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电子秤电路

电子秤电路

March 16, 2020·
ToddZ

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

$$ \Delta U=\left( \frac{R_2}{R_1+R_2}-\frac{R_3}{R_3+R_4}\right)\cdot V_s $$

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：

$$ \Delta U=\left( \frac{R+\Delta R}{2R}-\frac{R-\Delta R}{2R}\right)\cdot V_s=2\Delta R\cdot V_s $$

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：

$$ \Delta U=\left( \frac{R+\Delta R}{2R+\Delta R}-\frac{R}{2R+\Delta R}\right)\cdot V_s\\ =\frac{\Delta R}{2R+\Delta R}\cdot V_s\approx\frac{\Delta R}{2R}\cdot V_s $$

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：

$$ R=1000Ω, \Delta R_\max=\frac{3\text{mV}}{3\text{V}}\cdot 2R=2 \text{Ω} $$

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$ %$\Delta U$
014.998nV30449.888uV
229.97uV40599.82uV
459.993uV50749.738uV
574.991uV60899.64uV
689.988uV701.05mV
8119.983801.199mV
10149.978uV901.349mV
20299.94uV1001.499mV

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 03mV，至少放大 100倍到 00.3V，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：

$$ V_\text{out}=(V_\text{in1}-V_\text{in2})\cdot\frac{R_5+R_G+R_6}{R_G}\cdot \frac{R_2}{R_1}\\ 其中,R_5=R_6,R_2=R_4,R_1=R_3 $$

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}$
50u25.248m0.4m199.98m1m499.52m
100u50.21m0.5m249.903m1.5m749.137m
150u75.172m0.6m299.827m2m998.754m
200u100.133m0.7m349.75m2.5m1.248
250u125.095m0.8m399.673m3m1.498
300u150.057m0.9m499.597m

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LM3852.5V基准电压源TIP41CNPN型功放管
LM358双运放78055V稳压器TIP42CPNP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KA331V-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CD4511BCD-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CD45328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74LS1383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74LS47BCD-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：

最后更新于
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