电子秤电路设计与制作

电子秤电路设计与制作

实 验 报 告

姓名： 学号： 指导老师：

通信与信息工程学院

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。

被测物体重量

转换元件测量电路

差分放大电路二级放大电路

输出显示

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ρ的导体，未受力时电阻为 R = ρ ，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ρ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，

R1R2R4R3UoU 图2 直流电桥

电桥输出电压为 Uo=

U （式1）

R1、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

R1+ΔRR2R4R3UoU

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+ΔR，电桥不平衡，产生输出电压为 Uo=

(𝑅1+𝛥𝑅)𝑅3−𝑅2𝑅4(𝑅1+𝛥𝑅+𝑅2)(𝑅3+𝑅4)

（式2）

设R1=R2=R3=R4=R,又ΔR<𝑈𝛥𝑅4𝑅

（式3）

(2)双臂工作电桥

若在两个桥臂上计入电阻应变片，其他桥臂为固定电阻，则构成双臂工作电桥，如图4，R1、R2为电阻应变片，R3、R4为固定电阻。当应变片承受应变时，R1电阻增大ΔR，R2电阻减小ΔR，这种电桥成为差动电桥。

R1+ΔRR2-ΔRR4R3UoU图4 双臂工作电桥

此时电桥不再平衡，输出电压为 Uo=

𝑈𝛥𝑅2𝑅

（式4）

由式知半桥的输出是线性的没有非线性误差问题，而且灵敏度比单臂提高了一倍。

（3）全臂工作电桥

若四个桥臂上全为电阻应变片，则构成全桥工作电路，如图5所示，R1、R2、R3、R4全为电阻应变片。承受应变时，R1、R3电阻增大ΔR，R2、R4电阻减小ΔR。

R1+ΔRR2-ΔRR4-ΔRR3+ΔRUoU图5 全臂工作电桥

电桥不再平衡，输出电压为 Uo=U

𝛥𝑅𝑅

（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=350Ω，当测量满量程200g物体时，测得应变片阻值变化ΔR大约在0.1~0.3Ω之间（参见文章最后实验数据记录表1、表2）。我们取ΔR=0.2Ω,U=8V,则测量电路的输出电压为Uo=U

𝛥𝑅𝑅

≈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

VCC14VR1+ΔRVCC2-4VR2-ΔRR4-ΔRR3+ΔRUoR5R610kΩ50%Key=A

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。

R2Vi1Vi2R1R3-+R4Vo

图7 基本差动放大器

输出电压 Vo=-𝑅2𝑅1

Vi1+(1+

𝑅2

𝑅1𝑅3+𝑅4

)

𝑅4

Vi2 （式6）

本实验中运算放大器采用OP07芯片, OP07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

OP07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。

本实验中采用的差分放大电路如图9所示.

R2718iU16Vi13R4R324R1 iop073718U36R5R2718iU2624VoR3R4op07Vi2324op07 图9 差分放大电路

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.

i=

𝑉𝑖1−𝑉𝑖2𝑅1

（式7）

Vo1=Vi1+R2i （式8）

Vo2=Vi2-R2i （式9） Vo=

𝑅4𝑅3

(Vo1-Vo2)=

𝑅4𝑅3

(1+

2𝑅2𝑅1

)(Vi1-Vi2) （式10）

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ΔR取0.2Ω，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Vi1-Vi2=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）知差分放大电路的放大倍数为

𝑅4𝑅3

(1+

2𝑅2𝑅1

)，主要由

𝑅4𝑅3

及

𝑅2𝑅1

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=10kΩ,R4=51kΩ,而将R1用一个2kΩ固定电阻和10kΩ滑动变阻器Rb串联代替，即放大倍数为5.1(1+

20𝑅𝑏+2

),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。

𝑉𝑖𝑛−𝑉𝑜𝑉𝑜−𝑉𝑜𝑢𝑡𝑅1

=𝑅2𝑅1

（式11）

（式12）

Vout=

(𝑅1+𝑅2)𝑉𝑜−𝑅2𝑉𝑖𝑛

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=20kΩ，R1=10kΩ，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。

VCC34VR8C30.01µF6718VCC4-4V10kΩR15U151kΩU3R19R1720kΩ7186247183R12D4C5100µFVCC115VR1R2A25.1kΩC60.1µFR40.01µF10kΩR14Rb10kΩR1651kΩ10kΩ50%Key=AR1110kΩ2kΩ10kΩ3R3R6C110kΩ4R102kΩR133R18U4624op07op07R232kΩVoop07R205.1kΩR510kΩ718U2R216Ra10kΩ50%Key=AR924R710kΩC20.01µF3R221.5kΩRc10kΩ50%Key=AD1D21.5kΩD3C4100µFC7100000pF三、需用器件与单元：

B5.1kΩop07VCC2-15V

传感器、实验台、实验元件箱。

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±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±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±2V～±10V可调电源调节到±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

空量程时阻值/Ω 满量程时阻值/Ω R1 R2 R3 R4 表1-2 第二组测量数值

空量程时阻值/Ω 满量程时阻值/Ω R1 R2 R3 R4 表1-3 第三组测量数值

空量程时阻值/Ω 满量程时阻值/Ω R1 R2 R3 R4

2、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） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 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） 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 输出电压（mv）

绘制实验曲线 3、系统称重数据记录

（1）表3-1：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） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 输出电压（mv）

（2）表3-2：将10个砝码依次取下，记录输出电压数值。

砝码重量（g） 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 输出电压（mv）

绘制实验曲线

六、实验要求：

根据实验数据计算出下面参数：

（1）线性度（非线性误差）：

非线性误差= ±（最大绝对误差／输出满量程）× 100 ﹪

（2）重复性误差：

重复性误差=（最大不重复误差／输出满量程）× 100 ﹪

注：该数据具有随机性，其计算结果仅代表这次实验得到的性能参数。

七、实验总结：

通过本实验设计、安装、调试过程所获得的一些心得体会，实验过程中遇到的问题及解决方法，对本实验的合理化建议等。