測控電路電子秤課設(shè)報(bào)告

1、測控電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目 人體電子秤設(shè)計(jì) 院 系 儀器科學(xué)與光電工程 專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器 班 級 測控1102 學(xué) 號 2011010652 學(xué)生姓名 丁向友 指導(dǎo)老師 劉國忠 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 2014.06-2014.07 實(shí)驗(yàn)成績 目 錄一、課程設(shè)計(jì)目的及意義3二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)3三、總體方案設(shè)計(jì)3四、電路設(shè)計(jì)及調(diào)試44.1稱重傳感器電路44.2信號調(diào)理電路54.2.1放大電路5 4.2.2調(diào)零電路74.3比較電路74.4或非電路94.5顯示模塊104.6報(bào)警系統(tǒng)10五、電路調(diào)節(jié)10六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理116.1準(zhǔn)確性116.2穩(wěn)定性126.3關(guān)鍵點(diǎn)電壓13七、總結(jié)14八、參考文獻(xiàn)14

2、一、課程設(shè)計(jì)目的及意義測控電路課程設(shè)計(jì)是測控電路課程體系的一個(gè)重要組成環(huán)節(jié)，獨(dú)立實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是對測控電路理論部分的必要補(bǔ)充。課程設(shè)計(jì)內(nèi)容為典型測控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，通過課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生完成測控系統(tǒng)任務(wù)分析、電路總體設(shè)計(jì)、單元電路設(shè)計(jì)以及電路調(diào)試等各個(gè)環(huán)節(jié)。掌握有關(guān)傳感器接口電路、信號處理電路、放大電路、濾波電路、運(yùn)算電路、顯示電路以及執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)電路等內(nèi)容在測控系統(tǒng)中的使用方法。了解有關(guān)電子器件和集成電路的工作原理。在課程設(shè)計(jì)中，做到理論聯(lián)系實(shí)際，加深對理論知識的進(jìn)一步理解，提高分析問題和解決問題的能力。本課程設(shè)計(jì)以AD620、LM741、LM339為核心，進(jìn)行智能人體電子秤的設(shè)計(jì),并詳述該系統(tǒng)硬

3、件的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)集稱重、顯示、報(bào)警于一體,功能齊全,實(shí)用性強(qiáng)，充分利用了電路分析、模擬電路、測控電路、信號分析與處理、傳感器等課堂上學(xué)到的知識，有機(jī)的將所學(xué)到的知識融合在一起，投入到實(shí)際運(yùn)用中，便于對知識的綜合掌握及運(yùn)用。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)人體電子秤測量系統(tǒng)。 要求：1）基本要求最大稱重：150KG 用3位半數(shù)字顯示表頭顯示體重，輸入電壓范圍0-2V,當(dāng)體重大于W1時(shí)，點(diǎn)亮LED1，發(fā)出聲音提示；當(dāng)體重小于W2時(shí)，點(diǎn)亮LED2，發(fā)出聲音提示。2）提高部分提高線性度可以設(shè)置W1和W2;語音提示；自由發(fā)揮 三、總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要由稱重傳感器模塊、濾波放大電路模塊、調(diào)零模塊

4、、報(bào)警電路模塊、LCD顯示模塊等部分組成。人體的體重信息由稱重傳感器轉(zhuǎn)換成電信號,并通過測量電路進(jìn)行濾波放大,通過顯示電路進(jìn)行顯示,如體重超出設(shè)定范圍系統(tǒng)還會(huì)報(bào)警。圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖四、電路設(shè)計(jì)及調(diào)試4.1稱重傳感器電路稱重傳感器是影響電子秤測量精度的關(guān)鍵部件。選用適當(dāng)傳感器,用來感知被測量,當(dāng)物體放在秤盤上時(shí),壓力傳給傳感器,該傳感器發(fā)生形變,從而使阻抗發(fā)生變化,電橋失去平衡,傳感器輸出一個(gè)變化的模擬信號。圖2：傳感器電路圖如圖所示，4個(gè)電位器式的傳感器顯示了稱重傳感器的大體構(gòu)造。輸出電壓大約在0-1.5mv左右。已知傳感器輸出線性，我們所需要做的就是把它進(jìn)行放大濾波，最終顯示出來即可。4.

5、2信號調(diào)理電路4.2.1放大電路絕大多數(shù)的電子秤都采應(yīng)變式傳感器作為荷重變換器。這是因?yàn)閼?yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，精度高，非線性誤差小，量程調(diào)整容易等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的是平行梁式，這是一種根據(jù)彈性材料受到壓力后變形產(chǎn)生應(yīng)變，使粘貼在彈性材料上的應(yīng)變元件或壓縮或拉伸，引起應(yīng)變元件的電阻相應(yīng)變化。為了提高靈敏度，一般采用4個(gè)性能完全相同應(yīng)變元件構(gòu)成全臂差動(dòng)電橋，顯然,由應(yīng)變元件構(gòu)成全臂差動(dòng)電橋的輸出信是微弱的,必須通過信號放大才有讀數(shù)意義。經(jīng)過小組討論，決定使用一個(gè)單片集成芯片AD620實(shí)現(xiàn)。它的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，外加工作電源即可工作，設(shè)計(jì)效率高。圖3：AD620放大電路原理圖AD620主要

6、技術(shù)指標(biāo):帶寬: 800MHz;輸出功率: 2. 4mW; 功率增益:120dB;工作電壓: 正負(fù)3V-正負(fù)15V; 靜態(tài)功耗: 0. 48mW; 輸入失調(diào)電壓: 小于等于60uV; 轉(zhuǎn)換速率: 1. 2V/LS; 封裝形式:DIP8; 工作溫度范圍: -55到+125攝氏度圖4：放大電路AD620放大器的特點(diǎn)：差動(dòng)輸入,單端輸出。電壓增益可由電阻RG來確定,增益連續(xù)可調(diào)增益方程式為： G =49.4 k/R G + 1 G是放大倍數(shù)，RG是連接在1管腳和8管腳的可調(diào)電阻。 圖5：AD620放大器的管腳圖4.2.2調(diào)零電路當(dāng)沒有人站在體重稱上的時(shí)候輸出必須為0，為此，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)調(diào)零電路，調(diào)

7、零電路使用LM741芯片連接。圖6：調(diào)零電路4.3比較電路基于LM339芯片制作雙限比較器（窗口比較器） 利用兩個(gè)LM339芯片可以組成一個(gè)窗口比較器。當(dāng)被比較的信號電壓Uin位于門限電壓之間時(shí)（UR1<Uin<UR2），輸出為高電位（UO=UOH）。當(dāng)Uin不在門限電位范圍之間時(shí)，（Uin>UR2或Uin<UR1）輸出為低電位（UO=UOL），窗口電壓U=UR2-UR1。它可用來判斷輸入信號電位是否位于指定門限電位之間。 圖7：比較器電路LM339芯片集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為

8、2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；3）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。 圖8：LM339管腳圖LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于

9、輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。 第二段比較器設(shè)計(jì)電路第二段比較器的設(shè)計(jì)是為了在輸出電壓中，在電壓小于V1時(shí)蜂鳴器不響，及輸出電壓為低電平。所以調(diào)整電阻使得預(yù)支電壓為0.25V當(dāng)電壓小于0.25V時(shí)輸出為低電平。圖9：第二段比較器電路圖4.4或非電路只要輸出的電壓有一個(gè)低電平就輸出高電平，報(bào)警系統(tǒng)工作，所以在預(yù)設(shè)的三個(gè)電壓中，當(dāng)Vo小于0.30時(shí)電路輸出低電平，不報(bào)警，即電子秤上不站人。當(dāng)輸出電壓在0.30到0.5之間時(shí)，

10、輸出為高電平，報(bào)警，此時(shí)表明電子秤人的重量大于30Kg小于50Kg。當(dāng)電壓值在0.5到1.5之間時(shí)，電路輸出為低電平，不報(bào)警，可正常測量體重。當(dāng)電壓值大于1.5時(shí)，電路輸出為高電平，報(bào)警，表示超重。圖10：或非電路圖4.5顯示模塊傳感器的輸出大概在0-1.5mv左右，經(jīng)過我們的放大后可達(dá)0-2V。因?yàn)檫\(yùn)放呈線性，所以我們采用老師提供的顯示器進(jìn)行顯示，顯示器有四個(gè)引腳，分別為s+，s-，u+，u-。其中s+接下圖U0，s-和u-接地，s+接+5V電源。因?yàn)轱@示器能顯示的電壓范圍為0-2V，比如某同學(xué)60公斤，我們的顯示器就只能顯示為0.60。這樣就能巧妙地讓我們看到自己的體重。4.6 報(bào)警系統(tǒng)元

11、器件：蜂鳴器、LED燈 圖11：蜂鳴器外形圖蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。發(fā)光二極管簡稱為LED。由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）、硅（Si）等的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。 當(dāng)達(dá)到報(bào)警需要的條件時(shí)，比較器相應(yīng)輸出口輸出高電平，使二極管導(dǎo)通，然后使得蜂鳴器和LED燈工作。五、電路調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)要求1）調(diào)整AD620放大1000倍。2）將AD620輸入引腳

12、短接，調(diào)整調(diào)零電路，使AD620輸出為零。3）連接比較器，調(diào)整上下限。其中 上限：1.5V下限：0.5V 和 0.3V4）連接蜂鳴器，使LED正常工作。當(dāng)體重高于30kg且低于50kg，或高于150kg時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出鳴叫并且LED燈亮，其余時(shí)刻燈滅，蜂鳴器不工作。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理6.1準(zhǔn)確性由十位同學(xué)上稱測量體重（單位都為kg）標(biāo)準(zhǔn)體重（kg）45.649.950.351.954.155.864.266.570.678.2示值（v）45.950.150.351.955.157.165.267.371.178.4誤差0.30.20011.310.80.50.2 表1：體重測量記錄表1=

13、45.9-45.6=0.3 2 =50.1-49.9=0.2 3=50.3-50.3=0 4=51.9-51.9=0 5=55.1-54.1=1 6=57.1-55.8=1.3 7=65.2-64.2=1 8=67.3-66.5=0.8 9=71.1-70.6=0.5 10=78.4-78.2=0.2 =/2=0.8 圖12：體重測量比較圖經(jīng)由上圖經(jīng)分析，可以看出十名同學(xué)的實(shí)際體重與測量體重的誤差基本分布在-1.5kg1.5kg之間，并且不成線性關(guān)系，所以屬于是系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，可能是由于零點(diǎn)漂移導(dǎo)致。6.2穩(wěn)定性由兩位同學(xué)上稱5次測量體重，此同學(xué)標(biāo)準(zhǔn)體重為中間間隔分別為1、2、3、4分鐘，為了

14、測試系統(tǒng)穩(wěn)定性。 測量值 次數(shù)實(shí)際值 1 2 3 4 565.8kg67.1kg 67.3kg 67.2kg67.3kg67.4kg 60.3kg60.6kg 60.6kg60.7kg60.8kg60.6kg 表2平均值1=(67.1+67.3+67.2+67.3+67.4)/5=67.26平均值2=(60.6+60.6+60.7+60.8+60.6)/5=60.661= =0.1022= =0.08 圖13：穩(wěn)定性測量圖一 圖14：穩(wěn)定性測量圖二從圖中可以看出隨著時(shí)間的增長，測量的結(jié)果基本成升高趨勢，反映到電路中即零點(diǎn)漂移越來越高。誤差范圍分別為1.3kg1.6kg和0.3kg0.5kg，經(jīng)

15、過標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算，系統(tǒng)較穩(wěn)定。6.3關(guān)鍵點(diǎn)電壓無人稱重時(shí)，電路各點(diǎn)電壓：傳感器輸入：0V調(diào)零電路輸出：0.002V放大電路輸出：0V基準(zhǔn)電壓上限：1.500V基準(zhǔn)電壓下限：0.502V七、總結(jié)電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質(zhì)量（重量）的測量儀器，也可用來確定與質(zhì)量相關(guān)的其它量大小、參數(shù)、或特性。基本由承重、傳力復(fù)位系統(tǒng)、稱重傳感器、測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置三部分組成：承重、傳力復(fù)位系統(tǒng)被稱物體與轉(zhuǎn)換元件之間的機(jī)械、傳力復(fù)位系統(tǒng)，又稱電子秤的秤體，一般包括接受被稱物體載荷的承載器、秤橋結(jié)構(gòu)、吊掛連接部件和限位減振機(jī)構(gòu)等。稱重傳感器是由非電量（質(zhì)量或重量）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它是把支

16、承力變換成電的或其它形式的適合于計(jì)量求值的信號所用的一種輔助手段。對稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應(yīng)，并有良好的線性關(guān)系；有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態(tài)的影響要??；能在較差的工作條件下工作；有較好的頻響特性；穩(wěn)定可靠。測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置即處理稱重傳感器信號的電子線路包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電流源或電壓源、調(diào)節(jié)器、補(bǔ)嘗元件、保護(hù)線路等和指示部件如顯示、打印、數(shù)據(jù)傳輸和存貯器件等。這部分習(xí)慣上稱載荷測量裝置或二次儀表。在數(shù)字式的測量電路中，通常包括前置放大、濾濾、運(yùn)算、變換、計(jì)數(shù)、寄存、控制和驅(qū)動(dòng)顯示等環(huán)節(jié)。這算是我們第一次自己動(dòng)手設(shè)計(jì)制作實(shí)物。雖然中間遇到了不少的困難，但是我們認(rèn)真分析遇到的問題，一步步地分析，最終在老師的幫助下，圓滿完成了課設(shè)任務(wù)。經(jīng)過這次的課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)不少東西，在跟隊(duì)友探討的時(shí)候總能發(fā)現(xiàn)自己思路的一些不足。從設(shè)計(jì)電路開始，我們商量放大電路的設(shè)計(jì)，最終選擇了AD620的方案，網(wǎng)上的資料繁多，但我們總是在進(jìn)行理解后才應(yīng)用到自己的電路中，避免了連好電路后出了問題都不知道問題出在哪里。在理論分析里，我們復(fù)習(xí)