电子配料秤课设报告

前  言

      在现代工业生产中，电子配料秤有着非常广泛的应用，它适于用计算机技术控制生产过程,采用高精度的传感器，响应速度快、分辨率高；电子配料秤结构简单、质量轻、安装调试使用方便；它没有机械磨损，故稳定性好；传感器的密封性良好，适合在恶劣环境下工作；采用电子配料秤还可以提高劳动生产率、减轻劳动强度、保证饲料产品的质量、降低生产成本，以及促进企业管理水平的提高。因此，我国现代企业均采用以电子配料秤为核心的配料计量系统。

电子配料秤原本的定义是一种预先给定质量比例，对被称物中的几种物质进行配料计量的衡器。但由于自身能力的限制和课程设计的要求，我们着重处理其称重显示及自动控制加料功能。

本次设计的主要思路是通过称重传感器将重物的质量信号转换成电信号在电路中进行传递，经过模数转换，数量校准并与预置数比较达到自动控制加料的目的。

我们所设计的电子配料秤可用于工厂车间的重物称量，配有一个可控制加料阀门，阀门打开均匀加料，电子配料秤开始称量，达到设定重量后自动停止加料。称量范围是10KG到500KG的物体，精度为0.1KG

本小组成员在认真分析本次实验设计要求后，初步确定了设计方向以及所需的各元件，再通过图书馆和网络收集到大量相关元件的详细资料，对多种方案进行综合分析选取。确定整体模块后虽由小组成员分工完成，期间也多次交流，请教老师，学长指导，同学帮助，数次修改方案，调试仿真并检验后才汇总得到该篇论文。由于本小组成员能力有限，论文略显稚嫩，但确实我们两周奋斗的结果，若有疏漏或者错误之处请直接指出，我们乐于接受批评和意见！

电子配料秤

摘要：

在现代工业生产中，电子配料秤有着非常广泛的应用，它适于用计算机技术控制生产过程,采用高精度的传感器，响应速度快、分辨率高。

我们所设计的电子配料秤可用于工厂车间的重物称量，配有一个可控制加料阀门，阀门打开均匀加料，电子配料秤开始称量，达到设定重量后自动停止加料。称量范围是10KG到500KG的物体，精度为0.1KG。

我们的设计共分六大个的模块：集成恒流源模块(两个，分别提供5V和6.5V直流电压)、称重传感模块、模数（A / D）转换模块、13位2进制-10进制转换校准模块、预置数模块、比较模块。本电路应用压敏电阻构成秤重电桥来采集电压的微小变化（mV级），输入到A/D转换芯片ADC16，将输入的模拟电压信号转换成数字信号再校准为重量用LED输出，然后把LED得输入端接到比较模块与预置数（重量）进行比较得到一个高低电平接到继电器控制加料阀门的开关，从而达到自动控制加料的要求。

关键字：集成恒流源    称重传感器    数模（A/D）转换    比较器   2-10进制转换     LED显示

设计要求：

1. 配料称重范围10Kg～500Kg；

2. 配料设定重量连续可调，到达设定重量自动停止加料；

3. 配料重量的自动显示；

4. 配料精度优于1％。

    依任务书要求，配料秤重范围是10kg到500kg，称量范围比较广，要求精度优于1％，那么LED灯需要四个分别输出百位、十位、个位、十分位，外加一个小数点。要求重量连续可调，达到预定重量自动停止加料，为满足这一要求，我们的预置数要可直接输入并显示出来，LED部分与称量显示对应，还需要一个比较模块，比较结果输出来控制加料阀门开关。

根据设计要求，我们设计的电子秤需要称量精确到到0.1Kg；应现实生产车间环境要求，只有220V交流电压，而我们许多环节需要5V直流电压，于是我们需要取220V交流电压做一个直流稳压电源输出5V直流电压；预置数输入需要直观和人性化，我们要做到输入十进制数然后转换为8421BCD码LED同步输出。比较模块的输出要控制加料阀门，所以还需要一个继电器。

1.21方案一：把力敏电阻串联到全桥的一个桥臂去，重量增加导致全桥出来的电压信号变化，把电压信号通过运算放大器放大，输入到ICL7107再接LED显示，放大输出的电压信号再接去ADC16进行数模转换，受精度要求限制，经计算需要取ADC16的13位，即输出13位2进制数，用ROM或者单片机转换成4位10进制数，再与预置数在比较环节（四片级联的74LS58）重进行比较，得到一个高电平或者低电平控制继电器从而控制加料阀门的开闭。

1.22方案二：把力敏电阻串联到全桥的一个桥臂去，重量增加导致全桥出来的电压信号变化，把电压信号通过运算放大器放大（需不需要运放，计算后再定），输入ADC16进行数模转换，受精度要求限制，经计算需要取ADC16的13位，即输出13位2进制数，用ROM或者单片机或其他方式转换成4位10进制数，再与预置数在比较环节（四片级联的74LS58）重进行比较，得到一个高电平或者低电平控制继电器从而控制加料阀门的开闭。称重显示环节是将ROM或者单片机转换后的4位10进制数直接接LED输出。

1.23方案三：把力敏电阻串联到全桥的一个桥臂去，所选用的力敏电阻和全桥满足增加0.05KG电压输出改变0.1MV，输入ADC16进行数模转换，受精度要求限制，经计算需要取ADC16的13位，并且通过改变ADC16的比较电压VREF让其满足VIN每增加0.1MV输出加0000000000001，这样每增加0.1kg电压改变0.2MV，ADC16输出的最低位D0，从0到1再到0，提供一个下降沿，送去74LS160N的CP口，这样，74LS160N的计多少数就是有多少个0.1KG。从而省去了13位2进制数转换成4位10进制数和校准的复杂环节。

方案一的优点是可控制性好，所用的ROM,ICL7107，集成度高，用起来也方便，问题是multisim找不到这些芯片，仿真不了。而且课设要求是用我们所学的数字电路知识，运用简单数字芯片进行设计，单片机需要编写程序进行数据处理，故我们不采用。

方案二设计合理，但是再2-10进制转换上有很大问题，在MULTISIM里去构建一个我们所需的ROM型号对我们来说实在很难，用门电路实现过于复杂，若是用加法器和减法器组合实行转化，电路也不简单，所以次方法我们不采用。

方案三相对前两种方案要简单许多，我们对重量-电压量-二进制数之间的对应关系做文章，使整个电路简单化，在不影响电子配料秤功能的前提下设计出了一个在我们能力范围内的电路。所以我们决定采用方案三。

1.4总体设计方案框图及分析

2.1  稳压直流恒流电源设计

要使整个电路能正常工作是离不开直流电源的供电的，在我们的这个电路中称重传感模块、模数（A / D）转换模块、13位2进制-10进制转换校准模块、预置数模块、比较模块都需要提供直流电压，其中模数（A / D）转换模块需要6.5V直流电压，其他的模块需要5.0V直流电压。获得直流电源的方法很多，如干电池，蓄电池，直流发电机等，在实际中一般采用的是对交流电源经过变换而得的直流电源。

2.1.1稳压直流电源的组成及原理

小功率直流稳压电源是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路4部分组成的，其组成框图如图2.1.1所示。工作的过程是：先由电源变压器将电网电源提供的220V交流电压变换成所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压转变成单方向脉动的直流电压。单方向脉动的直流电压中有较大的波纹，需要经过滤波器加以滤除，才能得到比较平滑的直流电压。但是该直流电压还会随着电网电压的波动（一般为10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化，为此还应有稳压电路来维持输出直流电压恒定。电路的整流和稳压过程如图2.1.2

u?                u?              u?              u?                U?                                                     ○                                                                     负 载           

  ○○

图2.1.1   直流稳压电路组成框图

u1                 u2              u3                          u?                     U0

    2.1.2方案论证

方案一：

单相半波整流电路：

单相半波整流简单，使用器件少，它只对交流电的一半波形整流，只要横轴上面的半波 或者只要下面的半波。但由于只利用了交流电的一半波形，所以整流效率不高，而且整流电 压的脉动较大，无滤波电路时，整流电压的直流分量较小，Vo=0.45Vi，变压器的利用率 低。

方案二：

单相全波整流电路：

使用的整流器件较半波整流时多一倍，整流电压脉动较小，比半波整流小一半。无滤波 电路时的输出电压Vo=0.9Vi，变压器的利用率比半波整流时高。变压器二次绕组需中心抽 头。整流器件所承受的反向电压较高。
方案三：

单相桥式整流电路：

使用的整流器件较全波整流时多一倍， 整流电压脉动与全波整流相同， 每个器件所承受 的反向电压为电源电压峰值，变压器利用率较全波整流电路高。

    综合三个方案的优缺点，决定选用方案三

   2.1.3工作过程及集成恒流源模块总图

   图示图2.1.3是放大器INA105_CMP组合的系列集成稳压器输出固定电压的稳压电路。我们设计的该稳压直流恒流电源具有可调节输出电流大小和电压大小的功能，可提供电子配料秤中所有使用电源的器件。

输入端为克服整流电路的的缺点，变压器还只是采用只有一个副边的线圈，来实现全波整流。为此我们的电路中用图中所示的单相桥式整流电路。此电路中用了四个二极管，相互连接成电桥形式，从而输出的电压的直流成分比较高，输出波形的脉动比较小；二极管承受的最大反向电压较低，即对管子参数的要求降低了；而且电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器的利用率得到了提高。

在桥式整流电路后面是电感C2和R2组成的RC滤波电路，经过滤波之后，输出直流电压增大了，同时它的脉动成分也得到了降低，并且这些变化与放电常数R?C有关，R?C越大，电容放电速率越慢，负载上的平均电压越大，负载电压中的纹波成分越少，而且电筒滤波的输出直流电压是随着输出电流的变化的变化而变化的。

三极管Q1是以射极输出器形式连接的，在电路中起调节的作用，称为调整管。Q1跨接在直流输入电压的和负载之间，整流滤波电路的输出电压（即直流输入电流）作为它的直流电源，其工作点设置在放大区。而放大器的作用是将稳压电源输出电压的变化量先放大，再送到调整管的基极。这样只要输出电压有一微小的变化，就会引起调整管Q1的管压降

产生较大的变化，从而提高了稳压效果，而且放大倍数越大，输出电压的稳定性就越高。

图2.1.4为电路中为满足模数（A / D）转换模块

图2.1.3 稳压直流恒流电源

    2.2 传感器模块

电子配料称的首要环节就是将重量信号或压力信号转换成电量信号，这一任务由称重传感器完成，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、精度高且温度稳定性好的特点，所以本设计中用此器件 。

2.2.1  传感器基本工作原理

传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。传感器种类很多，我们要用到的是电阻传感器，下面我们重点说说它的原理。

导体或是半导体材料在外力的作用下产生机械变形时，其电阻值也会发生改变，这种现象称为电阻应变效应，根据这种效应可将应变片粘贴于被测材料上，这样被侧材料受到外力的作用产生的应变就会传到应变片上，使应变片的阻值发生变化，通过测量应变片的阻值变化就可知道测量电阻的大小。

     常用称重传感器采用金属电阻应变计组成测量桥路，

    设金属电阻丝的长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的是μ，扬式模量为E,R是电阻应变片的初始阻值，当这根电阻丝未受外力作用时，R = ρL/S（Ω）    （1）

在导体的两端受F力作用时，就会产生机械形变，电阻的变化量为ΔR，设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

    对式（一）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有：

　　ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2     （2）

用式（一）去除式（二）得到

　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S        （3）

    另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则 Δs = 2πr*Δr，所以

　　ΔS/S = 2Δr/r                     （4）

   从相关资料我们知道

　　Δr/r = -μΔL/L                     （5）

   其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（四）（2—5）代入（2--3），有

　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L

　　=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

　　= K *ΔL/L =Kε                     （6）

    K为灵敏系数，ε为应变，又

       F=EAε/2(1+μ)                      7)

之所以选择为全桥电路是因为相对于单，双，三应变电，他可以消除非线性误差，同时具有温度补偿作用。U0=ΔRU/R=KUε    (8)

由(2-7) (2-8)知;

     U0=2UK(1+μ)F/SE                    (9)

    称重传感器本身具有单调性，其主要参数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。

称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。

2.2.2承重传感器总误差

总误差是指输出误差和额定误差的比值。典型电子秤的总误差指标大约是0.02%，这一技术指标相当重要，它限制了使用理想信号调节电路所能达到的精确度，决定了ADC分辨率 的选择以及放大电路和滤波器的设计。

称重传感器也产生与时间相关的漂移。

基于量程，非线性、蠕变、重复性、滞后、灵敏度等技术指标本次设计中采用的是8703型测力传感器，K=1.75mv/v，激励U=17V,测力范围在0～5KN,当侧力5KN时，U0=29.75mv

    2.2.3 传感器电路图

                         2.2.2传感器电路图

     2.2.4 传感器输出电压与总量的对应关系

我们的重量-电阻变化-电压变化关系如下：

2.3 A/D转换模块

该模块把放大器放大的信号转化成数字信号与预置数进行比较，来实现加料口开关的控制。主要应用的芯片可选用ADC16，其功能主要是把模拟信号转化成16进制的数字信号。

2.3.1ADC16引脚介绍

引脚功能：

Vin：信号输入                             

Vref+，Vref-：参考电压

Vref+，Vref-：参考电压

SOC：                                                                           时钟脉冲输入                       

                  O E：  输出允许

                              EOC：  转换结束                        

    图2.4.3DC16管脚图与管脚功能          D0—D15：数字信号输出

2.3.2连接图

图2.34  ADC16连接图

2.3.3.参数选择与VIN电压与输出二进制数的关系

由于精度优于+-1%，那么需要精确到0.1KG。

     为了简化对输出的处理，我们还找到了关于输出的如下对应关系：

0.05kg---0.2885欧---0.100mV---0000000000001---1

0.10kg---0.5770欧---0.200mV---0000000000010---2

0.15kg---0.8655欧---0.300mV---0000000000011---3

……

0.05x kg---0.2885x欧---0.100x mV

为了在电路中也出现如此对应关系，需要调节一些参数的设定，由上表得到ADC精度要求为0.1mv,则VREF+=0.1mvX2e13，经过调试，得到VREF+加6.5V时能到达上述要求。

调试过程截图：

2.6.3  当VIN为0.7MV时输出为7（其他端口经检查确实输出为0）

2.4 称重显示模块

由此看出每变化0.1kg，D0位出现一次下降沿，我们可以用D0当做时间脉冲，让四个级联的74LS160N计数，74LS160N是十进制计数器，计到十，RCO端口由0到1，接与非门，提供下降沿，级联到高一位的74LS160CP口进行计数。

接线图如下：

2.4  称重模块

2.5 预置数模块                                                

为了方便人们的使用，预置数输入和显示我们采用十进制方案，整个预置数模块我们分为以下及几个部分

2.5.1 十进制输入键盘

输入键盘在multisim上我们用Generic/DIPSWPCK9代替，其管脚如下图。九个小开关从左到到右分别代表9、8、7、6、5、4、3、2、1，开关下端全接直流恒压源的5V电压，哪个开关按下就接通高电平，例如，就会输出；输入0：   。百位，十位，个位，十分位的输入都采用这种方式，在具体生产的时候，需将此开关改装成键盘的样子。

2.5.2 输入编码

由2.5.1所述接法可知，按下开关6代表输出111011111，我们选用74LS147N为其编码，把开关的9个输出接到74LS147N的9个输入口然后再四个输出各接一个非门就能得到0110。  

2.5.3 LED输出十进制

关于LED输出我们有两种方案，方案一：用我们熟悉的7447七段数码显示译码器，再接上SEVEN_SEG_COM_A；方案二：再熟悉MULTISIM的使用后发现里面的DCD_HEX可以直接接8421BCD码并将其翻译成十进制数。由于方案二比一简单得多，所以我们毫不犹豫地选择了方案二。

2.5.4 预置数模块总图

从左到右分别是百位、十位、个位、小数点、十分位。

图2.5.4预置数模块总图

    2.6 比较控制模块

    2.6.1比较部分

2.6.1.1 74LS147N比较器原理

比较器的主要依据74LS85D进行实现，其功能A3～A0,B3～B0进行比较输出。

其管脚图如下：

      管脚功能： A0～A3、B0～B3 两个比较输入

                AGTB、AEQB、ALTB  上一级的级联

                OAGTB、OAEQB、OALTB  输出比较

图2.6.11   74LS85D管脚图及功能

图2.6.1 2  74LS85D逻辑功能表

   2.6.1.2比较器级联

       要比较四位十进制数，需要对74LS58D级联。

对于74LS85的级联方式有并联与串联的区别，为了提高其工作效率及对测量的不影响，所以在设计的电路中采用并联的级联方式。五片芯片AGTB和ALTB接地，AEQB接一，百位十位个位十分位输出AGTB、ALTB分别接A3B3…A0B0。

具体电路图如下图所示：

图2.6.1.2      74LS85级联

    2.6.1.3输入端接法

    依本设计图安排，从左到右分别代表十分，个，十，百位，将预置数与重量计数的十分 个 十 百位分别在上图相连即可，要主意的是：预置数接A，实际重量计数接B

2.6.2可控开关的设计

从2.6.1.3可知，若是重量没有超过预置数，那么上图U4的OALTB端输出1，若是超过，输出0。我们可在输出上接非门再接一个继电器来达到控制加料阀门的目的。

我们最后选用了voltage_controlled_switch代表继电器，用下图中的DC_MOTOR代替加料阀门，V5代表220V交流电源，得到了控制部分的图形：

图2.6.1.3  控制部分

我们所设计的电子配料秤可用于工厂车间的重物称量，配有一个可控制加料阀门，阀门打开加料，电子配料秤开始称量（实时显示），达到设定重量后自动停止加料。阀门打开后在一般情况下是均匀加料的，但是若不是均匀加料，此电子秤依然能做到正确计数。称量范围是10KG到500KG的物体，精度为0.1KG（依技术要求而定）。

设计共分六大个的模块：集成恒流源模块(两个，给各芯片提供5V电压和给ADC16的VREF+端口提供6.5V直流电压)、称重传感模块（依我们的需求选择合适的力敏电阻）、模数（A / D）转换模块（用ADC16实现）、13位2进制-10进制转换校准模块（用D0位的变化提供下降沿进行加法计数）、预置数模块（直观的十进制输入）、比较模块（5片74LS58级联而成）。本电路应用压敏电阻构成秤重电桥来采集电压的微小变化（mV级），输入到A/D转换芯片ADC16，将输入的模拟电压信号转换成数字信号再校准为重量用LED输出，然后把LED得输入端接到比较模块与预置数（重量）进行比较得到一个高低电平接到继电器控制加料阀门的开关，从而达到自动控制加料的要求。

在对六个模块分别调试仿真成功后，我们开始连接总设计图，由于线路比较繁杂，我们花了很长时间布线调整才得到了下页的这张总图，但是由于我们能力有限，总设计图线路还是不够清晰，请读者见谅。

3.1电子配料秤总图

本设计实验运用了稳压直流恒压电源、重力传感器、A/D转换器、比较器、计数器、LED数码管显示器等各种元器件和芯片，就我们在这方面的知识水平来说，电路结构是十分复杂的！从一开始设计的摸不着门路，到四处查阅资料，向学长老师求助，到找对大方向，到豁然开朗理清思路，到遇见问题迷茫失措，再到最后改改修修得到总设计图，我们真的付出了很多心血，也收获颇多！其实最后的设计图离我最开始的设计设想是有一定的差距的，由于我们对AD转换这方面知识比较浅薄，也有受到其他设计图的误导，资料不足，时间不够，中间走了很多弯路，但其中最主要的原因还是知识水平有限！通过这次课设，我真的对数字电路模拟电路有了浓厚的兴趣，觉得这是门复杂、神奇、有趣的学科，当然也是一门很费时间、费脑力、费体力、需要细心的学科！电子配料秤的设计还有其他更好的设计方法，我们现在所用的只是最原始的芯片材料，但这是基础。真正的电子秤设计需要用到集成度更高的芯片，或者用到单片机，继续深入学习这类知识肯定能找到更简单合理的控制方案。

感谢父母对我的支持和物资帮助

感谢同组同学的倾力协助

感谢老师、学长的热情指导

感谢同学的建议

感谢同学的电脑

感谢图书管提供的资料

感谢强大的互联网平台

感谢multisim给我的方便和阻碍

衷心谢谢你们！

元器件明细表

收获与体会

在这个课设中我主要负责的是稳压直流恒流电源模块，传感器模块模块，但是期间有很多问题存在，远没有当初想的那么简单，而且因为自己的知识有限，在课设的过程中，各种拙荆见肘，让我倍感压力甚大。让我认识到知识和学习的重要性，让我为自己在大学期间的堕落和不务正业深感惭愧。

经过这次课设，我也明白了合作的重要性。在先前的方案确定中，我们在一起商量了很久，三个人的想法汇集到一起，让我对本来不知所措的课设顿时感觉到一丝的轻松。在我们分配了任务之后，我们就着手开始准备。我翻阅了一些资料，发现了很多问题，而这些问题的存在的根本也是因为自己当初学习课本知识的时候没有用心，所以导致在用的时候有很多错误。但是又找不到到底问题出在什么地方，只能向同组同学求救，最后在同学的细心检查下，才将问题找到并解决。从而顺利的完成了我负责的这个模块。

对于multisim的认识和接触中，我渐渐对“科技是第一生产力”这句话的认识更深刻。这个软件强大远远超过我的认识，让我感叹人类的伟大的同时，也自愧不如。在使用的过程中，有很多时候软件中没有我要用的元器件，我们就尝试自己组建一个，但是都是以失败告终，让我更加认识到知识的重要性。

在后来的工作中，我们陆续遇到了很多困难。很多都是我们不能解决的，我们当时很苦恼，不过在我们从另一个角度想的时候就将问题简化了很多，也减少了我们的一些工作量。但是我们的这个设计还有很多问题值得去研究，如果我们在学习了更多的知识之后，这个题目中的问题一定会有很大的改善的。

这个题目共用了两周时间，期间的辛苦确实很是让我难忘。在这里再次感谢一下我的两个队友，他们真的做了很多，和他们两个的合作很愉快，期待以后的合作中我能贡献更多的力量。

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