數(shù)字電子秤數(shù)字電路課程設(shè)計說明書

1、數(shù)字電路課程設(shè)計說明書 題目：題目： 數(shù)字電子秤 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 李思標(biāo) 學(xué)學(xué) 號：號： 院院 （系）：（系）： 職業(yè)技術(shù)職業(yè)技術(shù) 學(xué)院 專專 業(yè)：業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 郭文強(qiáng) 2010 年年 7 月月 2 日日 目錄目錄 第一節(jié)緒論3 1.1 本設(shè)計的任務(wù)和主要內(nèi)容3 1.2 基本工作原理及原理框圖 第二節(jié)硬件電路的設(shè)計4 2.1 電阻應(yīng)變式傳感器的選擇4 2.2 三運(yùn)放大電路的設(shè)計6 2.3 集成 A/D 轉(zhuǎn)換器 CC71067 2.4 LED 顯示電路的設(shè)計9 2.5 總體工作電路原理圖10 第三節(jié) 電路元件列表11 第四節(jié) 設(shè)計

2、總結(jié)12 數(shù)字電子秤設(shè)計數(shù)字電子秤設(shè)計 第一節(jié)第一節(jié) 緒論緒論 本課程設(shè)計的電子秤以單片機(jī)為主要部件，利用全橋測量原理，通過對電路輸出電 壓和標(biāo)準(zhǔn)重量的線性關(guān)系，建立具體的數(shù)學(xué)模型，將電壓量綱（V）改為重量綱（g）即 成為一臺原始電子秤。其中測量電路中最主要的元器件就是電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng) 變式傳感器是傳感器中應(yīng)用最多的一種，本設(shè)計采用全橋測量電路，使系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差 更小，輸出的數(shù)據(jù)更精確。而三運(yùn)放大電路的作用就是把傳感器輸出的微弱的模擬信號 進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，以滿足 A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求。CC7106 A/D 轉(zhuǎn)換的作 用是把模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后把數(shù)

3、字信號輸送到顯示電路中去， 最后由顯示電路顯示出測量結(jié)果。 1.11.1 本設(shè)計的任務(wù)和主要內(nèi)容本設(shè)計的任務(wù)和主要內(nèi)容 設(shè)計任務(wù)： 設(shè)計一數(shù)字電子秤，其技術(shù)要求如下： 1） 測量范圍：0-1.999kg; 0-19.99kg; 0-199.9kg; 0-1999kg。 2） 用數(shù)字顯示被測重量，小數(shù)點(diǎn)位置對應(yīng)不同量程顯示。 3） 具有自動切換量程功能。 1.21.2 設(shè)計思路及原理框圖設(shè)計思路及原理框圖 1.設(shè)計思路 1）用電子稱稱重的過程是把被測物體的重量通過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號。由于這一信號 通常都非常小，需要進(jìn)行放大，放大后的模擬信號經(jīng)模/數(shù)變換轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，再通過譯 碼顯示器顯示出重量

4、。由于被測物體的重量相差很大，根據(jù)不同的測量范圍要求，可由 電路自由切換量程，同時，顯示器的小數(shù)點(diǎn)數(shù)位對應(yīng)不同量程而變化，即可實(shí)現(xiàn)電子稱 的要求。 2）稱重的準(zhǔn)確程度首先取決于傳感器輸出的信號，電子稱的傳感器通常使用電橋，它將 應(yīng)變電阻轉(zhuǎn)變成電壓信號或電流信號。 基本工作原理框圖如下： 第二節(jié)第二節(jié) 硬件的設(shè)計硬件的設(shè)計 2.12.1 傳感器的選擇傳感器的選擇 2.1.12.1.1 電阻應(yīng)變式傳感器的組成以及原理電阻應(yīng)變式傳感器的組成以及原理 電阻應(yīng)變式傳感器是將被測量的力，通過它產(chǎn)生的金屬彈性變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的元 件。由電阻應(yīng)變片和測量線路兩部分組成。常用的電阻應(yīng)變片有兩種：電阻絲應(yīng)變片和

5、 半導(dǎo)體應(yīng)變片，本設(shè)計中采用的是電阻絲應(yīng)變片，為獲得高電阻值，電阻絲排成網(wǎng)狀， 并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導(dǎo)線，線柵上面粘有覆蓋層，起保護(hù)作用。 電阻應(yīng)變片也會有誤差，產(chǎn)生的因素很多，所以測量時我們一定要注意，其中溫度的 影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是： A.電阻絲溫度系數(shù)引起的。 B.電阻絲與被測元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。 對于因溫度變化對橋接零點(diǎn)和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會因 應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進(jìn)行溫 度補(bǔ)償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動補(bǔ)償片，并從外部對 它加以適

6、當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點(diǎn)。產(chǎn)生非線性誤差的原因 很多，一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計決定，通過線性補(bǔ)償，也可得到改善。 滯后和蠕變是 關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以 稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。 圖 1.2-3 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖 全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，?dāng)應(yīng)變片初始阻值： R1R2R3R4，其變化值 R1R2R3R4時，其橋路輸出電壓 UoutKE。其輸 出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。 2.1.22.1.2 電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路電阻應(yīng)變式傳感器的測量電

7、路 常規(guī)的電阻應(yīng)變片 K 值很小，約為 2，機(jī)械應(yīng)變度約為 0.0.001，所以，電阻應(yīng)變 片的電阻變化范圍為 0.00050.1 歐姆。所以測量電路應(yīng)當(dāng)能精確測量出很小的電阻變 化，在電阻應(yīng)變傳感器中做常用的是橋式測量電路。 橋式測量電路有四個電阻，其中任何一個都可以是電阻應(yīng)變片電阻，電橋的一個對角 線接入工作電壓 U，另一個對角線為輸出電壓 Uo。其特點(diǎn)是：當(dāng)四個橋臂電阻達(dá)到相應(yīng) 的關(guān)系時，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計來測量，所以電橋能 夠精確地測量微小的電阻變化。 測量電路是電子秤設(shè)計電路中是一個重要的環(huán)節(jié)，我們在制作的過程中應(yīng)盡量選擇好 元件，調(diào)整好測量的范圍的精確

8、度，以避免減小測量數(shù)據(jù)的誤差。 圖 1.2-4 全橋測量電橋圖 圖 1.2-5 三運(yùn)放大電路結(jié)構(gòu)圖 它由電阻應(yīng)變片電阻 R1、R2、R3、R4 組成測量電橋，R1R2R3R4350，加熱 絲阻值為 50 左右，測量電橋的電源由穩(wěn)壓電源 Uin供給。將差動放大器調(diào)零，合上電 源開關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位 RW1，使數(shù)顯表顯示 0.00V。將 10 只標(biāo)準(zhǔn)砝碼全部置于傳感 器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器 RW3（增益即滿量程調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為 0.200V(2V 檔測量) 或0.200V。拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器 R W4（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為 0.0000V。重復(fù) 2、3 步驟的標(biāo)定過程，一直

9、到精確為止，把電壓量綱 V 改為重量綱 g，就 可以稱重。成為一臺原始的電子秤。 2.22.2 三運(yùn)放大電路三運(yùn)放大電路 本次課程設(shè)計中，需要一個放大電路，我們將采用三運(yùn)放大電路，主要的元件就是 Rw1 三運(yùn)放大器。在許多需要用 A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機(jī)系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器 輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿 足 A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。 圖 1.2-6 三運(yùn)放大電路結(jié)構(gòu)圖 2.32.3 CC7106CC7106 A/DA/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 CC7106 為雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器，它

10、將數(shù)字電路和模擬電路集成在一塊芯片上，為大 規(guī)模集成電路。具有輸入阻抗高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高等優(yōu)點(diǎn)?？芍苯?驅(qū)動液晶顯示器。 2.3.1CC71062.3.1CC7106 的引腳功能的引腳功能 下圖（a）為 CC7106 的電路結(jié)構(gòu)同， （b）為其外引腳排列圖，各引腳功能說明如下： Vdd、Vee：分別為電源的正、負(fù)端。單電源供電時，常取 Vdd=9V。 a 1 g1:個位筆段驅(qū)動端。 a 2 g2：十位筆段驅(qū)動器。 a 3 g3：百位筆段驅(qū)動器。 bc 4:千位 b、c 筆段驅(qū)動器。 PM:負(fù)極性顯示輸出端，接千位的 g 端，當(dāng) PM 為負(fù)值時，顯示為負(fù)號。 BP：液晶顯示器背

11、面公共電極端，輸出為 50HZ 方波。 VREF+、VREF-；基準(zhǔn)電壓的正負(fù)端。 CREF:基準(zhǔn)電容端，在兩個 CREF 之間接基準(zhǔn)電容。 COM:模擬信號公共端。使用時，與輸入信號負(fù)端及基準(zhǔn)電壓負(fù)端相連。 TEST：數(shù)字地和測試端，還用來測試顯示器的筆段。 IN+、IN-：模擬電壓輸入端。 AZ：外接校零電容端。 BUF:外接積分電阻端。 INT：外接積分電容端。 OSC1OSC3：時鐘振動器外接元件端。用以外接阻容元件或石英晶體組成振動器。 （a） （b） 2.3.2CC71062.3.2CC7106 A/D 轉(zhuǎn)換器 CC7106 主要由以下幾部分組成： （1） 模擬電路：主要包括組成積

12、分器的運(yùn)算放大器和過零比較器等。 （2） 分頻器：將主震蕩頻率 fosc 進(jìn)行分頻，從而獲得技術(shù)頻率 fcp 和液晶顯示器 背面電極的方波頻率等。 （3） 計數(shù)器：個位、十位和百位都輸出 8421BCD 碼，千位只有 0 和 1 兩個數(shù)碼， 所以，最大記數(shù)容量為 1999。 （4） 鎖存器：用以存放計數(shù)結(jié)果。 （5） 譯碼器：將鎖存器輸出的代碼轉(zhuǎn)換成驅(qū)動液晶顯示器的七段字形碼。 （6） 驅(qū)動器：內(nèi)有異或門，可提高負(fù)載能力，產(chǎn)生合適的電平驅(qū)動液晶顯示器。 （7） 邏輯控制：產(chǎn)生控制信號，協(xié)調(diào)各部分電路工作。 2.42.4 顯示電路設(shè)計顯示電路設(shè)計 如圖所示為由 A/D 轉(zhuǎn)換器 CC7106 組成

13、的數(shù)字電壓表，電源電壓為 9V。測量范圍為： 0-1.999kg; 0-19.99kg; 0-199.9kg; 0-1999kg 共四檔。輸入阻抗實(shí)際上為電阻分壓器的 總組織，即 R1=R5+R6+R7+R8+R9=10M。各擋量程由開關(guān) S1 控制， 衰減后的電壓 Vx 為電壓表輸入的基本電壓，并送到 CC7106 的 IN +、IN- 端。如開 關(guān) S1 動端對地電阻為 RX 時，則 Vx =V1RX /R1。V1 為 V 1+ 和 V1- 端輸入的被測電壓。 圖中，R1、C1 為主振蕩器的定時元件。R2 和 RP 為基準(zhǔn)電壓 VREF 的分壓電路，用以調(diào)節(jié) VREF 的大小。FU 為熔斷

14、絲、R3 為限流電阻，它和 C3 組成輸入濾波電路，用以提高電路 的抗干擾能力和過載能力。R4、C5 為積分電阻和積分電容，它和內(nèi)部運(yùn)算放大器構(gòu)成積 分器。C4 為自動調(diào)零電容，C2 為基準(zhǔn)電容。R10、R11、R12、三個異或門和開關(guān) S2 用以 控制小數(shù)點(diǎn)。 2.52.5 總體工作電路原理圖總體工作電路原理圖 第三節(jié)第三節(jié) 電路元件列表電路元件列表 元件名稱規(guī)格數(shù)量（個） 通用電阻8 1 K 5 12 K 2 10 K 2 7 K 2 9 K 1 56 K 1 90 K 1 900 K 1 1M 5 電阻器 120 K 1 24 K 1 異或門74LS863 二極管IN41482 三極管9

15、0144 單刀雙擲開關(guān)JKGJ2 100pF1 0.1F 1 0.01F 1 0.47F 1 電容 0.22F 1 9V1 直流電源 15V1 第四節(jié)第四節(jié)設(shè)計總結(jié)設(shè)計總結(jié) 隨著集成電路和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大變化，傳 統(tǒng)的儀器逐步的被智能儀器所取代。智能儀器的核心部件是單片機(jī)，因其極高的性價比 得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，從而加快了智能儀器的發(fā)展。而傳感器作為測控系統(tǒng)中對象信 息的入口，越來越受到人們的關(guān)注。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物，它是一種 能將特定的被測量信息（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號 輸出的器件或裝置本次課設(shè)中的半橋電子秤就

16、是在以上儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計而成的。因此， 只有充分了解有關(guān)智能儀器、單片機(jī)、傳感器以及各部分之間的關(guān)系才能達(dá)到要求。 首先是傳感器的精密度，它將直接影響電子秤的稱重準(zhǔn)確度。課設(shè)時由于傳感器發(fā) 出的信號不是很穩(wěn)定，所以稱重時誤差很大。如果使用精密度較高的傳感器，效果會好 的多。 其次是數(shù)據(jù)采集處理階段，此階段是對傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行量化、采集，主要分 為信號放大、采集，然后進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。該階段需注意的地方是對傳感器輸出的信號進(jìn) 行放大時，應(yīng)選取合適的運(yùn)算放大電路。最好是預(yù)先計算好應(yīng)放大的倍數(shù)，以便選取。 還有就是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，選取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系數(shù)，使輸出滿足量程要求。 數(shù)字電路數(shù)字電路課

17、程設(shè)計口試內(nèi)容課程設(shè)計口試內(nèi)容 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)號： 姓名：李思標(biāo) 題目： 數(shù)字電子稱 問題 1：總體方案的設(shè)計思路是什么？ 答：1）用電子稱稱重的過程是把被測物體的重量通過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號。由于這一 信號通常都非常小，需要進(jìn)行放大，放大后的模擬信號經(jīng)模/數(shù)變換轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，再通 過譯碼顯示器顯示出重量。由于被測物體的重量相差很大，根據(jù)不同的測量范圍要求， 可由電路自由切換量程，同時，顯示器的小數(shù)點(diǎn)數(shù)位對應(yīng)不同量程而變化，即可實(shí)現(xiàn)電 子稱的要求。 2）稱重的準(zhǔn)確程度首先取決于傳感器輸出的信號，電子稱的傳感器通常使用電橋，它將 應(yīng)變電阻轉(zhuǎn)變成電壓信號或電流信號。 3) 從電橋電路輸出的信號較微弱，必須進(jìn)行放大，放大倍數(shù)應(yīng)根據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的要求而 定。 問題 2：為何選用 CC7106A/D 轉(zhuǎn)換器？ 答：CC7106 為雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器，它將數(shù)字電路和模擬電路集成在一塊芯片上，為大 規(guī)模集成電路。