电子秤电路

不要像我一样作死用模电去实现。

声明

本电路由 ZZF(aka:Todd Zhou)设计,作为大二下模电课程设计的作业。未经本人允许,任何人不准使用、转载里面的文字、表格、图片等。你可以参考,但不允许剽窃。

设计题目与要求

设计一个简易电子秤电路,称重范围分为两档:0 ~ 1.999kg,0 ~ 19.99kg。要求:

  1. 基本功能
    • (1)当秤盘上有物体时,用数码管显示其重量;(A/D 转换使用 ICL7107 专用集成电路)   (因仿真软件没有 ICL7107,仿真时用电压表替代 A/D 转换与显示电路,即用电压表显示其输出)
    • (2)当物体从秤盘上拿走时,物体重量显示 3 秒后自动切断电源;
    • (3)超称重范围或减称重范围时,两个档位可自动切换量程,(用发光二极管指示量程),且数码管小数点的位置也跟随切换;(仿真时用 2 个发光二极管模拟小数点)
    • (4)设计电路所需的电源。
  2. 拓展功能(+1 ~ 10 分)
    • (5)两次秤重有累加功能。
    • (6)称重范围对应的档位编号分别是 1 和 2,用一个数码管显示其档位;
    • (7)去皮功能(设置0参考)
    • 其他功能的添加。

原理方框图

方案A

graph TB
    
    subgraph 信号获取模块
    signal[传感器] --> amplifier[滤波放大器]
    end

    subgraph 开关控制模块
    amplifier --> comparator1[比较器1] --> delay[延迟电路] --> relay[继电器] --> battery[电源]
    end

    subgraph 输出显示模块
    convertor[A/D转换]
    convertor --> LED[数码管]
    dot[小数点电路]
    modeLED[档位指示数码管]
    end

    subgraph 采样运算模块
    amplifier --> hold1[采样保持器1] & hold2[采样保持器2] 
    hold1 --> adder[加法器]
    hold2 --> inverter[反相/同相切换开关] -->adder
    end

    subgraph 保持模块
    adder --> hold3[采样保持器3] --> convertor
    comparator1 --> hold3
    end

    subgraph 模式选择
    adder --> comparator2[比较器2] --> range[量程切换]
    range --> convertor & dot & modeLED
    end
  1. 传感器为差动电桥电路,其中一个桥臂为压感电阻,中间两点引出电压差;通过放大器+滤除高频,得到放大的电压:
  2. 放大器输出的电压,一个是输出到比较器,如果大于 $\frac{1}{2}V_{cc}$,则触发延迟电路,打开继电器。继电器控制下面的电源
  3. 放大器输出的电压,另一个是输出到采样保持器1,再输出到加法器
  4. 在一般模式下,另一个采样保持器的信号为0,所以加法器最终输出的信号依然是采样保持器1。若在加法模式下,通过开关,打开保持器2,关闭保持器1,关闭反相放大器,则加法器输出两电压和。若在减法模式,通过开关,打开保持器2,关闭保持器1,打开反相放大器,则加法器输出两电压差。
  5. 加法器输出的信号经过比较器,若大于一定值,则切换到大量程,改变ADC的参考电压(或将信号等比例缩小)
  6. ADC 转换后点亮数码管

方案B

graph TB
    
    subgraph 信号获取
    signal[传感器] --> amplifier[滤波放大器]
    end

    subgraph 开关控制
    amplifier --> comparator1[比较器1] --> delay[延迟电路] --> relay[继电器] --> battery[电源]
    end

    subgraph 模数转换
    amplifier --> convertor[A/D转换] --> rom1[存储器1] & rom2[存储器2] --> adder[加法器]
    end

    subgraph 模式选择
    adder -->comparator2[比较器2] --> range[量程切换]
    end

    subgraph 输出显示
    adder --> LED[数码管]
    range --> dot[小数点] & modeLED[档位指示数码管]
    end

方案B 只是为了凑数的,老师要求至少要有两个方案进行比较。方案B 显然是先进行模数转换,然后再进行运算,而方案A 则是先进行运算,再模数转换。复杂度上其实方案B 会复杂很多(不用单片机),因为模数转换引脚会多很多,而芯片和外部电阻由没比方案A 少,再加之一般数字芯片比模拟芯片会贵一点,所以采用方案A。

具体模块分析

传感器

我们可以采用市面上常见的桥式称重传感器,其原理即惠斯通电桥:

如图所示,外加直流电压为 $V_s=E_g$,输出电压为 $\Delta U$,则

在无称重情况下,$R_1=R_2=$$R_3=R_4=R$,因此 $V_s=0$。在有称重的情况的,形变导致 $R_1=R_3=R-\Delta R$,$R_2=R_4=R+\Delta R$,此时输出电压为:

但有时候,形变导致的电阻变换为 $R_1=R_3=R$,$R_2=R_4=R+\Delta R$,则输出电压:

假设重量与 $\Delta R$ 成正比,则重量与输出 $\Delta U$ 成正比。由于 Multisim 中并没有称重传感器,所以我们直接构造一个电桥。以下是611N称重传感器的参数

我们可以计算出:

考虑到实验室最小的电位器为 100Ω,最终我们取 $R_1=R_2=R_3=R_4=100kΩ$,$\Delta R_1=\Delta R_3=100Ω$。输入电压为 $3V$。在 Multisim 中模拟数据如下:

$\Delta R$ % $\Delta U$ $\Delta R$ % $\Delta U$
0 14.998nV 30 449.888uV
2 29.97uV 40 599.82uV
4 59.993uV 50 749.738uV
5 74.991uV 60 899.64uV
6 89.988uV 70 1.05mV
8 119.983 80 1.199mV
10 149.978uV 90 1.349mV
20 299.94uV 100 1.499mV

可以看出,增长率大约为 15uV/1%,可看作线性增长。考虑到实际中,第二档最大重量19.99kg 对应 3mV;则第一档最大重量1.999kg 对应300uV,分界线为 $\Delta R=20Ω$

电源

实际生活中的称大部分用的是干电池(高端一点的用锂电池),当然不排除地秤可能用交流电,但我认为这种小秤,用直流就好了。所以采用4节干电池,得到 6V 的单电源,为了方便后面的接线,将其转化为 ±3V 的双电源。我们选择 $V_\text{in}$ 在 4~15V 的LM386。参考的电路图如下(图中少连了负反馈):

模拟结果如下:

(18脚悬空,减小噪音)

滤波放大器

输入 0~3mV,至少放大 100倍到 0~0.3V,至多放大 1000 倍到 0~3V。这个不是事儿,调一下参数即可。考虑到只能提供 ±3V 的电源,我们采用工作范围在 (±1.5V~±15V)的 LM324,采用仪表放大器的形式:

通过计算可知:

选取电路参数如下:

经过测试,$A_{uc}=\frac{-15.487\text{mV}}{10\text{mV}}=-1.5487$,$A_{ud}=\frac{-1014\text{mV}}{2\text{mV}}=-507$,共模抑制比 $K_\text{CMR}=\vert\frac{A_{ud}}{A_{uc}}\vert=327.4$。但经过后面一系列测试,无论共模信号是什么,输出始终为 -15.487mV,所以我认为这是零漂,并增加了调零部分:

再次测试后,$A_{uc}=\frac{-602.087\text{uV}}{10\text{mV}}=-6\times10^{-2}$,$A_{ud}=\frac{-998.722\text{mV}}{2\text{mV}}=-507$,共模抑制比 $K_\text{CMR}=\vert\frac{A_{ud}}{A_{uc}}\vert=8450$。显然性能得到很大改善。

我们的输入是单端输入,测试得到的电压点如下表,可以看出,输出与输入近似正比例关系。

$\Delta U$ $V_\text{out}$ $\Delta U$ $V_\text{out}$ $\Delta U$ $V_\text{out}$
50u 25.248m 0.4m 199.98m 1m 499.52m
100u 50.21m 0.5m 249.903m 1.5m 749.137m
150u 75.172m 0.6m 299.827m 2m 998.754m
200u 100.133m 0.7m 349.75m 2.5m 1.248
250u 125.095m 0.8m 399.673m 3m 1.498
300u 150.057m 0.9m 499.597m    

开关控制模块

20kg时得到的 $V_\text{out}=1.498V$,我们假设大于 20g 时开关自动打开(实在不想弄得太复杂),则对应 $V_\text{out}=1.498mV$。根据相关资料,继电器的吸合电压至少为 3/4*额定电压,按照 5V 的额定电压,则至少输出 3.75V。所以我们采用一个开路运放和一个RC延时电路,电路形式如下:

图中 R3 表示不同值的 $V_\text{out}$,当其稍微偏离 0 时,会被运放无限放大,但不会超过电源,所以 U1A 只会输出约 $\pm 2.8V$。当输出正电压时,U1B会同步输出正电压,同时 C1 充电;当输出负电压时,C1 缓慢放电(3s),直到电压小于 30mV,U1B 输出负电压。

根据零输入响应:$u_c = u_c(0_+)e^{-t/RC}$,计算出 $t=RC\ln{933}=3$,从而 $RC=0.44$,取$R=1kΩ$,$C=47\mu F$

U1B 后面接继电器,为了获取 3.75V 以上的压差,继电器另一脚要接 -3V(为了避免电流过大还需要接一个电阻)

采样保持器

最基本的采样保持器如下图:

主要的问题在于开关。考虑到需要在两个采样保持器之间进行切换,以及无物体时也要保持3s,所以总共会有两个开关:一个是三脚的拨动开关,用于切换保持器;另一个是由开关控制模块引出的一个控制模块(为了省事直接用继电器,当然也有考虑用三极管)

仿真时发现电压有漂移……还好这个漂移好像是恒定的,直接调整前面的零漂即可。

加法器

这个就是最简单的加法器,不过很遗憾,依然是有一定的漂移……总之调前面的零漂。加法器与实际电路连在一起时,V5 始终是采样保持器1的值;而 V4 和 V3 则通过一个自锁的按键开关来控制,一个连接采样保持器,另一个接地,按下开关后反转。

模式选择模块

和电源控制模块的比较器差不多,不过范围需要更加精确,所以我们使用电位器来确定反相输入端电压。同时后面通过电压控制开关(也就是继电器)来选择输入到 ADC 的参考电压。

我也考虑过改变前面的放大倍数,但是这要求模式选择模块的输入必须是放大前的信号,

输出显示模块

由于 Multisim 中并无该芯片,所以暂时不讨论。不过总的来说,我们只需要输入参考电压与测量电压。

问题与改进

问题一:当拿开物体时,放大电压会瞬间小于1mV,会很快导致后续的电压也降为0。如果要实现保持3s依然有输出,则必须有一个更快的信号将后续的保持电路与前面断开。但在 multisim 中,继电器闭合得不够快,而实际中也难以保证成功。

问题二:模拟过程中发现每个运放都会有 1~2mV 左右的偏差,我不能完全确定这是否与输入有关。目前看来这是恒定的,这样的话直接调整放大模块的调零电阻即可。但如果不是恒定的,那么会造成测量非线性,难以消除偏差。

问题三:模拟时发现保持器会有 RLC 振荡,并且 C 越大,越久稳定。目前 10uF 大概需要 0.3ms。考虑到问题一,则显然 C 越大越好,这就是问题。

问题四:

成品与总结

点击链接查看:

  • 电子秤1.0

    纯粹是上面各个模块的组合,修改了部分参数,电路形式无变化。

  • 电子秤1.1

    在加法器后面增加了采样保持器3,以完成拿起物体保持显示的功能(但效果不是很好)

  • 电子秤1.2(最后上交的图)

    老师要求用交流电,于是增加了交流转直流

总的来说,感觉电路应该是可以工作的,但准不准就是另一回事了。然后那个ICL7107显示模块我懒得弄了,反正仿真又没有,实物又没有,就留个遗憾吧。最后不得不吐槽自己的垃圾画图,还是得找些培训机构的视频看。

附录

实验室提供的元器件

常见的电阻、瓷片电容、电解电容,以及部分模拟IC、数字IC、二三极管等。

模拟IC:

芯片 功能 芯片 功能 芯片 功能
UA741 单运放 LM385 2.5V基准电压源 TIP41C NPN型功放管
LM358 双运放 7805 5V稳压器 TIP42C PNP型功放管
LM324 四运放 7809/7909 ±9V稳压器 TIP122 达林顿调整管
LM311 比较器 7815/7915 ±15V稳压器 LM386 功率放大器
LM339 四合一比较器 LM317 正压调压器 TDA2030 功率放大器
    LM337 负压调压器 KA331 V-F/F-V转换器

数字IC:

芯片 功能 芯片 功能 芯片 功能
74HC32 四组2输入端或门 74LS74 双D边沿触发器 CD4511 BCD-锁存/7 段译码器/驱动器
74LS08 四组2输入端与门 CD4013 双D触发器 ICL7107 $3\frac{1}{2}$位双积分型A/D转换器
CD4081 四组2输入端与门 CD4052 双四选一模拟开关 CD4026 十进制计数器/译码器
CD4001 四组2输入端或非门 CD4066 四双向模拟开关 CD40110 十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器
74LS00 四组2输入端与非门 CD4532 8线-3线优先编码器 CD4518 二/十进制同步加法计数器
74LS14 六反相施密特触发器 74LS138 3线-8线译码器 74LS90 异步二-五-十进制加法计数器
CD40106 六反相施密特触发器 74LS47 BCD-7段译码器/驱动器 74LS161 同步二进制计数器

二极管:

  • 普通二极管:1N4148
  • 整流管:1N4001
  • 稳压管:3V/5.1V/6.2/V8.2V/9.1V/10V12V
  • 发光二极管

三极管:

  • PNP型三极管:S9012
  • NPN型三极管:S9013、C1815、2N3904、9014、9018

以及一些奇奇怪怪的东西:红外发射管/红外接收管,单向可控硅,报警声音乐片等

参考资料

以下是我在设计前参考的一些资料。

电子秤总体参考方案:

直流稳压电源:

差动电桥放大器:

仪表运算放大器

采样保持电路:

延时电路:

单电源供电:

减法器:

开关控制电路:

LM324 集成运放:

LM386 集成运放:

ICL7107 双积分型A/D转换器: