体重秤设计.doc

人体体重秤设计
课程设计

北京信息科技大学
仪器科学与光电工程学院
测控0901林杰
2009010744

2012/6/20

本文介绍以AD620、LM741、LM339为核心的智能人体电子秤的设计,详述该系统硬件的设计方法。该系统集称重、显示、报警于一体,功能齐全,实用性强，充分利用了电路、模电、测控电路、信号处理等课堂上学到的知识。

目 录
一、系统设计及工作原理·························2
二、模块电路设计 ·····························4
1、称重传感器模块···························5
2、滤波及放大电路 ··························3
2-1仪用放大器的原理·························4
2-2四种放大器电路论证·····················6
2-3 AD620主要性能指证·······································8
2-4 调零电路······················································9
2-5放大部分电路·················································10
3、报警电路···························································11
3-1 LM339简介··················································11
3-2 LM339制作单限比较器····································11
3-3 LM339制作双限比较器····································12
3-4体重秤中使用的电路·······································13
3-5集电极开路输出原理 ·····································14
4、显示模块···························································16
三、完整电路图···························································17
四、数据测量及处理·····················································18
五、感想和总结··························································19

数字电子秤设计
测控0901 林杰2009010744
合作者：杨雪姣
【摘要】
本文介绍以AD620、LM741、LM339为核心的智能人体电子秤的设计,详述该系统硬件的设计方法。该系统集称重、显示、报警于一体,功能齐全,实用性强，充分利用了电路、模电、测控电路、信号处理等课堂上学到的知识。
关键词：AD620；传感器；液晶显示
一、系统设计及工作原理
本系统主要由称重传感器模块、滤波放大电路模块、报警电路模块、LCD显示模块等部分组成。人体的体重信息由称重传感器转换成电信号,并通过测量电路进行滤波放大,通过显示电路进行显示,如体重超出设定范围系统还会报警。
系统结构框图如下图所示。

二、模块电路设计
1、称重传感器模块
称重传感器是影响电子秤测量精度的关键部件。选用适当传感器,用来感知被测量,当物体放在秤盘上时,压力传给传感器,该传感器发生形变,从而使阻抗发生变化,电桥失去平衡,传感器输出一个变化的模拟信号。

如图所示，4个电位器式的传感器显示了称重传感器的大体构造。输出电压大约在0-1.5mv左右。已知传感器输出线性，我们所需要做的就是把它进行放大滤波，最终显示出来即可。
2、滤波及放大电路
目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于后续的电路。
2-1仪用放大器的原理
一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。
因此，我们打算仪用放大器来进行放大，目前，仪表放大器电路以其高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移等特点在传感器输出的小信号放大领域得到了广泛的应用。为此，我们设计了四种仪用放大器的方案。

如上图是一个典型的仪用放大器是三运放结构，它是由运放A1，A2按通向输入接法组成第一级查分放大电路，运放A3组成第二级差分放大电路。在第一级电路中，Vi1,Vi2分别加到A1和A2的同向端，Rg和R5、R6组成的反馈网络，引入了负反馈。由A1、A2虚短可得
Vi1=V2；Vi2=V3； ··························3.1
又由A1、A2虚断可得
·····················3.2
又由A3虚断可得
；整理得 ······3.3
；整理得 ······3.4
由A3虚短可得
V5=V6； ·················3.5
则由3.3式、3.4式和3.5式可得

整理后可得
··········3.6
在上式中，如果我们选取电阻满足 的关系，则输出电压可化简为
·····························3.7
根据式3.2和3.7我们可以得到
·················3.8
而我们为了是电路对称，提高仪用放大器性能，我们选取电阻应满足R5=R6的关系，且VREF通常接地，当我们对仪用放大器进行电路调零时，我们才会将VREF赋予一定电压，最终我们会得到输出电压的关系式为
·······················3.9
电压增益则为
························3.10
从该式中我们可直观的看到，我们可以根据选取R2/R1 和R5/Rg 电阻的比例关系，来达到不同的信号放大比例要求。所以电阻的选取也是仪用放大器设计最重要的环节之一。很多仪用放大器芯片，考虑到电路的稳定和安全，一般都固定R1~R6的阻值，只将Rg设置成可调。
2-2、四种放大电路的实现方案及论证
我们以单运放LM741和OP07，集成四运放LM324和单片集成芯片AD620为核心，设计出四种仪表放大器电路方案。
方案1 由3个通用型运放LM741组成三运放仪表放大器电路形式，辅以相关的电阻外围电路，加上A1，A2同相输入端的桥式信号输入电路，如图2所示。

图2中的A1～A3分别用LM741替换即可。电路的工作原理与典型仪表放大器电路完全相同。方案2 由3个精密运放OP07组成，电路结构与原理和图2相同(用3个OP07分别代替图2中的A1～A3)。
方案3 以一个四运放集成电路LM324为核心实现，如图3所示。它的特点是将4个功能独立的运放集成在同一个集成芯片里，这样可以大大减少各运放由于制造工艺不同带来的器件性能差异；采用统一的电源，有利于电源噪声的降低和电路性能指标的提高，且电路的基本工作原理不变。方案4 由一个单片集成芯片A13620实现，如图4所示。它的特点是电路结构简单：一个AD620，一个增益设置电阻Rg，外加工作电源就可以使电路工作，因此设计效率最高。图4中电路增益计算公式为：G=49．4K／Rg+1。

2-3、AD620主要性能指标
在和组员进行讨论以后，我们选择AD620作为使用的芯片。
AD620主要技术指标列表如下:
带宽: 800MHz;
输出功率: 2. 4mW;
功率增益:120dB;
工作电压: 正负3V-正负15V;
静态功耗: 0. 48mW;
输入失调电压: 小于等于60uV;
转换速率: 1. 2V/LS;
封装形式:DIP8;
工作温度范围: -55到+125摄氏度
AD620放大器的功能结构如下图：

该放大器的特点为, 差动输入, 单端输出。电压增益可由一个电阻RG来确定, 且增益连续可调, 并有效地解决了后级负载对地连接的问题。
其增益方程式为
　　G =49.4 kΩ/R G + 1 (1)
　　对于所需的增益, 则外部控制电阻值为
R G =49.4/（G - 1）kΩ (2)
其中，G是放大倍数，RG是连接在1管脚和8管脚的可调电阻。
2-4、调零电路
在没有人站在体重上的时候输出必须为0，为此，我们设计了一个调零电路，调零电路使用LM741芯片连接。实际电路如下图所示：

2-5、放大部分电路

初期我们将放大倍数设定为1000倍，所以把R8调至50欧，待接上显示电路以后再进行调整。
C1、C2的作用是去耦，C3是为了滤掉放大信号的高频部分。这些细节都是为了减少最终的输出噪声。
3、报警电路
为了增加体重秤的功能，我们还设计了报警电路。这里，我们选用四电压比较器LM339进行设计。
3-1、LM339简介
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：
1）失调电压小，典型值为2mV；
2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；
3）对比较信号源的内阻限制较宽；
4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；

6）输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块采用C-14型封装，下图为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等。

LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
3-2、LM339制作单限比较器

如图是一个由LM339设计的单限比较器，输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平UOH。
3-3、　LM339制作双限比较器（窗口比较器）
　　下图电路由两个LM339组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时（UR1输出为高电位（UO=UOH）。当Uin不在门限电位范围之间时，（Uin>UR2或Uin作用，像LM393、LM339等电压比较器，是集电极开路输出的，所以必须加上拉电阻，才能输出高电平。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
3-5、集电极开路输出原理
我们看集电极开路输出的结构。集电极开路输出的结构如图1所示，右边的那个三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路（左边的三极管为反相之用，使输入为“0”时，输出也为“0”）。对于图1，当左端的输入为“0”时，前面的三极管截止（即集电极C跟发射极E之间相当于断开），所以5V电源通过1K电阻加到右边的三极管上，右边的三极管导通（即相当于一个开关闭合）；当左端的输入为“1”时，前面的三极管导通，而后面的三极管截止（相当于开关断开）。

我们将图1简化成图2的样子。图2中的开关受软件控制，“1”时断开，“0”时闭合。很明显可以看出，当开关闭合时，输出直接接地，所以输出电平为0。而当开关断开时，则输出端悬空了，即高阻态。这时电平状态未知，如果后面一个电阻负载（即使很轻的负载）到地，那么输出端的电平就被这个负载拉到低电平了，所以这个电路是不能输出高电平的。
再看图三。图三中那个1K的电阻即是上拉电阻。如果开关闭合则有电流从1K电阻及开关上流过，但由于开关闭和时电阻为0（方便我们的讨论，实际情况中开关电阻不为0，另外对于三极管还存在饱和压降），所以在开关上的电压为0，即输出电平为0。如果开关断开，则由于开关电阻为无穷大（同上，不考虑实际中的漏电流），所以流过的电流为0，因此在1K电阻上的压降也为0，所以输出端的电压就是5V了，这样就能输出高电平了。但是这个输出的内阻是比较大的（即1KΩ），如果接一个电阻为R的负载，通过分压计算，就可以算得最后的输出电压为5*R/(R+1000)伏，即5/(1+1000/R)伏。所以，如果要达到一定的电压的话，R就不能太小。如果R真的太小，而导致输出电压不够的话，那我们只有通过减小那个1K的上拉电阻来增加驱动能力。但是，上拉电阻又不能取得太小，因为当开关闭合时，将产生电流，由于开关能流过的电流是有限的，因此限制了上拉电阻的取值，另外还需要考虑到，当输出低电平时，负载可能还会给提供一部分电流从开关流过，因此要综合这些电流考虑来选择合适的上拉电阻。
4、显示模块
上面说了，传感器的输出大概在0-1.5mv左右，经过我们的放大后可达0-2V。因为运放呈线性，所以我们采用老师提供的显示器进行显示，显示器有四个引脚，分别为s+，s-，u+，u-。其中s+接下图U0，s-和u-接地，s+接+5V电源。因为显示器能显示的电压范围为0-2V，我们直接把它显示为体重的公斤数，比如某同学60公斤，我们的显示器就显示为0.600v。这样就能巧妙地让我们看到自己的体重。

三、完整电路图(另附图)
四、数据测量及处理（用误差课堂上的知识处理，这里也不上传了）
五、总结和感想
这算是我们第一次自己动手设计，制作实物。虽然中间遇到了不少的困难，中间还被人拆干净过，但是我们重新整理思路，用一个上午的时间就把电路重新搭好，并能予以显示体重。
经过这次的课程设计，我学会不少东西，在跟队友探讨的时候总能发现自己思路的一些不足。从设计电路开始，我们总结了4种放大电路的设计，最终选择了AD620的方案，网上的资料繁多，但我们总是在进行理解后才应用到自己的电路中，避免了连好电路后出了问题都不知道问题出在哪里。在理论分析里，我们复习了以前学过电路里的很多知识，比如上拉电阻的计算和选择，三运放的计算，滤波，比较电路的设计等等。为了这次的课设我们还亲自去市场购买自己备用的元器件，常用工具和工具箱，便于以后自己能自己多实践。我认为这样一种形式的课设极大地锻炼我们的动手能力和分析问题的能力，在老师的帮助下，能学到不少实用的知识。也感谢刘老师、郑老师等的良苦用心，给我们这样锻炼能力，展示自己的机会。
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