1 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：
图1 压力测量仪组成框图 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℃。
传感器 放大系A/D转换 显示器 传感器供电电 2
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VUSL10，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0USC。
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0RT，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。 3
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+. 4
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VUSL10，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。 5
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：