1、目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc264989284 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù) . PAGEREF _Toc264989284 h 1 HYPERLINK l _Toc264989285 1.1簡(jiǎn)述電子稱(chēng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) HYPERLINK l _Toc264989286 1.2電子稱(chēng)的優(yōu)勢(shì) HYPERLINK l _Toc264989287 第二章 總體設(shè)計(jì)與方案選定 4 HYPERLINK l _Toc264989288 2.1理論基礎(chǔ) HYPERLINK l _Toc264989293 2.2基本原理 HYPERLINK l _Toc26498929

2、4 第三章 電路調(diào)試與實(shí)驗(yàn) 5 HYPERLINK l _Toc264989295 3.1設(shè)計(jì)方案 HYPERLINK l _Toc264989296 3.2方案介紹及選定 HYPERLINK l _Toc264989297 3.2.1方案介紹 HYPERLINK l _Toc264989298 3.2.2方案選定 HYPERLINK l _Toc264989300 3.3系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì) HYPERLINK l _Toc264989301 3.3.1傳感器的設(shè)計(jì) HYPERLINK l _Toc264989302 3.3.2傳感器的選擇3.3.3測(cè)試電路設(shè)計(jì)3.3.4主要芯片介紹3.3.5方

3、案分析3.4調(diào)試方法和實(shí)驗(yàn)分析3.4.1調(diào)試方法3.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差分析3.4.3設(shè)計(jì)中產(chǎn)生錯(cuò)誤的分析 HYPERLINK l _Toc264989303 第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)體會(huì) .16 HYPERLINK l _Toc264989304 4.1設(shè)計(jì)總計(jì)體會(huì) HYPERLINK l _Toc264989328 附 錄 .17 HYPERLINK l _Toc264989329 附錄1 電路 附錄2 PCB圖天津工業(yè)大學(xué)2009級(jí)測(cè)控電路課程設(shè)計(jì) PAGE 19第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1簡(jiǎn)述電子稱(chēng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)發(fā)展50年代中期電子技術(shù)的滲入推動(dòng)了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)

4、合式電子衡器以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的不斷改進(jìn)與完善，我國(guó)電子衡器從最初的機(jī)電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。電子衡器制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新發(fā)展。電子稱(chēng)重技術(shù)從靜態(tài)稱(chēng)重向動(dòng)態(tài)稱(chēng)重發(fā)展：計(jì)量方法從模擬測(cè)量向數(shù)字測(cè)量發(fā)展；測(cè)量特點(diǎn)從單參數(shù)測(cè)量向多參數(shù)測(cè)量發(fā)展，特別是對(duì)快速稱(chēng)重和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的研究與應(yīng)用。電子稱(chēng)重技術(shù)基本達(dá)到國(guó)際上20世紀(jì)90年代中期的水平,少數(shù)產(chǎn)品的技術(shù)已處于國(guó)際領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)的電子秤市場(chǎng)中,1009左右量程的電子秤精度一般為0.019即10mg。在研究方法上,電子稱(chēng)重系統(tǒng)的工作原理一般是將作用在承載器上的質(zhì)量或力的大小,通過(guò)壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并通過(guò)控制電路來(lái)處理該電信號(hào)。但就

5、總體而言，我國(guó)電子衡器產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距，其主要差距是技術(shù)與工藝不夠先進(jìn)、工藝裝備與測(cè)試儀表老化、開(kāi)發(fā)能力不足、產(chǎn)品的品種規(guī)格較少、功能不全、穩(wěn)定性和可靠性較差等。國(guó)外發(fā)展 在國(guó)際上,一些發(fā)達(dá)國(guó)家在電子稱(chēng)重力一面已經(jīng)達(dá)到了較高的水平。特別是在準(zhǔn)確度和可靠性等方面有了很大的提高。在稱(chēng)重傳感器方面,國(guó)外電子秤產(chǎn)品的品種和結(jié)構(gòu)又有創(chuàng)新,技術(shù)功能和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,1)美國(guó)Revere公司研制出PUS型具有大氣壓力補(bǔ)償功能的拉壓兩用的稱(chēng)重傳感器,用于高準(zhǔn)確度檢驗(yàn)平臺(tái),稱(chēng)重平臺(tái),準(zhǔn)確度可達(dá)5000d。2)德國(guó)HBM公司研制成功C2A、 C16A兩種不同結(jié)構(gòu)的1-100t具有耐

6、壓外殼保護(hù)的防爆稱(chēng)重傳感器,其防爆性能符合歐洲EN50014和EN50018d級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。3)美國(guó)斯凱梅公司研制出新一代高準(zhǔn)確度不銹鋼F6Ox系列5-5000kg稱(chēng)重傳感器,準(zhǔn)確度6000d。用于濕度大,腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境中,而且防水。4)德國(guó)塞特內(nèi)爾公司研制出以被青銅為彈性體材料,快速稱(chēng)重用200型稱(chēng)重傳感器。其特點(diǎn)是線性好,固有頻率高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。獨(dú)創(chuàng)油阻尼裝置與過(guò)載保護(hù)裝置一體化,保證稱(chēng)量時(shí)速度快,工作壽命長(zhǎng)。組裝3一30kg電子平臺(tái)秤,準(zhǔn)確度可達(dá)4000d。發(fā)展趨勢(shì)通過(guò)分析近年來(lái)電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率

7、高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱(chēng)重計(jì)量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性。1.2電子稱(chēng)的優(yōu)勢(shì)1）小型化體積小、高度低、重量輕，即小、薄、輕。近幾年新研制的電子平臺(tái)秤結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了小薄輕的發(fā)展方向。對(duì)于低容量的電子平臺(tái)秤和電子輪軸秤，可采用將薄型或超薄型的圓形稱(chēng)重傳感器，直接嵌入鋼板或鋁板底面與稱(chēng)重傳感器外徑相同的盲孔內(nèi)，形成低外形的秤體結(jié)構(gòu)，稱(chēng)重傳感器的數(shù)量和位置由秤的額定載荷和力學(xué)要求計(jì)算決定。鋼板或鋁板就是秤體的臺(tái)面，稱(chēng)重傳感器既是傳感元件，又是承力支點(diǎn)，極大地簡(jiǎn)化了秤體結(jié)構(gòu)，減少了活動(dòng)連接環(huán)節(jié)，不但降低了成本，而且提高了穩(wěn)定性和可靠

8、性。2）模塊化對(duì)于大型或超大型的承載器結(jié)構(gòu)，如大型靜動(dòng)態(tài)電子汽車(chē)衡等，已開(kāi)始采用幾種長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的模塊，經(jīng)過(guò)分體組合，而產(chǎn)生新的品種和規(guī)格。3）集成化對(duì)于某些品種和結(jié)構(gòu)的電子衡器，例如小型電子平臺(tái)秤、專(zhuān)用秤、便攜式靜動(dòng)態(tài)電子輪軸秤、靜動(dòng)態(tài)電子軌道衡等，都可以實(shí)現(xiàn)秤體與稱(chēng)重傳感器，鋼軌與稱(chēng)重傳感器，軌道衡秤體與鐵路線路一體化。如秤體與稱(chēng)重傳感器一體化的便攜式靜動(dòng)態(tài)電子輪軸秤，多用硬鋁合金厚板制成。4）智能化電子衡器的稱(chēng)重顯示控制器與電子計(jì)算機(jī)組合，利用電子計(jì)算機(jī)的智能來(lái)增加稱(chēng)重顯示控制器的功能。使電子衡器在原有功能的基礎(chǔ)上，增加推理、判斷、自診斷、自適應(yīng)、自組織等功能，這就是當(dāng)今市場(chǎng)上采用微機(jī)

9、化稱(chēng)重顯示控制器的電子衡器與采用智能化稱(chēng)重顯示控制器的電子衡器的根本區(qū)別。5）綜合性電子稱(chēng)重技術(shù)的發(fā)展規(guī)律就是不斷的加強(qiáng)基礎(chǔ)研究并擴(kuò)大應(yīng)用，擴(kuò)展新技術(shù)領(lǐng)域，向相鄰學(xué)科和行業(yè)滲透，綜合各種技術(shù)去解決稱(chēng)重計(jì)量、自動(dòng)控制、信息處理等問(wèn)題。6）組合性 在工業(yè)稱(chēng)重計(jì)量過(guò)程或工藝流程中，不少稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)還要求具有可組合性，即測(cè)量范圍等可以任意設(shè)定；硬件能夠依據(jù)一定的工作條件和環(huán)境作某些調(diào)整，硬件功能向軟件方向發(fā)展；軟件能按一定的程序進(jìn)行修改和擴(kuò)展；輸入輸出數(shù)據(jù)與指令可以使用不同的語(yǔ)言和條形碼，并能與外部的控制和數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行通信。第二章總體設(shè)計(jì)與方案選定2.1理論基礎(chǔ)1） 原理主要用一個(gè)電阻應(yīng)變式傳感器

10、，電阻應(yīng)變式傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減小），再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。也就是當(dāng)物體放在秤盤(pán)上時(shí)，壓力施給傳感器，該傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，這時(shí)輸出的電流和電阻發(fā)生變化，這便可以當(dāng)作一個(gè)信號(hào)，輸出電壓信號(hào)通常很小，需要通過(guò)前端信號(hào)處理電路進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大，因此用一個(gè)放大器進(jìn)行放大，放大后的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為便于處理的數(shù)字信號(hào)輸出。然后應(yīng)用單片機(jī)或芯片MC

11、4511和MC1413進(jìn)行調(diào)試確定量程精度，并且用LCD或LED進(jìn)行輸出，在實(shí)際應(yīng)用中，為提高數(shù)據(jù)采集的精度并盡量減少外界電氣干擾，若需要還要在傳感器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間加上信號(hào)調(diào)整電路。為了保護(hù)儀器還在需要時(shí)加上報(bào)警電路。2）待解決問(wèn)題（1）應(yīng)變片靈敏度要高，因?yàn)槭切×砍痰膭t形變很小。（2）因?yàn)樾巫冃∷院茈y找到合理的應(yīng)變片以得到合理分辨力。（3）因量程小則數(shù)據(jù)進(jìn)入線性區(qū)域困難。（4）因應(yīng)力很小則應(yīng)該盡量減少其它力的影響以減小誤差。2.2基本原理1）電子稱(chēng)是由稱(chēng)重傳感器感知外界的重力，再把轉(zhuǎn)換的電信號(hào)傳送給電子電路的。在稱(chēng)重時(shí)不要過(guò)力，特別是小稱(chēng)量的秤，所稱(chēng)的物品要輕拿輕放，以免損壞傳感器。 2

12、）必須給電子秤一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓，使之提高稱(chēng)重的準(zhǔn)確性。3）電子秤最好在干燥通風(fēng)的環(huán)境中使用（防水電子秤除外），因?yàn)椋瑐鞲衅骱碗娮釉L(zhǎng)期工作在潮濕的環(huán)境中會(huì)縮短使用壽命，給您帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。 4）電子秤內(nèi)部使用的是運(yùn)算放大器、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和譯碼器電路，為使您稱(chēng)重準(zhǔn)確，應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁干擾源，如（電焊機(jī)，電鉆，磁鐵，大型電動(dòng)機(jī)）等。第三章電路調(diào)試與實(shí)驗(yàn)3.1設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)框圖1）電阻應(yīng)變式傳感器信號(hào)放大器模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器LED顯示達(dá)林管陣列和譯碼器圖一芯片處理與LED輸出型方案2）電阻應(yīng)變式傳感器信號(hào)放大器模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器單片機(jī)鍵盤(pán)控制LCD輸出圖二 單片機(jī)處理LCD顯示方案方案設(shè)計(jì)3.2方案

13、介紹及選定1）方案介紹前端信號(hào)處理時(shí)，選用放大器模數(shù)轉(zhuǎn)換器等措施，在顯示方面采用LED或具有字符圖文顯示功能的LCD顯示器。這不僅加強(qiáng)了人機(jī)交換的能力，可以顯示所稱(chēng)量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容。目前單片機(jī)技術(shù)比較成熟，功能也比較強(qiáng)大，被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后送入單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系譯碼顯示出被測(cè)物體的重量。由于系統(tǒng)需要的按鍵較多，因此要加一個(gè)鍵盤(pán)。單片機(jī)控制適合于功能比較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng),而且其具有成本低,功耗低,體積小算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng),技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是外圍電路比較復(fù)雜,編程復(fù)雜。使用單片機(jī)處理 LED顯示型方案會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的難度。使用譯碼器MC4511和

14、達(dá)林管陣列MC1413可以完成比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其外圍的電路簡(jiǎn)單，不需要編寫(xiě)復(fù)雜的程序，因?yàn)橛性S多現(xiàn)成的軟件可以應(yīng)用。但是其缺點(diǎn)是耗費(fèi)時(shí)間，調(diào)試不方便，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。2）方案選定最后綜合各方面的要求以及所有的條件，選擇芯片處理與LED輸出型方案。（圖一方案）3.3系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)1）傳感器的設(shè)計(jì)傳感器及彈性元件，彈性元件就是彈性體。彈性體是一個(gè)有特殊形狀的 HYPERLINK /view/2137593.htm t _blank 結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱(chēng)重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比

15、較理想的完成應(yīng)變?cè)珉娦盘?hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。稱(chēng)重測(cè)量采用目前常用并且比較成熟的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重，彈性元件選用雙孔梁式如圖所示4片電阻應(yīng)變片中1，2，3，4粘貼在雙孔梁的應(yīng)變區(qū)在稱(chēng)重時(shí)雙孔梁在由被稱(chēng)物體產(chǎn)生的壓力P和系統(tǒng)底盤(pán)對(duì)雙孔梁的支持力N的作用下產(chǎn)生平行四邊形形變由這4片應(yīng)變片接成的全橋電橋在電壓的激勵(lì)下隨重量不同而輸出不同的電壓信號(hào)。設(shè)有一雙孔長(zhǎng)方體懸臂梁。貼應(yīng)變片處均承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，因此把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面便為貼應(yīng)變片中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式，次為文獻(xiàn)上所尋，此處不做

16、推導(dǎo)。 = （3Q（1+）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） 其中：Q-截面上的剪力； E-揚(yáng)氏模量：泊松系數(shù)；B、b、H、h為梁的幾何尺寸。需要說(shuō)明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。1,2,3,4為應(yīng)變片圖四 電子秤基本結(jié)構(gòu)圖三 彈性元件設(shè)計(jì)之所以彈性元件選用帶有秤盤(pán)的雙孔梁式秤有以下基本特點(diǎn) （1）同樣載荷情況下梁的應(yīng)變量和電橋的輸出電壓是個(gè)常量且與載荷在秤盤(pán)的位置無(wú)關(guān) ,它的最大特點(diǎn)就是具有抗偏載的力學(xué)特性。也就是說(shuō)，彈性體的應(yīng)變（2）梁的應(yīng)變量和電橋的輸出電壓與載荷成正比。至于彈性元件的具體尺寸見(jiàn)下圖五.雖

17、然載荷在秤盤(pán)的位置和稱(chēng)重結(jié)果關(guān)系不大但秤盤(pán)的重量和面積都要根據(jù)稱(chēng)重傳感器的性能和使用要求嚴(yán)格去選擇并且需要對(duì)稱(chēng)重傳感器進(jìn)行四角偏載誤差銼修調(diào)整以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確度 1秤盤(pán) 2彈性元件 3底座圖五 雙孔梁切面標(biāo)尺圖2）傳感器的選擇 HYPERLINK /view/485288.htm t _blank 電阻應(yīng)變式傳感器的稱(chēng)量范圍為300g至數(shù)千kg，計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)1/10001/10000，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可靠性較好。因此由成本及此次應(yīng)用環(huán)條件境可以選擇電阻應(yīng)變式傳感器，電阻應(yīng)變式傳感器主要利用金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)或半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成靈敏原件，是測(cè)量微小變化的理想傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器具有較悠久的歷

18、史，基于新材料和新工藝的發(fā)展，新型應(yīng)變式傳感器不斷出現(xiàn)。因?yàn)殡娮枋綉?yīng)變片具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、性能穩(wěn)定、適于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量的特點(diǎn)。總之電阻應(yīng)變式傳感價(jià)格適中、精度高、使用廣泛，不過(guò)基于此設(shè)計(jì)量程小應(yīng)變力小的特點(diǎn)，要求靈敏度盡量的高，因此選用半導(dǎo)體壓阻式傳感器。實(shí)際選用平行梁傳感器（TJH-2A）。稱(chēng)重傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)包括傳感器的非線性、蠕變、重復(fù)性、滯后、靈敏度等技術(shù)指標(biāo)。在選用的時(shí)候不應(yīng)該盲目追求高等級(jí)的傳感器，應(yīng)該考慮電子衡的準(zhǔn)確度等級(jí)和成本。一般情況下，選用傳感器的總精度為非線性、不重復(fù)性和滯后三項(xiàng)指標(biāo)的之和的均方根值略高于秤的精度。至于傳感器數(shù)量的選擇是根據(jù)電子衡器

19、的用途、秤體需要支撐的點(diǎn)數(shù)而定。一般來(lái)說(shuō)秤體有幾個(gè)支撐點(diǎn)就選用幾只傳感器。 傳感器的量程選擇可依據(jù)秤的最大稱(chēng)量值、選用傳感器的個(gè)數(shù)、秤體自重、可產(chǎn)生的最大偏載及動(dòng)載因素綜合評(píng)價(jià)來(lái)決定。一般來(lái)講，傳感器的量程越接近分配到每個(gè)傳感器的載荷，其稱(chēng)量的準(zhǔn)確度就越高。但是在實(shí)際的使用當(dāng)中，由于加在傳感器上的載荷除被稱(chēng)物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動(dòng)沖擊等載荷，因此選用傳感器時(shí)，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。下面給出一個(gè)經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的 HYPERLINK /view/3167938.htm t _blank 經(jīng)驗(yàn)公式。 公式如下： C=K0K1K2K3(Wmax+W)N 式中

20、C單個(gè)傳感器的額定量程 W秤體自重 Wmax被稱(chēng)物體凈重的最大值 N秤體所采用支撐點(diǎn)的數(shù)量 K0保險(xiǎn)系數(shù)，一般取1.21.3之間 K1沖擊系數(shù) K2秤體的重心偏移系數(shù) K3風(fēng)壓系數(shù)3）測(cè)試電路設(shè)計(jì)鑒于壓阻式傳感器選了四個(gè)，則選用全橋電路，本系統(tǒng)電源可以輸入來(lái)自各種直流電源輸出的直流電壓也可以電用池輸出的直流電壓，為了簡(jiǎn)便對(duì)于電橋應(yīng)用四節(jié)電池大概輸入+5V和-5V電壓。放大器應(yīng)用比較好掌握的兩個(gè)反響比例放大器進(jìn)行200倍放大。然后用AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后輸入MC4511譯碼器和MC1413達(dá)林管陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)出理并且用LED顯示器進(jìn)行輸出。這樣可以避免比較復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏

21、度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷(xiāo)，所以此處傳感器均采用全橋式等臂電橋。放大電路主要完成對(duì)稱(chēng)重傳感器送來(lái)的信號(hào)放大后通過(guò)ADC得到用于各芯片處理的數(shù)據(jù)。 圖六 電路圖設(shè)計(jì)4）主要芯片介紹（1）MC4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流。可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。 CD4511 是一片 CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，引腳排列如圖 2 所示。其中a b c d 為 BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測(cè)試端，加高電平時(shí)，顯示器正常顯示，加低電平

22、時(shí)，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時(shí)使所有筆段均消隱，正常顯示時(shí)， B1端應(yīng)加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點(diǎn)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過(guò)十進(jìn)制數(shù)9(1001)時(shí)，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時(shí)鎖存，低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。ag是 7 段輸出，可驅(qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。另外，CD4511顯示數(shù)“6”時(shí)，a段消隱；顯示數(shù)“9”時(shí)，d段消隱，所以顯示6、9這兩個(gè)數(shù)時(shí)，字形不太美觀 圖3是 CD4511和CD4518配合而成一位計(jì)數(shù)顯示電路，若要多位計(jì)數(shù)，只需將計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，每級(jí)輸出接一只 CD4511 和 LED 數(shù)碼管即可。所謂共陰

23、 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來(lái)選取，電源電壓5V時(shí)可使用300的限流電阻。（2）MCl4433芯片介紹MCl4433具有以下特點(diǎn)：. 3位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器;.外部基準(zhǔn)電壓輸入=200mV或2V;.自動(dòng)調(diào)零;.量程有199.9mV或1.999V兩種(由外部基準(zhǔn)電壓VREF決定);.轉(zhuǎn)換速度為(110)次/s,速度較慢。MCl4433為DIP24封裝,芯片引腳排列如圖七所示,引腳的功能及含義如下：(a)與電源相關(guān)的引腳(共6腳) .VDD：正電源端,典型值+5V。.VEE：模擬負(fù)電源端,典型值5V。.VSS：數(shù)字地(所有數(shù)字信

24、號(hào)輸入輸出的零電位)。.GND：模擬地(所有模擬信號(hào)的零電位)。Vx：被測(cè)電壓輸入端。.VREF：外接電壓基準(zhǔn)(2V或200mV)輸入端。(b)與外接電阻、電容相關(guān)的引腳(共7腳).R1：外接積分電阻輸入。.C1：外接積分電容輸入。圖七 MC14433芯片引腳.R1/C1：外接電阻R1和外接電容C1的公共端,電容C1常采用聚丙烯電容,典型值0.1uF,電阻R1有兩種選擇：一是量程為200mV時(shí),R1=470k;另一是量程為2V時(shí),R1=27k。.C01、C02：外接失調(diào)補(bǔ)償電容端,典型值為0.1uF。.CLK0、CLKl：時(shí)鐘振蕩器外接電阻Rc接入端,外接電阻Rc典型值為470k,時(shí)鐘頻率隨R

25、c電阻阻值的增加而下降。(c)與控制信號(hào)相關(guān)的引腳(共3腳) .DU：更新轉(zhuǎn)換控制信號(hào)輸入,高電平有效。.EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出,當(dāng)DU有效后,EOC變低,16400個(gè)時(shí)鐘脈沖(CLK)周期后產(chǎn)生一個(gè)0.5倍時(shí)鐘周期寬度的正脈沖,表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。典型的,EOC與DU相連,每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后均自動(dòng)啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換。.OR：過(guò)量程狀態(tài)輸出,低電平有效。當(dāng)|Vx|VREF時(shí),OR有效(輸出低電平)。(d)與選通和數(shù)據(jù)相關(guān)的引腳(共8腳) .DS4DS1：分別表示個(gè)、十、百、千位的選通脈沖輸出,格式為18個(gè)時(shí)鐘周期寬度的正脈沖。例如,當(dāng)DS2有效期間,Q0Q3上輸出的BCD碼表示轉(zhuǎn)換的百位的數(shù)值。Q0Q3：

26、某位BCD碼數(shù)字量輸出。具體是哪位,由選通脈沖DS4 DSl指定,其中Q3為高位,Q0為低位。 MCl4433選通時(shí)序如圖八所示。EOC輸出1/2個(gè)CLK周期正脈沖表示轉(zhuǎn)換結(jié)束,依次DSl、DS2、DS3、DS4有效。當(dāng)DSl有效期間從Q3Q0端讀出的數(shù)據(jù)是千位數(shù),DS2有效期間讀出的為百位數(shù),依次類(lèi)推,周而復(fù)始。當(dāng)DSl有效時(shí),Q3Q0上輸出的數(shù)據(jù)為千位數(shù),由于千位只能是0或1,故DSl有效期間,Q3Q0輸出的數(shù)據(jù)被賦予了新的含義：Q3表示千位。Q3=0,表示千位為1;Q3=1,表示千位為0。Q2表示極性。Q2=0,表示極性為負(fù);Q2=1,表示極性為正。Q0表示超量程。Q0=1,表示超量程;

27、Q0=0,表示未超量程。Q0=1時(shí),進(jìn)一步確定是由過(guò)量程還是欠量程引起的超量程,由Q3(千位數(shù)據(jù))來(lái)確定。當(dāng)Q3=0,表示千位為1,是由過(guò)量程引起的;當(dāng)Q3=1,表示千位為0,是由欠量程引起的。MCl4433千位選通含義如表1所示。表1 MC14433 千位選通含義BCD輸出DS1有效時(shí)千位的含義Q3Q2Q1Q0極性千位量程111001010011110欠量程10110欠量程010010000101111過(guò)量程00111過(guò)量程圖八 MCl4433選通時(shí)序（3）INA128放大器需要一個(gè)放大電路，我們將采用三運(yùn)放大電路，主要的元件就是三運(yùn)放大器。在許多需要用A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集系統(tǒng)中，多數(shù)情況下

28、，傳感器輸出的模擬信號(hào)都很微弱，必須通過(guò)一個(gè)模擬放大器對(duì)其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。圖九 圖九 放大器5）方案分析（1）靜態(tài)特性分析線性度分析高精度的稱(chēng)重傳感器合理的電路配合良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使稱(chēng)重系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出達(dá)到很好線性度，很高的精度，但是高精度和測(cè)量結(jié)果的有效性是以稱(chēng)重系統(tǒng)工作于水平面為前提的所有技術(shù)指標(biāo)也是針對(duì)于這個(gè)前提。絕大部分稱(chēng)重系統(tǒng)都要求工作在水平面，稱(chēng)重傳感器和系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)也都依此設(shè)計(jì)。若稱(chēng)重系統(tǒng)沒(méi)有工作在水平面，設(shè)工作平面與水平面存在一夾角，如下圖圖十 秤盤(pán)與被稱(chēng)物作用力圖秤盤(pán)與其中的被稱(chēng)物體也

29、隨之與水平面存在夾角從力學(xué)角度分析物體所受重力G分解為垂直于工作平面的對(duì)稱(chēng)重傳感器的壓力P和平行于工作平面的力F , P和F均小于G。壓力P垂直作用于稱(chēng)重傳感器是稱(chēng)重傳感器設(shè)計(jì)受力的方向在允許的范圍內(nèi)由此方向施力于稱(chēng)重傳感器，電橋輸出具有良好的線性，力F平行于稱(chēng)重傳感器根據(jù)系統(tǒng)傾斜方向的不同會(huì)使稱(chēng)重傳感器發(fā)生整體拉伸、壓縮或扭曲變形，這將影響電橋的輸出，而且并非線性，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差但是力F的方向并非稱(chēng)重傳感器設(shè)計(jì)受力方向，由于稱(chēng)重傳感器結(jié)構(gòu)的原因在這個(gè)方向受力發(fā)生變形的敏感程度遠(yuǎn)低于垂直方向，尤其是當(dāng)傾斜角度和重力G都很小時(shí)G在力F方向的分量sinG更是微乎其微，可以忽略。雖然此次未親自用實(shí)驗(yàn)

30、測(cè)數(shù)據(jù)，但是應(yīng)用已有數(shù)據(jù)可得：非線性 Nonlinearity %FS 0.015（見(jiàn)附表）遲滯Hysteresis %FS 0.05（見(jiàn)附表）重復(fù)性Repeatability %FS 0.05（見(jiàn)附表）靈敏度電子稱(chēng)的重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。在此重點(diǎn)分析！設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作，這種材料的泊松系數(shù)是。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為R： R=L/S （21） 當(dāng)他的兩端受F力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說(shuō)產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長(zhǎng)L，其 HYPERLINK /view/2492287.htm t _blank 橫截面積則縮小，即它的截面圓半

31、徑減少r。此外，還可用實(shí)驗(yàn)證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會(huì)有所改變，記作。 對(duì)式（2-1）求全微分，即求出電阻絲伸長(zhǎng)后，他的電阻值改變了多少。我們有： R=L/S+L/SSL/S2 （22） 用式（2-1）去除式（2-2）得到 R/R=/+L/LS/S （23） 另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S = r2，則 s = 2r*r，所以 S/S=2r/r （24） 從材料力學(xué)我們知道 r/r=-L/L （25） 其中，負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)時(shí)，半徑方向是縮小的。是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（24）（25）代入（2-3），有 R/R=/+L/L+2L/L=（1+2（/）/（L/L）*L/L=K*L/L

32、 其中K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （2-7） 式（2-6）說(shuō)明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對(duì)變化）和電阻絲伸長(zhǎng)率（長(zhǎng)度相對(duì)變化）之間的關(guān)系。 需要說(shuō)明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無(wú)關(guān)，不同的材料的K值一般在1.73.6之間；其次K值是一個(gè)無(wú)因次量，即它沒(méi)有量綱。在材料力學(xué)中L/L稱(chēng)作為應(yīng)變，記作，用它來(lái)表示彈性往往顯得太大，很不方便 常常把它的百萬(wàn)分之一作為單位，記作。這樣，式（-）常寫(xiě)作： R/R=K (28)由圖五 雙孔梁切面標(biāo)尺圖所給的數(shù)據(jù)代入上式得靈敏度 Sensitivity 2.0mVV（2）動(dòng)態(tài)

33、特性分析此處應(yīng)用在電子稱(chēng)上的傳該器重點(diǎn)為靜態(tài)分析，動(dòng)態(tài)在此不再討論，不過(guò)保證壓阻式壓力傳感器優(yōu)良動(dòng)態(tài)特性主要的是設(shè)計(jì)有高的固有頻率的敏感元件。為減小運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和避免加速度效應(yīng),一般采用周邊固支的圓平膜片或方平膜片作為彈性敏感膜。3.4調(diào)試方法和實(shí)驗(yàn)分析1、調(diào)試方法 分模塊調(diào)節(jié)。主要分為兩個(gè)模塊：A/D轉(zhuǎn)換及顯示部分、三運(yùn)放高共模抑制比部分與調(diào)零部分。 A/D轉(zhuǎn)換及顯示部分：通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器20K電阻值，改變 TC14433的2引腳的VREF電壓值，從而使得A/D至顯示部分正常，即從INA128的6引腳OUTPUT直接輸入電壓，使得四位一體數(shù)碼管顯示即為其輸入電壓值。例如，在INA128的6引腳

34、OUTPUT輸入0.38V，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器20K電阻值使得數(shù)碼管顯示0380。 用到器材：測(cè)控電路直流穩(wěn)壓電源模塊、萬(wàn)用表、導(dǎo)線若干。 三運(yùn)放高共模抑制比部分：通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器Rg（500）電阻值，使得每向電子秤添加一個(gè)20g的砝碼，顯示的數(shù)值對(duì)應(yīng)增加或減小20。這部分運(yùn)用的基本原理是放大倍數(shù)X等于1+(R1+R2)/Rg,其中INA128內(nèi)部R1、R2均為25K。 又實(shí)驗(yàn)測(cè)得每增加一個(gè)砝碼，電橋兩端的輸出端對(duì)應(yīng)發(fā)生電壓變化0.1mv。其需要放大倍數(shù)為 1+(R1+R2)/Rg=X， X=20/0.1, 50k/Rg=200-1， 故Rg=251.2 這是的滑動(dòng)變阻器500電阻絕對(duì)能保證的范圍，調(diào)節(jié)過(guò)程中很容易實(shí)現(xiàn)。 調(diào)零部分：電橋在無(wú)任何載重情況下，往往也有mv級(jí)的輸出，這樣我們得通過(guò)調(diào)零電路進(jìn)行校正。調(diào)零電路如下： 圖十一 調(diào)零電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄，分析產(chǎn)生誤差的原因在A/D及顯示調(diào)試模塊時(shí)，對(duì)在INA128的6引腳OUTPUT輸入電壓，觀察數(shù)碼管的顯示出現(xiàn)下列數(shù)據(jù)：?jiǎn)挝籚/mv電壓輸入 0.0250.0350.0450.0550.0650.075顯示值192630354146這時(shí)應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器20K電阻值，使輸入電壓與顯示數(shù)據(jù)一致。導(dǎo)致誤差原因是芯片TC14433的2引腳的VREF電壓值得為定值時(shí)，其顯示才