电子称设计与制作

学习情境2电子称设计与制作任务2电子秤的设计与制作金华职业技术学院信息工程学院主要内容设计要求1仿真设计2软件设计3实物制作4金华职业技术学院信息工程学院设计步骤12354任务分析确定方案仿真设计软件设计系统调试6实物制作金华职业技术学院信息工程学院1、设计要求设计一种小型、简便、精确度高的电子平台秤，量程20Kg，分度值为20g，它用一个显示窗口来显示所称物体的重量。基本功能：置零、超重报警可选功能：去皮、标定金华职业技术学院信息工程学院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。金华职业技术学院信息工程学院电子秤的组成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：图2-1电子秤的基本结构金华职业技术学院信息工程学院（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。金华职业技术学院信息工程学院电子秤的组成(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。金华职业技术学院信息工程学院电子秤的组成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。金华职业技术学院信息工程学院电子秤的组成(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。金华职业技术学院信息工程学院图2电子秤测量系统的结构框图金华职业技术学院信息工程学院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。金华职业技术学院信息工程学院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金华职业技术学院信息工程学院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，如下表2-2所示：金华职业技术学院信息工程学院电子秤主要部件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。金华职业技术学院信息工程学院常用的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。金华职业技术学院信息工程学院①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，然后以适当的方式组成电桥，将力（重量）转换成电信号的转换元件。金华职业技术学院信息工程学院②电容式称重传感器是把被称物体的重量转换为电容器容量变化的一种传感器，它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。由于电容式传感器存在输出特性的非线性，寄生电容、分布电容对灵敏度和称重精度的影响，传感器连接电路比较复杂等问题，直接影响到它的可靠性，所以限制了它的应用。金华职业技术学院信息工程学院③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，将被称重量的变化转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，承载能力强，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、运输等工业部门的这种要求承受大吨位，并要求牢固可靠；安全报警等测力或称重场合。金华职业技术学院信息工程学院④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产生频率变化现象而形成信号的一种传感器。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。金华职业技术学院信息工程学院电阻应变式称重传感器电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件，利用它可以将测得的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计，它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。金华职业技术学院信息工程学院在电阻应变式称重传感器中，通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。电阻应变式称重传感器的工作原理框图如图3所示。图2-3电阻应变式称重传感器的工作原理框图金华职业技术学院信息工程学院图4桥式测量电路电阻应变式称重传感器的桥式测量电路如图4所示。R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。金华职业技术学院信息工程学院当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片将不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+R1、R+R2、R+R3、R+R4时，电桥的输出电压变为：金华职业技术学院信息工程学院电桥的输出电压和4个桥臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，R1、R3为正值，R2、R4被压缩，阻值减小，R2、R4为负值，再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即金华职业技术学院信息工程学院A/D转换器（ADC）在实际的测量和控制系统中检测到的是时间、数值都连续变化的物理量，这种连续变化的物理量称之为模拟量，与此对应的电信号是模拟电信号。模拟量要输入到单片机中进行处理，首先要经过模拟量到数字量的转换，单片机才能接收、处理。实现模/数转换的部件称A/D转换器或ADC。金华职业技术学院信息工程学院随着大规模集成电路技术的飞速发展和电子计算机技术在工程领域的广泛应用，为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换电路不断产生。目前世界上有多种类型的ADC，有传统的积分型、并行、逐次逼近型ADC，压频变换型ADC，也有近年来发展起来的△－∑型和流水线型。多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体要求。低功耗、高速、高分辨率是新型的ADC的发展方向。金华职业技术学院信息工程学院电子秤A/D转换器的选用电子秤作为法定的计量器具，其技术指标、稳定性、可靠性都有严格的要求，必须符合国家的标准，因此，在设计时对于器件的选择不仅要考虑成本，还要考虑电路的稳定性，因此尽可能的使电路设计的器件少。采用△－∑技术制成的A/D转换芯片，具有较高集成度，它通常集放大器、模拟开关、A/D转换器、比较器、数字滤波器、输出接口集于一体，仅需几个外围器件便构成一个完整A/D转换系统，大大减少了印刷线路板布线。由于其集成度高，所以故障概率较采用分立元件A/D转换系统和明显降低，进而提高系统可靠性。金华职业技术学院信息工程学院此外，其内置高性能仪表放大器，大大降低对信号源的要求。电子秤电阻应变式称重传感器输出信号为mV级，若采用一般的A/D转换器往往需要放大后才能进行A/D转换。而△－∑A/D转换器大都采用了增益可编程放大器，可编程数字滤波、多种自校准技术等多项先进技术，并多数采用微处理器来管理与控制转换程序，由于采用了多种综合技术措施，放大器的增益调整、数字滤波和误差校正都集中在同一芯片中，外围器件少，使用方便可靠。它的这些优点正符合电子秤正朝着小型化，高精度，智能化方向发展。因此，电子秤的设计选用△－∑模数转换器较为合理。金华职业技术学院信息工程学院任务分析学习要求：在这一环节学生分组并结合引导问题查阅资料、到企业调研，在充分了解电子秤的种类、电子秤的用途、电子秤的结构、主要功能和技术指标，确定本次设计的电子秤的用途，完成任务分析表、填写过程记录表。金华职业技术学院信息工程学院引导问题:（1）生活中哪些场合用到电子秤？（2）常用的电子秤的种类有哪些？（3）所了解的电子秤企业有哪几家？生产什么样的电子秤？有什么用途？（4）所了解的电子秤有哪些功能？其具体含义是什么？（5）准备设计与制作哪一种类型的电子秤？用途？有没有特殊功能？（6）待设计电子秤对精度有什么要求？精度的概念是什么？（7）待设计电子秤的量程范围是多少？（8）待设计电子秤选择多少分度数？（9）电子秤的分度值的含义是什么？（10）电子秤是如何工作的？（11）对电子秤的国家标准了解吗？金华职业技术学院信息工程学院表2－2电子秤设计与制作任务分析表项目名称班级小组编号完成时间产品用途详细功能描述技术指标描述安装要求成本要求检测标准金华职业技术学院信息工程学院设计者在过程记录表中详细记录自己为确定电子秤的具体功能和指标而所做的努力，包括根据引导问题准备要学习的内容，以及随着对电子秤的了解进一步要学习的内容；完成这些学习内容所用的时间与方法；在收获一栏中详细说明自己所获得的有关电子秤专业方面的知识和其它能力的提高。填写学习过程记录卡。金华职业技术学院信息工程学院学习过程记录单学习项目学习任务名称班级小组负责开始时间计划完成时间实际完成时间学习内容学习记录学习时间学习方法、地点完成情况存在问题及建议金华职业技术学院信息工程学院确定的设计方案通过引导问题的学习，以及资料收集、企业调研和实习，进行方案编写，要求，如实填写过程记录卡。设计方案的包含以下内容：（1）系统结构（2）元器件选型（3）电子秤测试标准（4）工作进度安排金华职业技术学院信息工程学院引导问题：1.电子秤由哪几部分组成？2.各组成部分间的信号流向如何？3.显示哪些内容？几位？4.采用什么样的显示器？为什么？5.需要几个按键？每个按键什么功能？如何操作？6.电子秤中常用传感器有哪些？选用什么样的称重传感器？选型时要