人体体重秤设计.doc

人体体重秤.doc 人体体重秤设计 课程设计 北京信息科技大学 仪器科学与光电学院 测控0901林杰 2009010744 2012/6/20 本文介绍以AD620、LM741、LM339为核心的智能人体电子秤的设计,详述该系统硬件的设计方法。该系统集称重、显示、报警于一体,功能齐全,实用性强,充分利用了电路、模电、测控电路、信号处理等课堂上学到的知识。 目 录 一、系统设计及工作原理?????????????????????????2 二、模块电路设计 ?????????????????????????????4 1、称重传感器模块???????????????????????????5 2、滤波及放大电路 ??????????????????????????3 2-1仪用放大器的原理?????????????????????????4 2-2四种放大器电路论证?????????????????????6 2-3 AD620主要性能指证???????????????????????????????????????8 2-4 调零电路??????????????????????????????????????????????????????9 2-5放大部分电路?????????????????????????????????????????????????10 3、报警电路???????????????????????????????????????????????????????????11 3-1 LM339简介??????????????????????????????????????????????????11 3-2 LM339制作单限比较器????????????????????????????????????11 3-3 LM339制作双限比较器????????????????????????????????????12 3-4体重秤中使用的电路???????????????????????????????????????13 3-5集电极开路输出原理 ?????????????????????????????????????14 4、显示模块???????????????????????????????????????????????????????????16 三、完整电路图???????????????????????????????????????????????????????????17 四、数据测量及处理?????????????????????????????????????????????????????18 五、感想和总结??????????????????????????????????????????????????????????19 - 1 - 数字电子秤设计 测控0901 林杰2009010744 合作者,杨雪姣 【摘要】 本文介绍以AD620、LM741、LM339为核心的智能人体电子秤的设计,详述该系统硬件的设计方法。该系统集称重、显示、报警于一体,功能齐全,实用性强,充分利用了电路、模电、测控电路、信号处理等课堂上学到的知识。 关键词,AD620,传感器,液晶显示 一、系统设计及工作原理 本系统主要由称重传感器模块、滤波放大电路模块、报警电路模块、LCD显示模块等部分组成。人体的体重信息由称重传感器转换成电信号,并通过测量电路进行滤波放大,通过显示电路进行显示,如体重超出设定范围系统还会报警。 系统结构框图如下图所示。 称重传感器滤波及放大lED报警显示模块模块电路 调零模块 - 2 - 二、模块电路设计 1、称重传感器模块 称重传感器是影响电子秤测量精度的关键部件。选用适当传感 器,用来感知被测量,当物体放在秤盘上时,压力传给传感器,该传感 器发生形变,从而使阻抗发生变化,电桥失去平衡,传感器输出一个 变化的模拟信号。 如图所示,4个电位器式的传感器显示了称重传感器的大体构 造。输出电压大约在0-1.5mv左右。已知传感器输出线性,我们 所需要做的就是把它进行放大滤波,最终显示出来即可。 2、滤波及放大电路 目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度 - 3 - 高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于后续的电路。 2-1仪用放大器的原理 一般说来,传感器输出的电压值都非常小,基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时,需要外部放大电路来获得足够的增益。 因此,我们打算仪用放大器来进行放大,目前,仪表放大器电路以其高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移等特点在传感器输出的小信号放大领域得到了广泛的应用。为此,我们设计了四种仪用放大器的。 如上图是一个典型的仪用放大器是三运放结构,它是由运放A1,A2按通向输入接法组成第一级查分放大电路,运放A3组成第二级差分放大电路。在第一级电路中,Vi1,Vi2分别加到A1和A2的同向端,Rg和R5、R6组成的反馈网络,引入了负反馈。由A1、A2虚短可得 - 4 - Vi1=V2,Vi2=V3, ??????????????????????????3.1 又由A1、A2虚断可得 ?????????????????????3.2 又由A3虚断可得 ,整理得 ??????3.3 ,整理得 ??????3.4 由A3虚短可得 V5=V6, ?????????????????3.5 则由3.3式、3.4式和3.5式可得 整理后可得 ??????????3.6 在上式中,如果我们选取电阻满足 的关系,则输出电压可化简为 ?????????????????????????????3.7 根据式3.2和3.7我们可以得到 ?????????????????3.8 - 5 - 而我们为了是电路对称,提高仪用放大器性能,我们选取电阻应满足R5=R6的关系,且VREF通常接地,当我们对仪用放大器进行电路调零时,我们才会将VREF赋予一定电压,最终我们会得到输出电压的关系式为 ???????????????????????3.9 电压增益则为 ????????????????????????3.10 从该式中我们可直观的看到,我们可以根据选取R2/R1 和R5/Rg 电阻的比例关系,来达到不同的信号放大比例要求。所以电阻的选取也是仪用放大器设计最重要的环节之一。很多仪用放大器芯片,考虑到电路的稳定和安全,一般都固定R1~R6的阻值,只将Rg设置成可调。 2-2、四种放大电路的实现方案及论证 我们以单运放LM741和OP07,集成四运放LM324和单片集成芯片AD620为核心,设计出四种仪表放大器电路方案。 方案1 由3个通用型运放LM741组成三运放仪表放大器电路形式,辅以相关的电阻外围电路,加上A1,A2同相输入端的桥式信号输入电路,如图2所示。 - 6 - 图2中的A1,A3分别用LM741替换即可。电路的工作原理与典型仪表放大器电路完全相同。方案2 由3个精密运放OP07组成,电路结构与原理和图2相同(用3个OP07分别代替图2中的A1,A3)。 方案3 以一个四运放集成电路LM324为核心实现,如图3所示。它的特点是将4个功能独立的运放集成在同一个集成芯片里,这样可以大大减少各运放由于制造不同带来的器件性能差异,采用统一的电源,有利于电源噪声的降低和电路性能指标的提高,且电路的基本工作原理不变。方案4 由一个单片集成芯片A13620实现,如图4所示。它的特点是电路结构简单,一个AD620,一个增益设置电阻Rg,外加工作电源就可以使电路工作,因此设计效率最高。图4中电路增益计算公式为,G=49,4K,Rg+1。 - 7 - 2-3、AD620主要性能指标 在和组员进行讨论以后,我们选择AD620作为使用的芯片。 AD620主要技术指标列表如下: 带宽: 800MHz; 输出功率: 2. 4mW; 功率增益:120dB; 工作电压: 正负3V-正负15V; - 8 - 静态功耗: 0. 48mW; 输入失调电压: 小于等于60uV; 转换速率: 1. 2V/LS; 封装形式:DIP8; 工作温度范围: -55到+125摄氏度 AD620放大器的功能结构如下图, 该放大器的特点为, 差动输入, 单端输出。电压增益可由一个电阻RG来确定, 且增益连续可调, 并有效地解决了后级负载对地连接的问。 其增益方程式为 G =49.4 kΩ/R G + 1 (1) 对于所需的增益, 则外部控制电阻值为 R G =49.4/,G - 1,kΩ (2) 其中,G是放大倍数,RG是连接在1管脚和8管脚的可调电阻。 - 9 - 2-4、调零电路 在没有人站在体重上的时候输出必须为0,为此,我们设计了一个调零电路,调零电路使用LM741芯片连接。实际电路如下图所示, 2-5、放大部分电路 - 10 - 初期我们将放大倍数设定为1000倍,所以把R8调至50欧,待接上显示电路以后再进行调整。 C1、C2的作用是去耦,C3是为了滤掉放大信号的高频部分。这些细节都是为了减少最终的输出噪声。 3、报警电路 为了增加体重秤的功能,我们还设计了报警电路。这里,我们选用四电压比较器LM339进行设计。 3-1、LM339简介 LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器,该电压比较器的特点是, - 11 - 1,失调电压小,典型值为2mV, 2,电源电压范围宽,单电源为2-36V,双电源电压为?1V-?18V, 3,对比较信号源的内阻限制较宽, 4,共模范围很大,为0~,Ucc-1.5V,Vo,5,差动输入电压范围较大,大到可以等于电源电压, 6,输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块采用C-14型封装,下图为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活,应用广泛,所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器,如IR2339、ANI339、SF339等。 LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端,用“+”表示,另一个称为反相输入端,用“-”表示。用作比较两个电压时,任意一个输入端加一个固定电压做参考电压,也称为门限电平,它可选择LM339输入共模范围的任何一点,,另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时,输出管截止,相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时,输出管饱和,相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态,因此,把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。 - 12 - 3-2、LM339制作单限比较器 如图是一个由LM339设计的单限比较器,输入信号Uin,即待比较电压,它加到同相输入端,在反相输入端接一个参考电压,门限电平,Ur。当输入电压Uin>Ur时,输出为高电平U。 OH 3-3、 LM339制作双限比较器,窗口比较器, 下图电路由两个LM339组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时,UU或Uin