本知识应用到实处。 看到自己设计的功能电路能在仿真软件中 运行,我有了很大的成就感。另外,通过具体的操作,我掌握了各个功能模块的 接口设计方法,无论是在设计思想还是在动手能力上都有了很大的提高。

经验体会:

通过这几周的课设我经历了很多, 自从老师把题目公布让我们分组选择想要 做的题目,大家坐在一起分析题目,然后设计电路图,再做实物,在这个过程中 我们经历了很多,这一点点的我们都记在心里。

因为大二时我们有过课程设计的经历, 这给我们这次课程设计打下了很好的 基础。 我们在做电路原理图时一个模块的一个模块的设计和分析电路, 不懂的就 上网查资料或者查找相关的书籍,把脑中的一个个问号慢慢的都变成句号的时 候, 回过头看看, 自己学到了很多很多, 我很感激这次课程设计给我带来的收获, 那段时间真的很让我难忘。

经验是一点点的积累起来的,通过这次课程设计,给了自己些许的自信感, 不要一开始就认为不可以, 认为自己不行, 只要坚定信念, 再加自己的勤奋与努 力,一定会完成任务的。最想感谢的就是老师,是老师的精心的讲解与设计,是 老师的信任和对我们的施压, 我们才会挑战高难度的课题, 才会发现自己具有这 种实力。

参考文献:

[1] 贾伯年,俞朴 . 传感器技术 [M]. 东南大学出版社, 2000.

[2] 李道华,李玲,朱艳 . 传感器电路分析与设计 [M]. 武汉大学出版社, 2000. [3] 赵茂泰 . 智能仪器原理及应用 [J]. 电子工业出版社, 2004.

[4] 张晓东等 . 电工实用电子制作 [M]. 北京 : 国防工业出版社, 2005.

[5] 黄继昌等 . 实用单元电路及其应用 [M]. 北京 : 机械工业出版社 ,2008. [6] 余孟尝.数字电子技术基础简明教程 [M]. 北京 : 高等教育出版社, 2006. [7] 电子电路图网 . http://www.cndzz.com.

[8] 周志敏等 . 集成稳压电源电路图集 [M]. 北京 : 中国电力出版社 ,2008.

附录:电路 PCB 图

转载请注明出处范文大全网 » 电子秤传感器