电子秤电路设计与制作.docx

电子秤电路设计 与制作实验报告姓名：学号： 指导老师电子秤电路设计指导书一、实验目的：本实验要求学生设计并制作一个电子秤电路，要求能测量重量在0〜200g 间的物体，输出为电压信号，通过调节电路使电压值为对应的重量值，电压量纲 mv改为重量纲g即成为一台原始电子秤二、基本原理：基本思路总体设计思路如图 1 所示，所测重量经过转换元件转换为电阻变化，再经过测 量电路转化为电压变化，经过放大电路放大调节后输出显示得到所需信号图 1 基本设计思路电阻应变式传感器本设计主要通过电阻应变式传感器实现电阻应变式传感器是利用电阻应变片 将应变转换为电阻的变化，实现电测非电量的传感器传感器由在不同的弹性敏 感元件上粘贴电阻应变片构成，当被测物理量作用在弹性敏感元件上时，弹性敏 感元件产生变形，并使附着其上的电阻应变片一起变形，电阻应变片再将变形转 换为电阻值的变化应变式电阻传感器是目前在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中应用最广泛的传感器之一1、弹性敏感元件物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物 体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形具有弹性变形特 性的物体称为弹性元件。

弹性敏感元件是指元件在感受到力、压力、力矩、振动等被测参量时，能将其 转换成应变量或位移量，弹性敏感元件可以把被测参数由一种物理状态转换为另 一种所需要的物理状态2、电阻应变片对于一段长为L,截面积为S,电阻率为p的导体，未受力时电阻为R = pT，在外力的作用下，电阻丝将会被拉伸或压缩，导体的长度L、截面积S以及电阻率p等均将发生变化，从而导致其电阻值发生变化，这种现象称为“电阻 应变效应”利用金属或半导体材料电阻丝的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变的 敏感元件为在较小的尺寸范围内感受应变，并产生较大的电阻变化，通常把应 变丝制成栅状的应变敏感元件，即电阻应变片，通常由敏感栅、基底、盖片、引 线和黏结剂等组成测量电路电阻应变片把机械应变信号转换成电阻变化后，由于应变量及其应变电阻变化 一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理因此，必须采用转换电 路，把应变计的电阻变化转换成电压或电流变化，以便于测量具有这种转换功 能的电路称为测量电路电桥电路是目前广泛采用的测量电路，常见的直流电桥电路如图 2，图 2 直流电桥电桥输出电压为Uo=R1R3-R2R4R1、 R2、 R3、 R4 为四个桥臂，当一个臂、两个臂或四个臂接入应变片时，就 相应构成了单臂、双臂和全臂工作电桥。

下面分别就单臂、半桥和全桥电路进行 讨论1) 单臂工作电桥 图 3 单臂工作电桥如图 3 所示， R1 为电阻应变片， R2、 R3、 R4 为固定电阻应变片未受力时电 桥处于平衡状态，R1R3=R2R4,输出电压U0=0，当承受应变时，R1阻值发生变化， 设为R1+A R,电桥不平衡，产生输出电压为(/?1 + AR)R3 - R2R4U°=(R1 + 4R + R2)(R3 + R4) (式2)设 R1=R2=R3=R4=R,又△ R<

图5 全臂工作电桥 电桥不再平衡，输出电压为ARUo=U〒 （式 5） 由式知，全桥的电压输出是线性的，没有非线性误差问题，而且其灵敏度是单臂 的 4 倍，是半桥的 2 倍电子秤实验采用的是全桥测量电路，我们选取直流电源电压为8V所取的应 变片未承受应变时阻值R1=R2=R3=R4=350Q，当测量满量程200g物体时，测得 应变片阻值变化△ R大约在0.1~0.3Q之间（参见文章最后实验数据记录表1、AR表2）我们取△ R=0.2Q ,U=8V,则测量电路的输出电压为Uo=U^~0.0046V因为在实际电路中，应变片未承受应变时，电桥不一定处于完全的平衡状态， 即R1R3--R3R4不为零，输出Uo不为零，故在测量电路中加入滑动变阻器做调零 用，测量电路如图6所示图6 电子秤测量电路差分放大电路测量电路将应变计的电阻变化转换成了电压变化，由于所得的输出信号一般 都很微弱，如果在遇到干扰的时候可能会导致测量结果的错误，因此采集到电压 信号后，要对电压信号进行放大，滤波，增强系统的抗干扰能力，系统的稳定性 会有所提高，让显示的数据也更加准确先采用差分放大电路对电压进行放大，我们先讨论简单的差动放大器，如图7 所示,Vi1、Vi2为输入，Vo为输出。

图7 基本差动放大器输出电压R2 R2 R4Vo=- Vi1+（1+ ） Vi2 （式6）本实验中运算放大器采用OP07芯片，0P07芯片是一种低噪声，非斩波稳零 的双极性运算放大器集成电路由于OP07具有非常低的输入失调电压，同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等方面OP07管脚 图如图9所示图8 op07管脚图0P07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接负电源或接地, 5空脚6为输出，7接正电源该电路由三个运算放大器组成， Vo1、 Vo2 和 Vo 分别为三运放的输出电压 分析电路知流过R2、R1的电流相等，设为i，可以计算出理想的输出电压Vo.式7）（式 8）（式 9）式10）Vil -V12R1V =V +Rio1 i1 2V =V -Rio2 i2 2R4 R4 2R2—二 )(Vi1-Vi2)下面就各电阻应取阻值大小进行分析：前面已经计算过，当承重为满量程200g时应变片变化△ R取0.2Q，此时 测量电路输出电压Uo~4.6mV,即差分放大电路的差模输入V -V =4.6mV,而要求 的最终输出电压为200mV，故需将Uo放大40多倍。

由式（10）知差分放大电路,R4 2R2 R4 R2 * 八的放大倍数为 ），主要由药及厉■的值决定，但R1、R3太小会从集成运 放中获取太大的电流，太大的 R4、 R2 会增加电阻产生的噪声，故其放大倍数不 宜太大，我们可先通过差分放大电路将电压信号放大至100mV左右，再通过后续 的放大电路将其进一步放大以达到所要求值实验中取R2=R3=10kQ ,R4=51kQ , 而将R1用一个2kQ固定电阻和10kQ滑动变阻器Rb串联代替，即放大倍数为5.1（1+ ），可以通过改变Rb阻值来进行调节差分放大电路具有以下优点：1） 高输入阻抗被提取的信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号 源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗2） 高共模抑制比电路对共模信号几乎没有放大作用，共模电压增益接近零3） 低噪声、低漂移主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及 能够使输出稳定4） 电路的增益可以通过改变电阻R1阻值来调节二级放大电路电压信号经过差分放大电路放大后并不能满足预期要求，故需要将其进行进 一步放大，后续放大电路如图所示图 10 二级放大电路Vin为输入信号即差分放大电路的输出，Vout为输出。

式11)Vin - Vo Vo - VoutR2R1（R1 + R2Wo-R2VinVou t= （式 12）前面通过差分放大电路将电压信号放大至100mV左右，故需再将其放大约2倍, 取R2=20kQ，R1=10kQ，可以通过调节Rb使输出为200mV电子秤实验的整体电路见附图三、需用器件与单元：传感器、实验台、实验元件箱JP/ \固走埠过/ .加空芭•、、、固宜蛰昭四、实验步骤：电路调试与数据记录图 1 传感器托盘安装示意图1、将托盘安装到传感器上，如图1 所示 2、测量应变片的阻值：当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变 片 R1、R2、R3、R4 的阻值在传感器的托盘上放置10 只砝码后再分 别测量 R1、R2、R3、R4 的阻值变化，记录于表1-1、1-2 中，分析应 变片的受力情况（受拉的应变片：阻值变大，受压的应变片：阻值变 小）3、 设计测量电桥中各应变电阻的组合方法，计算出在土4V供电情况 下，测量电桥可能提供的最大电压变化量4、 电桥电路称重测量： 在未供电情况下，搭建测量电桥电路在土4V供电情况下，首先调节电桥零点，然后依次加减砝码两次，用电压表测量电桥电路的输出电压并做好实验记录。

实验数据记录于表2-1、 2-2中5、 在未供电情况下，搭建好仪表放大器电路及后面的放大电路注 意：元件选取，线路连接一定要正确特别是电源线更不能接错，以 免损坏实验设备6、 差动放大器调零：不要连接电桥电路，将放大电路的输入端短接 （及整体电路图中所标的 A B 点短接）将主机箱上的电压表量程切 换开关切换到 2V 档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放 大器的增益电位器Rb至合适位置（先顺时针轻轻转到底，再逆时针回 转1圈）后，再调节放大器的调零电位器Rc,使电压表显示为零7、 系统电路调零：关闭主机箱电源，按整体电路图接线（AB间接线 断开），将土2V〜土 10V可调电源调节到土4V档检查接线无误后合 上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器Ra,使主机 箱电压表显示为零8、 系统输出增益调节：将10 只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rb （见整体电路图）使数显表显示为0.200V（2V档测量）9、 重复 7、8 步骤的标定过程，一直到精确为止10、 系统称重实验：将 10 个 20g 砝码依次放在托盘上称重，结果记 录于表 3-1；再将砝码依次取下，结果记录于表 4-2。

放上笔、钥匙 之类的小东西称一下重量实验完毕，关闭电源五、实验记录表如下面格式：1、测量应变片的阻值表 1-1 第一组测量数值R1R2R3R4空量程时阻值/Q满量程时阻值/Q表 1-2 第二组测量数值R1R2R3R4空量程时阻值/Q满量程时阻值/Q表 1-3 第三组测量数值R1R2R3R4空量程时阻值/Q满量程时阻值/Q2、电桥电路称重测量（1）表2-1：将10个20g砝码依次放上托盘，记录输出电压数值砝码重量（g）020406080100120140160180200输出电压（mv）2）表2-2：将10个砝码依次取下，记录输出电压数值砝码重量（g）20018016014012010080604020。