数字电子秤数字电路课程设计说明书 - 副本 - 副本.doc

河南城建学院
电子技术基础课程设计报告

实用电子称

姓 名： 徐贵超
学 号： 091412132
专业班级： 0914121
指导老师： 樊晓虹
所在院系：电气与信息工程学院

2014年 06月 19日

摘要

本设计分五个模块：电源模块、数据采集及放大模块、模板（A/D)转换模板、自动换挡模块、显示模块。本电路应用压敏电阻构成秤重电桥来采集电压的微小变化，经过放大电路放大后送入A/D转换芯片CC7107，对输入电压信号进行转换成数字量输出；显示模块直接连接数码管构成，显示实际测量值。同时根据输出，自动判断出所加压力的大小来改变量程，实现自动换挡。外部电路非常简单，方便制作。
本课程设计的电子秤以乘法器为主要部件，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。CC7106 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。
本系统是针对是电子称的自动称重、自动计价、数据处理进行研究的。为了阐明用单片机是如何对采样数据进行处理，对数据的采集和转换、计算问题进行了研究。讨论了单片机控制系统中关键的中断、计算问题，结果表明通过软件设计实现更完善。本文在给出智能电子称硬件设计的基础上，详细分析了电子称的软件控制方法。由于单片机控制的电子称结构简单，成本低廉，深受人们的喜爱，本文将对此进行详细讨论。

目录

第一节 摘要..........................................2
1.1本设计的任务和主要内容..........................4
1.2基本工作原理及原理框图..........................4

第二节 硬件电路的设计................................5
2.1 电阻应变式传感器的选择.........................5
2.2 三运放大电路的设计.............................7
2.3 集成A/D转换器CC7106 ........................ 7
2.4 LED显示电路的设计.............................10
2.5 总体工作电路原理图....................11

第三节 电路元件列表....................................12

第四节 设计总结.........................................13

第五节 参考文献.........................................14

1.1本设计的任务和主要内容
设计任务： 设计一数字电子秤，其技术要求如下：
1） 测量范围：0-1.999kg 0-19.99kg; 0-199.9kg; 0-1999kg。
2） 用数字显示被测重量，小数点位置对应不同量程显示。
3） 具有自动切换量程功能。
1.2设计思路及原理框图
1.设计思路
1）用电子称称重的过程是把被测物体的重量通过传感器转换成电压信号。由于这一信号通常都非常小，需要进行放大，放大后的模拟信号经模/数变换转变成数字量，再通过译码显示器显示出重量。由于被测物体的重量相差很大，根据不同的测量范围要求，可由电路自由切换量程，同时，显示器的小数点数位对应不同量程而变化，即可实现电子称的要求。
2）称重的准确程度首先取决于传感器输出的信号，电子称的传感器通常使用电桥，它将应变电阻转变成电压信号或电流信号。
基本工作原理框图如图1.2-1所示：

图1.2-1基本原理工作框图
第二节 硬件的设计
2.1 传感器的选择
2.1.1 电阻应变式传感器的组成以及原理
电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。
电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：
A. 电阻丝温度系数引起的。
B. 电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。
对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也 会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。 滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。

全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uout＝KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

2.1.2 电阻应变式传感器的测量电路
常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—0.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。
桥式测量电路有四个电阻，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，我们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。

Rw1

图 2.1.2-1 全桥测量电桥图
它由电阻应变片电阻R1、R2R3、R4组成测量电桥，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右，测量电桥的电源由稳压电源Uin供给。将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V(2V档测量)或－0.200V。拿去托盘上的所有砝码，调节电位器R W4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。

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转换和数字采集的单片机系统中，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 2.2-1 三运放大电路结构图

2.3 CC7106 A/D转换器
CC7106为双积分式A/D转换器，它将数字电路和模拟电路集成在一块芯片上，为大规模集成电路。具有输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强、转换精度高等优点。可直接驱动液晶显示器。

2.3.1 CC7106的引脚功能
下图2.3-1为CC7106的电路结构图，图2.3-2为其外引脚排列图，各引脚功能说明如下：
Vdd、Vee：分别为电源的正、负端。单电源供电时，常取Vdd=9V。
a 1 ~ g1:个位笔段驱动端。
a 2 ~ g2：十位笔段驱动器。
a 3 ~ g3：百位笔段驱动器。
bc 4:千位b、c笔段驱动器。
PM:负极性显示输出端，接千位的g端，当PM为负值时，显示为负号。
BP：液晶显示器背面公共电极端，输出为50HZ方波。
VREF+、VREF-；基准电压的正负端。
CREF:基准电容端，在两个CREF之间接基准电容。
COM:模拟信号公共端。使用时，与输入信号负端及基准电压负端相连。
TEST：数字地和测试端，还用来测试显示器的笔段。
IN+、IN-：模拟电压输入端。
AZ：外接校零电容端。
BUF:外接积分电阻端。
INT：外接积分电容端。
OSC1~~OSC3：时钟振动器外接元件端。用以外接阻容元件或石英晶体组成振动器。

图2.3-2cc7106外引脚排列图

图2.3-1cc7106电路结构图
2.3.2 CC7106
A/D转换器CC7106主要由以下几部分组成：
（1） 模拟电路：主要包括组成积分器的运算放大器和过零比较器等。
（2） 分频器：将主震荡频率fosc 进行分频，从而获得技术频率fcp和液晶显示器背面电极的方波频率等。
（3） 计数器：个位、十位和百位都输出8421BCD码，千位只有0和1两个数码，所以，最大记数容量为1999。
（4） 锁存器：用以存放计数结果。
（5） 译码器：将锁存器输出的代码转换成驱动液晶显示器的七段字形码。
（6） 驱动器：内有异或门，可提高负载能力，产生合适的电平驱动液晶显示器。
（7） 逻辑控制：产生控制信号，协调各部分电路工作。
2.4 显示电路设计
如图所示为由A/D转换器CC7106组成的数字电压表，电源电压为9V。测量范围为：0-1.999kg; 0-19.99kg 0-199.9kg; 0-1999kg共四档。输入阻抗实际上为电阻分压器的总组织，即R1=R5+R6+R7+R8+R9=10MΩ。各挡量程由开关S1控制，

图2.4 部分显示电路
衰减后的电压Vx 为电压表输入的基本电压，并送到CC7106的IN +、IN- 端。如开关S1动端对地电阻为RX 时，则Vx =V1RX /R1。V1为V 1+ 和V1- 端输入的被测电压。图中，R1、C1为主振荡器的定时元件。R2和RP为基准电压VREF 的分压电路，用以调节VREF 的大小。FU为熔断丝、R3为限流电阻，它和C3组成输入滤波电路，用以提高电路的抗干扰能力和过载能力。R4、C5为积分电阻和积分电容，它和内部运算放大器构成积分器。C4为自动调零电容，C2为基准电容。R10、R11、R12、三个异或门和开关S2用以控制小数点。

2.5 总体电路结构图

2.5-1总体电路结构图

第三节 电路元件列表

元件名称
规格
数量（个）
电阻器
通用电阻
8
1 KΩ
5
1~2 KΩ
2
10 KΩ
2
7 KΩ
2
9 KΩ
1
56 KΩ
1
90 KΩ
1
900 KΩ
1
1MΩ
5
120 KΩ
1
24 KΩ
1
异或门
74LS86
3
二极管
IN4148
2
三极管
9014
4
单刀双掷开关
JKG1625701J
2
电容
100pF
1
0.1μF
1
0.01μF
1
0.47μF
1
0.22μF
1
直流电源
9V
1
15V
1

电路元件列表图

第四节：设计总结

本次设计用到了组合逻辑电路，A/D转换器，组合逻辑电路等已学基础逻辑数字电路，它既检验了我们的学习成果，也给我们提供了宝贵的实践机会，促进我们对数电这一门有趣 生动的电学专业课有了更深层次的理解和感悟。更是我们认识到数电这一门课程的博大精深。
传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次课设中的半桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的。因此，只有充分了解有关智能仪器、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。
本此设计就误差要求而言是0.001，因而选取的重力传感器因满足设计要求，在节省的原则下，尽量选取合适的重力传感器，做到既满足设计要求又不浪费资源。
其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，信号采集时需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。其次是对采集信号的数模转换。而这就需要用到A/D转换器。然后进行A/D转换，转换时同时应当注意，设计要求的称量重量和所选的A/D转换器之间的匹配关系，选好转换系数，做到数与转化量之间一一对应。

第五节

参考文献：
1、 《数字电子技术基础（第五版）》 阎石
2、 《数字电子技术基础简明教程》 余孟尝
3、 《数字电子技术课程设计教学的探索与实践》 张大平
4、 《电子线路实验》 浙江大学出版社
5、 《数字电路设计与制作》 科学出版社