用悬臂梁式称重传感器设计一个电子天平

用悬臂梁式称重传感器设计一个电子天平

1.设计思路

本实验采用悬臂梁式称重传感器，所称物体产生的压力由称重传感器检测，并由传感器测量电路转化为相应的模拟电信号输出。称重传感器输出的模拟量，数值一般很小，达不到A/D转换接收的电压范围。所以送A/D转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。然后输出信号再经由A/D转换电路转化为相应的数字量。由于本实验采用的ICL7107是3位半双积分型A/D转换器，能直接驱动共阳极LED数码管，故不需要使用单片机进行相应的数据处理和转换，ICL7107将模拟量转换为数字量之后直接将其转化成七段LED显示所需的字型码，输入到相应的信号电极就实现了所称物重数字量的输出。

2.设计方案

将电阻丝应变片粘贴到悬臂梁上合适的位置，并接入全桥测量电路，相对的桥臂受力相同，相邻的桥臂受力相反，其中一对受拉力作用，另一对受压力作用。由于电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，从而引起电压发生变化，即电桥的输出电压反映了相应的受力状态。利用电桥传感器测应力的变化，可以间接的测量物体的质量。传感器测出的信号经过放大电路放大处理成为符合A/D输入范围的电信号后进入A/D转换器，最后通过芯片内部电路将转换后的数字量转化为LED可识别的七段字型码送交LED显示器显示。 压力测量仪的原理在该称重系统的设计中有着极大的应用。其大概的原理框图主要由以下五个部分组成：传感器、传感器专用电源、信号放大系统、模数转换系统及显示器等组成。其原理框图如图1所示：

传感器 传感器供电电 图1 压力测量仪组成框图 放大系A/D转换 显示器 2.1称重式传感器

选择合适的满足要求的传感器是实验成功的关键，本实验选择CZL-1R称重传感器，其量程为3.0Kg，而要求的量程是0 ～ 1.999Kg，可见该传感器的超载能力为：150%，在一定范围内的超载情况下具有保护作用；灵敏度:1mV/V；温度灵敏度漂移：0.002%℃；输入阻抗：405±15Ω，输出阻抗：350±15Ω；激励电压：10V；工作温度范围：-20～+60℃。

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2.2传感器测量电路

称重传感器的测量电路通常使用电桥测量电路，它将应变电阻值的变化转换为电压的变化，这就是可用的输出信号。电桥电路由四个电阻组成，如图2所示：桥臂电阻R1，R2，R3和R4，其中两对角点AC接电源电压USL10V，另两个对角点BD为桥路的输出USC，桥臂电阻为应变电阻。

图2 传感器电桥测量电路

没有外界压力作用时，电桥平衡，则测量对角线上的输出USC为零。当传感器受到外界物体重量影响时，电桥的桥臂阻值发生变化，电桥失去平衡，则测量对角线上有输出，即

USC0。

2.3传感器供电电源

参考图2，设四个桥臂的初始电阻相等且均为R，当有重力作用时， 两个桥臂电阻增加△R，而另外两个桥臂的电阻减少，减小量也为△R。由于温度变化影响使每个桥臂电阻均变化△RT。这里假设△R远小于R，并且电桥负载电阻为无穷大，则电桥的输出为： USC= E*(R+△R+△RT)/( R-△R+△RT +R+△R+△RT)- E*( R-△R+△RT)/( R+△R+△RT +R-△R+△RT) = E*△R/（R+△RT） 即 USC= E*△R/（R+△RT）

说明电桥的输出与电桥的电源电压E的大小和精度有关，还与温度有关。如果RT0，则电桥的电源电压E恒定时，电桥的输出与△R/R成正比。当△RT≠0时，即使电桥的电源电压E恒定，电桥的输出与△R/R也不成正比。这说明恒压源供电不能消除温度影响。

另外，使用电压表监测传感器的供电电源(用数字万用表电压挡测量输出电压)，必须保证供给传感器的电压是恒定值，才能保证传感器的输出信号与被测量呈线性关系。

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2.4放大系统

首先，压力测量仪的放大系统是把传感器输出的微弱信号进行放大，放大的信号应能满足模数转换的要求。该系统使用的模数转换是3位半A/D转换，所以放大器的输出应为0V ～ 1.999V。要求灵敏度为1mV/V，其输出信号只有0 ～10mV左右；而A/D转换的输入应为0V ～ 1.999V，对应显示0 ～ 1.999Kg，当量为1mV/g，因此要求放大器的放大倍数约为200倍，一般运算放大器的放大倍数为100左右，故采用二级放大器阻容连接组成。 其次，为了准确测量，放大系统应保证输入级是高阻，输出级是低阻，系统应具有很高的抑制共模干扰的能力。在电路设计过程中需要考虑电路抗干扰环节及稳定性。尽量选择低失调电压，低漂移，稳定性高，经济性好的芯片。电源电压为±12V。

最后，考虑到温漂，失调电压，秤盘重量，称重过程中可能产生的电路冲击和震荡等影响测量精度的实际因素，电路中还应有调零和调增益的环节，在称重前对电子天平进行反复调零，以保证电子天平在没有称重时显示零读数；并且测压力时读数正确反映被测压力。

2.5模数转换及显示系统

传感器的输出信号放大后，通过模数转换器把模拟量转换成数字量，本实验中采用ICL7107三位半双积分型AD转换器来实现模数转换，芯片型号：ICL7107CPL；芯片封装：DIP40；该芯片的基本特点如下:

① ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMoS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1 个字。

② 能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN 。

③ 在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF 。

④ 能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。 ⑤ 输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。

⑥ 整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管就能构成一只直流数字电压表头。

⑦ 噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。 ⑧ 芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。

⑨ 设有一个专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数码管公共端接V+.

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⑩ 可以方便的进行功能检查。

因为ICL7107转换器能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，所以只要在该芯片上配接LED共阳极数码管就能构成满足要求的数字显示表。

3.单元电路设计 3.1传感器的测量电路图

传感器的测量电路如图2所示，这里再做一点补充说明。图中两对角点AC接标准电源电压USL10V，为保证测量的精度，可以对电压进行检测。另两个对角点BD为桥路的输出电压USC，桥臂电阻为应变电阻。四个桥臂的初始电阻相等且均为R，当有重力作用时，受拉的两个桥臂电阻增加△R，而另外两个受压的桥臂电阻减少，减小量也为△R。

传感器电桥测量电路

考虑温度影响，电桥输出信号为USC= E*△R/（R+△RT），由于电路中设置了调零旋钮，可在称重前先对天平进行调零再称量读数，故温度对测量精度的影响可降到最低。

3.2放大电路

根据要求，放大器的放大倍数应为200倍左右，故采用两级放大电路级联组成满足要求的放大器。第一级的放大倍数为-10，第二级的放大倍数为-20，即整个电路的放大倍数为200，具体参数参看图3。

其次，在电路设计过程中必须要考虑电路的抗干扰性能和稳定性，以及低失调电压，漂移等影响因素，于是在电路中设置了调整端子。图3中，在运算放大器的反相端接入电阻R4和电位器RP进行零点调整。为了准确测量，该放大系统的设计遵循了保证输入级是高阻，输出级是低阻的原则，系统具有很高的抑制共模干扰的能力；电源电压为±12V和±15V。

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具体的运算放大电路如下图所示：

图3 由分立原件组成的放大电路

3.3模数转换及显示电路

本实验中采用ICL7107三位半双积分型AD转换器来实现模数转换，它能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件。故较容易构成满足要求的数字显示表，如图4所示。对ICL7107的相关引脚功能做如下说明：V＋和V-分别为电源的正极和负极，a1-g1,a2-g2,a3-g3 依次对应从低到高前三位笔画的驱动信号，依次接各位LED显示器的相应笔画电极；Bck：最高位笔画驱动信号，接最高位LED显示器的相应笔画电极，驱动最高位显示0和1；PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端；Oscl-OSc3 ：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定，Fosl = 0.45/RC；COM ：模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连；TEST ：测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地；VREF＋ VREF- 是基准电压正负端；INT：27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件；IN＋和IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端；AZ是积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz ，应用在2V满刻度是0.047μF；BUF是缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。其输出级的无功电流( idling current )是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度为2V时选用470K。

ICL7107的各管脚及相关外接电路如图4所示：

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图4 ICL7107的引脚及外接电路图

3.3.1转换器ICL7107的工作原理

双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字量输出。

它的原理性框图如图5所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。 驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。控制器的作用有二个：第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使最高位显示“1\" ，其余码全部熄灭。锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED 。

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图5 ICL7106A/D转换器原理

3.3.2 A/D转换的测量周期

它的每个测量周期分为自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段 第一阶段：转换开始前（转换控制信号VL=0) ，先将计时器清零，并接通开关S0 ，使积分电容C完全放电；第二阶段：令开关S1合到输入信号V1一侧，积分器对V1进行固定时间Tl的积分，结果为：V=-T1V1/RC，该式说明，在Tl固定条件下V0与Vl成正比；第三阶段：向令开关S1转至参考电压VREF一侧，积分器反向积分。如果积分器的输出电压上升至零时，所经过的积分时间T2则可得，可得到T2=T1V1/Vref；令时钟脉冲CD的周期为Tc，计数器在T2时间内计数值为N得：T2=N·Tc ，代入上式得：N=T1Vi/TcVref；分析得T1,Tc和VREF固定不变，计数值N仅与VIN成正比，实现了模拟量到数字量的转变。

图6 ICL7107与LED接线电路图

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LED数码管与A/D转换器的连接如图6所示，ICL7107将七段显示码输出给LED并直接驱动LED显示，其中最高位只显示0和1，其余三位显示0-9各数。

完整的电路原理图如下所示：

图7 电路原理图

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3.3.3 A/D转化过程的时间分配

假设时钟脉冲频率为40KHz，每个周期为4000Tc,如图5所示，每个测量周期中三个阶段

工作自动循环。

图8 双积分型A/D转换器的电压波形图

各阶段时间分配如下： ①信号积分时间Tl用1000Tc 。

②信号反向积分时间T2用0一2000Tc ，这段时间的长短是由VIN的大小决定的。 ③自动调零时间T0用1000－3000Tc 。

从上面的分析可知，Tl 是待定不变的，但T2随VIN的大小而改变。因为：TT1C1000TCTC选基准电压VRFF = 100.0mv ,由：

TVTVICINREF 可得：VIN0.1N。

满量程时N=2000，同样由上式可导出满量程时VIN与基准电压的关系为：VIN=2VREF 。为了提高仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间Tl 为工频周期的整数倍。我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选T1=n×20ms。n= l,2,3……n越大，对串模干扰的抑制能力越强，但n越大，A/D转换的时间越长。因此，一般取Tl=100ms，即f0＝40KHz 。 由T0=2RC*1.1=2.2RC（T0为振荡周期），得

fo10.45。 2.2RCRC 由上式可知，当f0=40KHz时，阻容元件的选取并不唯一，只要满足要求即可。

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ICL7107主要参数如下表：

ICL7107 V+ to GND ICL7107 V- to GND 6V -9V V+ to V- V+ to V- 温度范围 热PDIP封装 电qJA(℃/W) 阻 MQFP封装 最大结温 最高储存温度范围 0℃ to 70℃ 50℃ 80℃ 150℃ -65℃to150℃ 电源电压 模拟输入电压 参考输入电压 4.课程设计小结

通过这个课题设计，我基本掌握了金属应变片组成的称重传感器的正确使用方法；了解了压力测量仪的工作原理及其在电子天平中的应用。在设计初期，没有一个整体的合理思路，包括要用到些什么器件也比较模糊。在对电子天平进行了详细的了解后，对设计中涉及到的原理有了一定的认识和理解。明确了整体思路以后，就开始着手单元模块的具体设计。这是设计成功的关键环节。在构思好能够实现所需功能的电路模块后，要根据课题要求，认真计算相关参数，根据实用性和经济性原则，选择抗干扰能力强，工作效率高，经济实惠的元器件来实现电路设计。其中传感器，运算放大器和A/D转换器以及LED显示器的选择是很关键的，要从众多同类芯片中筛选出经济实用的型号器件来是个破费力气但很必要的一个过程。

根据具体的设计要求，结合实际的使用环境，通过查阅相关资料，选择合适并且经济的元器件，计算相关参数，设计单元电路等环节，一步一步向设计课题接近，这期间遇到了许多实际问题，都是在理论学习中接触不到的，通过对这些问题的认识和解决，我学到了许多知识技能，提高了自己的动手能力，分析问题、解决问题的能力以及对各元器件的的选择筛选能力。

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