电子产品制作电子教材第6章

学习情境6电子秤的设计与制作项目6.1电子秤的电路设计学习要点:1.学习电子秤相关电路基础知识；2.学习电子秤电路的设计方法；6.1.1电子秤的基本知识1.电子秤的概述电子秤是采用数字电路实现标定物体重量并数字显示的计量装置。电子秤是人们日常生活不可缺少的电子产品，电子秤以其显示的直观性、应用的方便性、称重准确稳定而受到人们的欢迎，广泛应用于家庭、市场、码头、货场合等场合，给人们的生活、贸易、工作带来了极大的方便。由于数字集成电路的发展和单片机的使用，使得电子秤的精度、稳定度、称重范围远远超过了普通衡器。衡器的数字化在提高报时精度的同时，也大大扩展了它的功能，诸如超重自动报警、重量存储、价格计量、语音提示、货物影像等。电子秤从原理上讲可以应用晶体管分立元件实现；也可应用数字集成电路实现；亦可应用单片机或可编程控制器制作。电子秤除用一个显示窗口来显示所称物体的重量外，还应具有置零、去皮、标定功能。置零：在开机或称重过程中，仪表显示偏离零点且在称重范围内，则可按[置零]键，显示零值并零点指示灯亮。去皮：在称重显示状态下，按[去皮]键，则显示零值并去皮指示灯亮；在去皮状态下，拿掉皮重物时按[去皮]键，可以清除皮重值。标定功能：为保证仪器预定精度的可靠性和合法性，仪器必须定期校准，为用户提供一种方便的自动校准方式。电子秤的种类很多，有桌面秤、台秤、地磅和精密天平等。2．电子秤的组成（1）电子秤的基本结构电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：1）承重、传力复位系统它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。2)称重传感器即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。3)测量显示和数据输出的载荷测量装置即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。（2）电子秤的工作原理当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。(3)电子秤的计量性能电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。（1）量程：电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。（2）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。（3）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max=n•d（4）准确度等级国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如下所示：标志及等级电子秤种类分度数范围特种准确度基准衡器n100000高准确度精密衡器10000n≤100000中准确度商业衡器1000n≤10000普通准确度粗衡器100n≤10003.电子秤主要部件称重传感器称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误差的50%~70%。若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。(1)常用各种称重传感器称重传感器的种类很多，根据工作原理来分常用的有以下几种：电阻应变式、电容式、压磁式、压电式、谐振式等。电阻应变式称重传感器：是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力（重量）转换成电信号的转换元件。电容式称重传感器：是把被称物体重量转换为电容器容量变化的一种传感器，它是以各种不同类型的电容量作为转换元件，实际是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器由于它存在输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和称重精度的影响、传感器联接电路比较复杂等原因，直接影响到它的可靠性，所以限制了它的应用。近些年来由于集成电路特别是微处理技术的发展，可将电子线路紧靠传感器的极板以减小电缆分布电容的影响，并可利用微处理技术对电容式传感器的温度特性和非线性进行补偿，所以电容式传感器在电子称重技术中的应用又得到了重视，在国内已出现了可与电阻应变式传感器电子秤准确度相比的电容式台秤和电容式吊秤等产品。压磁式称重传感器：也称磁弹性传感器，它是一种力-电转换的无源传感器。它的工作原理是利用压磁效应，将被称重量的变化变换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号。压磁传感器具有输出信号大、抗干扰性能好、过载能力强、不均匀载荷对测量准确度的影响小、能在恶劣的环境中工作、结构简单便于加工等优点。缺点是准确度低、反应速度慢。它常用于冶金、矿山、运输等工业部门的承受大吨位，并要求牢固可靠、安全报警等测力或称重场合。谐振式称重传感器：也称频率式传感器，它是利用机械振子的固有频率或石英晶体的谐振特性，随着被称物体重量的变化而产生频率变化现象而形成的一种传感器。谐振式传感器可分为振弦式、振梁式、振膜式、振筒式、振管式和晶体谐振式等多种类型。在称重技术中主要采用的是振弦式称重传感器和振梁式称重传感器类的一种复合音叉振子传感器。(2)称重传感器的主要性能指标：1）传感器的输出灵敏度传感器在额定载荷作用下，供桥电压为1V时的输出电压，单位为（mV/V）。在任一载荷下，传感器的输出电压=所加载荷×供桥电压×输出灵敏度/额定载荷。2）非线性传感器承受载荷与其相应输出电压之间并非成完全的线性关系，由此而造成的误差称为传感器的非线性误差。3）不重复性在同一环境条件下，对传感器反复施加某载荷时，其每次输出的电压值不尽相同，这种现象称为传感器的不重复性。4）零点不平衡输出在传感器不受任何载荷条件下，传感器输入端以额定的供桥电压时的输出电压，称为零点不平衡输出。(3)称重传感器的选择传感器种类繁多，分类方式也千差万别，它们都有各自的特点，但在设计电子秤时，选择一种合适的传感器非常重要，传感器的性能在很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。称重传感器的选择主要从以下几个方面考虑。1）要考虑传感器所处的实际工作环境情况传感器所处的工作环境情况对如何选用传感器是至关重要的，它关系到传感器能否正常的工作，关系到传感器的安全和使用寿命，乃至关系到整个电子秤的可靠性和安全性。2）对传感器数量和量程的选择传感器数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。一般来说，秤体有几个支撑点就选用几只传感器，但是对于一些特殊的秤体，如电子吊秤，就只能采用一个传感器，一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。传感器量程的选择是依据秤的最大秤量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定传感器的量程。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感的载荷，其称量的准确度就越高，但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷的存在，因此在选用传感器量程的时候，要考虑诸如多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。3）传感器准确度等级的选择传感器的准确度等级概括了传感器的非线性、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。称重传感器已按准确度等级划分，且已考虑了0.7倍误差因子，非自动衡器称重传感器的准确度等级要选择与电子秤相对应的准确度等级。称重传感器按综合性能分为A、B、C、D四个准确度等级，分别对应于衡器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个准确度等级。(4)数字式称重传感器目前，我国大量使用和生产的多是传统的模拟式传感器，模拟信号的输出较小，以生产量最大的、采用电阻应变原理和称重传感器为例，一般最大输出为30~40mV，其信号易受射频干扰，电缆传输距离也短，通常在10m以内。在数字化技术广泛应用的今天，为解决其远距离传输和与数字技术、与计算机方便结合的问题，数字式称重传感器将得到了很大的发展。目前，同样是电阻应变式的数字化传感器，其输出信号可达4V，是模拟式传感器的100倍。强信号电缆传输距离可在150m，附加电源后则可超过600m。下面对数字式传感器的原理、优缺点等几个方面作些介绍。1）工作原理：数字式传感器将传感器电桥电路输出的模拟电压信号放大、滤波、经A/D转换后送入微处理芯片，利用芯片中存入的软件对传感器进行常规的补偿和调整，同时还进行一些非线性、滞后和蠕变等补偿，最后，通过RS-485通讯方式传送给仪表或计算机。2）数字式应变传感器的优缺特点采用数字化技术，模拟传感器采用的模拟方式调整传感器输出灵敏度、传感器零点输出、传感器阻抗等，现在都由CPU处理完成，数字化处理的准确度非常高，方便快捷。在传统传感器生产过程中，首先对传感器输出灵敏度温度特性和零点温度特性进行补偿。随后对传感器的输出灵敏度、零点输出及阻抗进行调整，这样会破坏原已补偿好的传感器温度特性。而采用数字化技术后，传感器的输出灵敏度及零点输出都由CPU数据处理完成，不会对原有的温度补偿性能有任何改变，且数字传感器阻抗是没有要求的，经数字化处理后的传感器的一致性是非常好的，精度可达万分之一。由于数字传感器的输出是数字信号，所以抗干扰能力强，传输距离远，没有模拟传感器的连接误差，更没有线路阻抗的温度变化造成的计量误差。6.1.2电子秤的设计方法步骤1.电子秤设计概述电子秤的设计，是根据设计目的、设计任务及要求等性能指标，正确地确定设计出整机电路的方框流程图，然后根据方框图设计各部分单元电路，由单元电路确定元器件型号、性能参数，从而合理的选择这些器件画出实用原理电路图的过程。2.电子秤设计步骤（1）确定目标：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出电子秤方框图。（2）系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。（3）参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数、型号。（4）总电路图：连接各模块电路。3.电子秤设计内容（1）传感器电路的设计：根据设计目的、设计任务确定选择传感器的类型并进行电路设计。（2）A/D转换器电路设计：根据设计的精度要求，选择A/D转换器的类型并进行电路设计。（3）处理显示部分电路的设计：处理显示电路部分的设计主要包括处理芯片、显示器件的选择以及外围电路的设计。（4）辅助电路的设计：根据设计任务要求确定电路设计的内容，主要包括打印接口电路、计价器电路、语音提示电路、存储器电路等的设计。4.电子秤电路设计举例设计一个电子秤，任务要求为：设计一种小型、简便、精确度高的电子平台秤，量程20K