基于电阻应变式传感器的电子称的设计

职业技术学院课程 设计（论文）

基于电阻应变式传感器的电子称

的课程设计

姓 名： 指导教师： 专业名称： 所在系部：

2011年5月

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一、设计任务及要求： 设计任务： 完成一个简单的电子称的硬件电路部分和软件部分的设计 要 求： 1. 根据电路的要求选择电阻应变式传感器 2. 设计电路中要进行调试运行 3. 设计的产品计数器集成度要高、性能要稳定、计数要精 4. 能够对物体进行称重 指导教师签名： 2011年 3月 20日 二、指导教师评语： 指导教师签名： 2011年5月20 日 三 成绩 2011年6月 10 日

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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。

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目 录

1.数字电子秤的基本原理 ……………………………………………(5) 2.数字电子秤的构成 ……………………………………………………(5) 2.1传感器 ……………………………………………………………………(5)

2.2三运放大电路 ……………………………………………………………(6) 2.3间接比较型模式转换器AD ……………………………………………(7) 2.4 CT74LS290计数器介绍 …………………………………………………(9) 2.5 集成二进制—七段译码驱动器介绍……………………………………(10)

3.设计总结 …………………………………………………………………(12) 4.附录…………………………………………………………………………(13) 5.参考文献 …………………………………………………………………(16)

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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。

电阻应变式传感器输出信号 三运放大电路放大信号 A/D转换电显示电路 路 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。

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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

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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AD

（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AD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AD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：

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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。

t1Vi当t=t1时, V01(t1)Vidtt1

0RC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。

t2ViVREF V01(t2)V01(t1)VREFdt(t1)(t2t1)0

t1RCRCt1所以 T2t2t1Vi

VREF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，

T2t1Vi则N •TcTcVREF

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。

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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Q3输出一个下降沿使个位片计数 “1”， 因此输出读数为

Q3Q2Q1Q0Q3Q2Q1Q0Q3Q2Q1Q0=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”

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状态Q3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

Q3Q0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

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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

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3. 设计总结

1．通过这次课程设计，我对传感器设计基础知识复习了一遍，而且更重要的是

又学到了很多新的知识，获得了新的经验。我从中学会了如何去做设计，学会知道团队精神的重要性，在这次的课程设计当中，在一些材料的选用，与其它同学进行了交流，提高了自己的工作效率。

2．在如此短的时间。依靠个人能力是不可能完成如此繁琐的资料查找与收集的。所以，通过这次课程设计，加强了同学之间的交流，大大增进了我们班的凝聚力，协作的精神更强了。而且自己也学到了很多实际的有用的东西，相信对以后的工作一定会大有益处。

3．最后，在此对李棚老师的帮助表示深深的谢意。

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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 LT H H H H H H H H H H H H H H H H x H L RBI H x x x x x x x x x x x x x x x x L x D C B A 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 x x x x 0 0 0 0 x x x x H H H H H H H H H H H H H H H H L L H a b c d e f g 输出 备注 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 BI RBI LT 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 3 1 1 1 1 1 1 1 4

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5.参考文献

《传感器与自动检测》

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