For personal use only in study and research; not for commercialuse目录序言 (3)第1章任务和指标 (4)1.1 设计任务 (4)1.2设计指标 (4)第2章功能分析 (5)2.1系统总体框架图 (5)2.2各模块基本原理 (5)2.2.1采用应变片称重的基本原理 (5)2.2.2放大器的工作原理 (6)2.2.3 A/D转换的工作原理 (10)2.2.4 数码管显示的工作原理 (10)第3章硬件设计 (11)3.1 电路主要结构 (11)3.2 ±12V稳压电路 (11)3.3 两级放大电路 (12)3.4 A/D转换电路 (12)3.5 数字显示电路 (13)第4章软件设计 (14)4.1 总程序模块设计 (14)4.2 A/D电路模块设计 (14)4.3 拆字程序模块设计 (15)4.4 显示电路模块设计 (15)第5章安装与调试 (16)5.1 硬件调试 (16)5.2 软件调试 (16)5.3 综合调试 (16)5.4 故障分析与解决方案 (16)5.4.1 故障出现情况 (16)5.4.2 解决方案 (17)5.5 功能测试及结果分析 (17)总结 (19)参考文献 (20)附录 (21)附录1 (21)附录2 (23)附录3 (24)附录4 (24)附录5 (25)序言《孙子•算经》记载：秤之所起，起于黍，十黍为一累，十累为一铢，二十四铢为一两，十两为一斤。

称重技术自古以来就被人们所重视，在传说的皇帝“设五量”中，权衡既为五量之首。

夏禹的“声为吕，声为度，称以出”；“循守会稽，乃审权衡，平斗斛”等，均说明了在我国古代称重技术所处的位置和重要性。

在公元前，人们为了对货物交换量的估计，起初采用木材或陶土制作的容器作为交换货物的计量。

以后，又采用简单的秤来测定质量。

在19世纪后期，随着工业化的迅猛发展，出现了大量迅速称量散料物品的自动秤。

第一台定量自动秤约在1880年获得型式批准的，它是由倾斜象限杆秤发展来的。

每次约可称量500kg。

这种自动秤的称量过程分以下几个阶段：a，打开装满散料的容器；b，把散料输入到秤斗里进行称量；c，到达平衡位置时，关闭进料闸门；d，自动卸空料斗；e，秤斗和气动联动装置回到初始位置，自动地启动下一个称量程。

随着科技革命，传感器技术的迅速发展，单片机的出现，电子秤走进的人们的生活。

电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂，由粗糙到精密，由机械到机电结合再到全电子化，由单一功能到多功能的过程。

特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重，配料定量称重，以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。

这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量值的信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制与检验功能，从而推动工业生产和贸易交往的自动化和合理化。

近年来，电子衡器已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制之中。

现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术，储运技术，预包装技术，收货业务及商业销售领域中不可缺少的组成部分。

我国的衡器在20世纪40年代以前还全是机械式的，40年代开始发展了机电结合式的衡器。

50年代开始出现了称重传感器为主的电子衡器。

由于称重传感器各项性能不断有新的突破。

为电子秤的发展奠定了基础。

国外如美国，西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称重准确度的电子秤，并于70年代中期约对75%的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。

到目前为止，电子秤的发展方兴未艾，并向着群控，程控和智能化猛进。

第一章任务和要求1.1 设计任务1．利用multisim仿真软件，确定仪表放大器设计方案；2．进行电路参数即增益计算，元件数值选定；3．设计电路原理图；4．在印制电路板焊接电路；5．调试电路板，输出电压信号6．利用CSY-V9.1虚拟仪器采集测量电路的输出电压至电脑中，并分析数据。

7．编写课程设计报告。

1.2设计要求(1) 掌握金属箔式应变片的应变效应。

(2) 掌握单臂、半桥和全桥电路的工作原理和性能。

(3) 电路仿真与参数确定。

利用multisim仿真软件，确定仪表放大器设计方案；应用运放OP07设计三运放仪表放大器，确定电路元器件具体参数；(4) 制作电路板。

仪表放大器增益可调，放大倍数为1000~2000；应变电桥和放大电路应具有调零功能。

(5) 利用汇编或C51语言编写正确程序，调试电路板，采集放大器的输出电压，并显示。

(6) 考虑A/D分辨率为20mV，要求灵敏度不低于40mV/20g。

(7) 数据处理及分析。

利用CSY-V9.1虚拟仪器采集测量电路的输出电压至电脑中，确定系统线性度和灵敏度（最小二乘法），要求非线性误差小于1.50%。

(8) 编写课程设计报告，完成设计任务的期限为一个星期。

第二章功能分析2.1控制系统总体框架图利用传感器与检测技术实验室已有的应变式称重台，将四片应变片采用全桥形式接入测量电路，经过运放OP07组成的仪表放大器放大，再由串行模数转换芯片TLC549进行A/D转换，转换结果送入单片机AT89C51，通过同向门7407驱动四位数码管显示。

仪表放大器的输出需经采集卡采集，经过CSY9.0虚拟仪器软件分析，得到较好的线性度和灵敏度后，再送入AD芯片进行转换。

系统框图如图1所示。

图1 电子秤系统框图2.2各模块基本原理2.2.1采用应变片称重的基本原理电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。

当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转换成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。

应变片是最常用的测力传感元件。

当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。

通过测量电路，转换成电信号输出显示。

当具有初始电阻值R 的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化ΔR/R 。

在一定应变范围内ΔR/R 与ε的关系满足下式：R K R ε∆=式中，ε为应变片的轴向应变。

定义K=(ΔR/R)/ε为应变片的灵敏系数。

它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化ΔR/R 与其单向应力引起的试件表面轴向应变ε之比。

电阻应变片计把机械应变转换成ΔR/R 后，应变电阻变化一般都很微小，这样小的电阻变化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，把应变片计的ΔR/R 变化转换成电压或电流变化。

通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。

若将电桥四臂接入四片应变片，如图2所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。

在接入四片应变片时，需满足以下条件：相邻桥臂应变片应变状态应相反，相对桥臂应变片应变状态应相同。

可简称为：“相邻相反，相对相同”。

此时()()22o E R R E R R R U E R R R +∆-∆∆=-=全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时具有温度补偿作用。

除上述全桥电路外，还有单臂和半桥电路两种。

单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；当E 和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的图2 差动全桥电路大小无关。

本次实训采用全桥电路。

电桥供电电源为5V 。

2.2.2放大器的工作原理由于传感器的输出为微弱的低频差分信号,其电压幅度为微伏级，必须经过放大电路进行调理放大，再进行测量。

常用的放大电路可以由单运放放大器、双运放放大器、三运放放大器或直接由集成仪表放大器（如AD620、AD623）等构成。

下面以三运放构成的仪表放大器为例说明仪表放大器的工作原理及性能指标，运算放大器选择高精度运放OP07。

1）基本电路及放大原理V1OP1R2R2R3R3R4OP3R4R1OP2V2V1'V2'Vo图3 三运放电路原理图如上图，由运算放大器特性可知OP1：OP2：由分压原理可得)'('1221211V V R R R V V -++=)'('2121222V V R R R V V -++=故 2121121)1('V R R V R R V -+=1122122)1('V R R V R R V -+= 由于放大器OP3为差值放大器，可知)''(12340V V R R V -=所以其差值放大倍数为 )21(1234120R R R R V V V gain +=-=当要改变增益时，仅须调整可变电阻R1即可。

2）第二级放大电路的工作原理图4 第二级放大器原理图第二级放大电路其实是一个增益可调的同相运算放大器，其作用是把第一级放大电路输出的电压进一步放大，以满足需要，工作原理如下：设U4的输出电位为V*out ，输入第一级放大电路输出V out ，而可变电阻P2的实际有效接入部分的阻值为R P 。

对U4而言， —、+ 两端的电位应近似相等，即： out V V V =≈+-32而流过R 11 、R 12电阻上的电流I 11 、I 12可分别表示为： 1111211R V R V I out-=-=- ； P o u t o u t P o u t R R V V R R V V I +-=+-=-12*12*212又因为 01211≈+I I 所以整理后，可得：out P out V R R R V ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=1112*1 放大系数（增益）为：1112*21R R R V V K P out out ++== -15V+15VV*out R1210kR1010k R1110k P2W1032374618U4OP07Vout设电阻阻值分别为R11=10kΩ，R12=10kΩ，0≤RP≤10kΩ，则第二级放大电路的理论计算增益为：322112≤+=≤R R K P3）集成运算放大器OP-07OP-07有A 、D 、C 、E 各档，它是高精度运算放大器，具有极低的失调电压（10μV ）和偏置电流（0.7nA ），它的温漂系数为0.5μV/℃，OP-07具有较高的共模输入范围（±14V ），共模抑制比CMRR=126dB ，以及极宽的供电电流范围（从±3V 到±18V ），双电源供电。

AD OP-07的封装、管脚排列以及基本连接方式如下图所示，OP07一般不需要调零，如需调零，可在1和8管脚之间接一个电位器，阻值可为20k ，参见基本接法图。