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测控电路设计实践
《测控电路设计实践》报告
题目人体电子秤设计
院系仪器科学与光电工程学院
专业测控技术与仪器
班级测控1303
学生姓名2013010472杨通香2013010460郭健宁
指导老师郑青玉、那云虓、李东、王小飞
实验时间2016626---201678
目录
1、课程设计目的及意义…………………………………………………….3
2、系统设计的主要任务…………………………………………………….3
3、总体设计方案……………………………………………………………….4
4、电路设计及调试…………………………………………………………….5
4.1称重传感器电路……………….………………………………………5
4.2放大电路…………………………………………………………………..6
4.3比较电路…………………………………………………………………..8
4.4报警系统………………………………………………………………….10
5、实验数据分析与处理……………………………………………………12
6、电路设计过程中的问题及调试…………………………………..14
七、电路系统实物验证……………………………………………………….15
八、总结………………………………………………………………………………16
一、课程设计目的及意义
测控电路课程设计是测控电路课程体系的一个重要组成环节,独立实践教学环节是对《测控电路》理论部分的必要补充。
课程设计内容为典型测控系统电路设计,通过课程设计,使学生完成测控系统任务分析、电路总体设计、单元电路设计以及电路调试等各个环节。
掌握有关传感器接口电路、信号处理电路、放大电路、运算电路、显示电路以及执行部件驱动电路等内容在测控系统中的使用方法。
了解有关电子器件和集成电路的工作原理。
在课程设计中,做到理论联系实际,加深对理论知识的进一步理解,提高分析问题和解决问题的能力。
本课程设计以AD620、LM741、与门电路为核心,进行智能人体电子秤的设计,并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,充分利用了电路分析、模拟电路、测控电路、信号分析与处理、传感器等课堂上学到的知识,有机的将所学到的知识融合在一起,投入到实际运用中,便于对知识的综合掌握及运用。
二、系统设计的主要任务
任务:
设计一个人体电子秤测量系统。
要求:
1)基本要求
最大称重:
150KG
用3位半数字显示表头显示体重,输入电压范围0-2V,
当体重大于W1时,点亮LED1,发出声音提示;
当体重小于W2时,点亮LED2,发出声音提示。
2)提高部分
提高线性度
可以设置W1和W2;
语音提示;
自由发挥
三、总体方案设计
本系统主要由称重传感器模块、滤波放大电路模块、调零模块、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。
图1:
系统结构框图
四、电路设计及调试
4.1称重传感器电路
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。
图2:
称重传感器电路
图3:
AD620引脚配置框图
放大电路采用四个半桥式传感器构成全桥。
当压力传感器受到外力,RV4与RV5拉伸,电阻变大,RV2与RV3压缩,电阻变小,故产生输出电势差,并输入芯片AD620中,通过其进行放大。
4.2放大电路
AD620是一款低成本、高精度仪表放大器,仅需要一个外部电阻来设置增益,增益范围为1至10000。
此外,AD620采用8引脚SOIC和DIP封装,尺寸小于分立式设计,并且功耗较低(最大电源电流仅1.3mA),因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用。
增益方程式为:
G=48.9kΩ/RG+1
G是放大倍数,RG是连接在1管脚和8管脚的可调电阻。
AD620主要技术指标:
带宽:
800MHz输出功率:
2.4mW
功率增益:
120dB工作电压:
正负3V-正负15V
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
电路连接:
图4:
620放大调零电路
图5:
调零电路
AD620的2、3引脚接压力传感器的信号输入,7引脚接7.3V的高电平,4引脚接-5V的低电平。
5引脚为调零端口,电路连接为调节RV9可以输出一个调零电压。
达到初始化调零的作用。
4.3比较电路
利用三个741芯片组成的比较电路。
利用3管脚上的滑动变阻器,改变其阻值,使3管脚的标准电压改变。
当2管脚的输入电压大于3管脚的标准电压,741输出低电平,三极管无法导通,LED灯与蜂鸣器不工作。
反之,当2管脚输入电压小于3管脚的标准电压,741输出高电平,三极管导通,LED灯与蜂鸣器工作。
(一)最大测量上限比较电路:
图6:
上限电压比较电路
电路连接原理说明:
用741设计的比较器电路,741的7引脚接+5V,4引脚接-5V电势,3引脚接AD620的6引脚输出。
7242引脚接标准电压调节电路:
图7:
设置上限标准电压电路
调节RV7=1.2/10kΩ,741的2引脚输出为0.8V。
根据比较器的原理,当AD620的6引脚的输出电压大于0.8V时,741的6引脚输出高电平,导通NPN三极管,点亮LED1灯,蜂鸣器响起。
达到上限报警功能。
超过80KG是报警。
(二)最小测量下限电路:
图8:
最小测量下限电路
图9:
下限电压比较电路
(1)
使用芯片74LS08与门电路,将两个参考下限电压与起来,所以在两个下限电压之间才会输出高电平。
图10:
与门电路
当Vo小于0.1时电路输出低电平,不报警,即电子秤上不站人。
当输出电压在0.1到0.152之间时,输出为高电平,报警,此时表明电子秤人的重量大于10Kg小于15Kg。
当电压值在0.152到0.8之间时,电路输出为低电平,不报警,可正常测量体重。
当电压值大于0.8时,电路输出为高电平,报警,表示超重。
4.5报警系统
图11:
蜂鸣器
元器件:
蜂鸣器、LED灯
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,采用直流电压供电,广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
发光二极管简称为LED。
由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)、硅(Si)等的化合物制成的二极管,当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光二极管。
在电路及仪器中作为指示灯,或者组成文字或数字显示。
当达到报警需要的条件时,比较器相应输出口输出高电平,使二极管导通,然后使得蜂鸣器和LED灯工作。
图13:
共用报警电路
图12:
下限电压报警电路
(1)
电路说明:
比较器的原理同上限,U2的741设置的比较标准电压为0.15V电压,U5的741设置的标准电压为0.1V,当AD620的输出电压小于0.152的电压时与大于0.1V时a3输出高电平,点亮LED2灯,使蜂鸣器响起。
达到在15-10KG的重量时报警。
总电路图:
图14.总电路图
五、
实验数据分析与处理
实际测量放大倍数:
(1)620原始输入:
0.02mv
620原始输出:
1.5mv
620放大后输出:
0.590v
(2)620原始输入:
0.02mv
620原始输出:
1.9mv
620放大后输出:
0.669v
(3)620原始输入:
0.2mv
620原始输出:
2.4mv
620放大后输出:
0.842v
理论计算放大倍数:
电位器电阻:
128.2Ω
分析:
测量的放大倍数和理论放大倍数的差距在误差允许的范围之内,但是有点波动,经查明原因是由于噪声的干扰引起的。
测量误差计算:
标准重量(KG)
10
56.8
66.8
84.6
测量重量(KG)
9.8
57.2
67.9
84.8
图15:
标准体重与输出电压曲线图
横坐标是AD620的输出电压,纵坐标是传感器承受的重量。
蓝线表示标准曲线,红线是电路测线曲线。
两条线几乎重叠,说明误差很小。
9.25kΩ
+7.3v
1.2/10kΩ
上限电压比较器电阻计算:
下限电压比较器电阻计算:
+7.3v
9.42kΩ
0.139/10kΩ
+7.3v
9.3kΩ
0.202/10kΩ
六、电路设计过程中的问题及调试
电路设计过程中的问题:
差模放大电路起初用的是AD204,因为AD204比AD620更加精准,但是由于实验室没有AD204,且AD204的价格比AD620要高很多,所以最终选择的差模放大电路用的是AD620。
电路调试过程中的问题:
问题1:
起初接入传感器时,AD620放大输出的电压超过正常值,输出4.80V。
经过查明,是因为调零电路给出的电压是-2.1V。
解决方法:
将调零电路的电压端口接到+5V。
这样就可以给出一个正值的参考电压,达到调零效果。
问题2:
下限的比较器设置为0.10V-0.152V,在AD620输出电压为这个区间里面时候,LED灯会亮起,蜂鸣器会亮起。
但是,电路检测出来的结果是,当AD620输出的电压在0.1V以下时,LED灯才会亮起蜂鸣器响起。
解决方法:
由于设置下限报警是用一个与门实现的,但是现实中74LS08芯片并没有发挥预期的效果,经过检测,发现把74LS08芯片的输入的两个引脚直接短接,出来的结果可以达到与门的效果。
电路检测没有问题。
问题3:
由于起初接入传感器时,调零后还会有波动,开始以为是噪声问题,于是接上50HZ的巴斯沃特低通滤波器。
接入低通滤波器后,测试的结果是LED灯和蜂鸣器不灵敏了,LED灯是还没到的报警重量就开始闪,蜂鸣器的叫声很沙哑。
解决方法:
把低通滤波器从电路中去掉,因为比较器出来的电势变化是阶跃的,加了滤波器以后波形变得平滑了,所以才会出现上面的问题。
至于有波动,是正常现象,因为实验室里本来就有细微的电势变化,经过传感器和AD620的放大以后,就变得有点波动,但是波动也只是0.01级别的波动,不影响正常测量。
七、电路系统实物验证
图16:
下限报警启动
如图,把一个10KG的物体放在秤上,测得重量是10.2KG。
刚好达到10-15KG的下限,绿灯亮起,蜂鸣器响起。
图17:
上限80KG报警启动
当超过80KG时,红灯会亮起报警。
图18:
上限停止报警
低于80KG时上限红灯灭,停止报警。
八、总结
经过两个星期的课程设计,从最开始的了解任务详情,到整理思路,再到设计电路,然后搭电路,最后调试查错。
我们实践学习中学习到了很多关于电路的知识。
整理思路:
我们的任务是设计一个电子秤,要求在较轻的质量测量时,电路会报警,提示质量较轻。
如果质量太大,也会报警。
知道这两个要求以后,我们便有了思路,可以用两个比较器实现。
于是便开始设计了两个741芯片的计较器。
我们打算用一个全桥电路来模拟压力传感器的输出,以便和信号放大调零的电路。
我们查询资料,决定用四个电位器模拟全桥电路,用AD620作为信号放大芯片。
设计电路:
我们用的是protues8.0的电路仿真软件。
在设计电路的过程中,我们经过在软件上仿真,模拟调试电压和电阻,确定电路安全可靠。
最后把电路设计出来以后,能够正确地仿真。
搭建调试电路:
搭建和调试电路是计较麻烦和耗时间的工作,这个工作有我们一起完成,在调试的过程中出现了很多问题,我们经过电路的原理分析,最终得以解决。
在这次的测控电路的课程设计中,我们学会了一些基础的电路故障排查方法,并且能够设计一些简单的电路系统。
参考文献:
《电工学》秦曾煌2009年六月第七版
《传感器原理及检测技术》梁福平2014年2月第一版
《测控电路及应用》史红梅2011年1月第一版
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- 测控 电路设计 实践
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