目录
1设计的任务与要求 (2)
1.1 设计基本概述 (2)
1.2 设计要求 (2)
2.方案论证与选择 (2)
2.1 电子称的系统方案 (2)
3 压力传感器 (3)
3．1应变片 (4)
3．2惠斯通电桥 (4)
4.放大电路 (6)
5 A/D转换模块 (7)
6 LCD12864显示电路 (8)
7 系统电路总图及原理 (8)
8 总结 (8)
9. 创新创意设计以及后续开发
10．参考文献 (9)
附录A：元器件清单……………………………………………………………………１0
1设计的任务与要求
1．1 任务的基本概述
设计并制作一个以电阻应变片为称重传感器的简易电子秤，电子秤的结构如右图所示。铁质悬臂梁固定在支架上，支架
高度不大于40cm ，支架及秤盘的形状与材质不限。悬臂梁
上粘贴电阻应变片作为称重传感器。
1.2要求
（1）电子秤可以数字显示被称物体的重量，单位克（g ）；
（10分）
（2）电子秤称重范围5.00g~500g ；重量小于50g ，称重误差小于0.5g ；重量在
50g 及以上，称重误差小于1g ； （50分）
（3）电子秤可以设置单价（元/克），可计算物品金额并实现几种物品金额的累
加；
（15分）
（4）电子秤具有去皮功能，去皮范围不超过100g ； （15分）
（5）其他。 （10分）
（6）设计报告： （20分）
*说明
（1）铁质悬臂梁可用磁铁检验，悬臂梁上所用电阻应变片的种类、型号、数量
自定。
（2）测试时以符合称重误差的砝码为重量标准。应变片
2.方案论证
2.1 电子称的系统方案
电子秤系统方案：
电子秤的系统流程图：
被测物体→压力传感器→放大电路→AD 转换模块→51单片机（算法）←键盘
↓
LCD12864显示模块
基本思路：所测重量经过应变片变化转换为电阻变化，再经过测量电路转化
为电压变化，经过放大电路放大调节后输出显示得到所需信号。经过对51单片
机的编译，对所得信号进行运算处理，得到需要的结果并在LCD12864上显示。
MCU 的选择：
基于对成本的考虑，我们采用了价格低廉的编译空间大的STC12C5A60S2芯
片。以便保存较多的中文字符组。使用C52将会出现ROM 口空间不够的情况。
3压力传感器
测量电路
电阻应变片把机械应变信号转换成电阻变化后，由于应变量及其应变电阻变
化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换
电路，把应变计的电阻变化转换成电压或电流变化，以便于测量。具有这种转换
功能的电路称为测量电路。
电桥电路是目前广泛采用的测量电路，常见的直流电桥电路如图2，
图2 直流电桥
电桥输出电压为
Uo= U （式1）
R1、R2、R3、R4为四个桥臂，当一个臂、两个臂或四个臂接入应变片时，
就相应构成了单臂、双臂和
Uo
全臂工作电桥。下面分别就单臂、半桥和全桥电路进
行讨论。
（1）单臂工作电桥
图3 单臂工作电桥
如图3所示，R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻。应变片未受力时
电桥处于平衡状态，R1R3=R2R4,输出电压U0=0，当承受应变时，R1阻值发生变
化，设为R1+ΔR ，电桥不平衡，产生输出电压为
Uo=((R1+ΔR)R3-R2R4)/((R1+ΔR+R2)(R3+R4))
设R1=R2=R3=R4=R,又ΔR< 则Uo ≈U/4 ΔR/R (2)双臂工作电桥 若在两个桥臂上计入电阻应变片，其他桥臂为固定电阻，则构成双臂工作电 桥，如图4，R1、R2为电阻应变片，R3、R4为固定电阻。当应变片承受应变时， R1电阻增大ΔR ，R2电阻减小ΔR ，这种电桥成为差动电桥。 图4 双臂工作电桥 此时电桥不再平衡，输出电压为 Uo=U/2 ΔR/R 由式知半桥的输出是线性的没有非线性误差问题，而且灵敏度比单臂提高了 一倍。 全臂工作电桥 若四个桥臂上全为电阻应变片，则构成全桥工作电路，如图5所示，R1、 R2、R3、R4全为电阻应变片。承受应变时，R1、R3电阻增大ΔR ，R2、R4 Uo 电阻减小ΔR 。 图5 全臂工作电桥 电桥不再平衡，输出电压为 Uo=U ΔR/R 由式知，全桥的电压输出是线性的，没有非线性误差问题，而且其灵敏度是 单臂的4倍，是半桥的2倍。 电子秤实验采用的是全桥测量电路，我们选取直流电源电压为8V 。所取的 应变片未承受应变时阻值R1=R2=R3=R4=1000Ω，当测量满量程200g 物体时，测得应变片阻值变化ΔR 大约在0.1~0.3Ω之间（参见文章最后实验数据记录表1、表2）。我们取ΔR=0.2Ω,U=5V,则测量电路的输出电压为Uo=U ΔR/R ≈0.0010V 。由于所选的AD 模块AD7705处理小于50mV 以下的电压变化线性状态不理想，所以需要对电桥信号进行放大。 3.放大电路 、放大电路的讨论以及决定： LM324参数： LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V 或+16V. LM324的 特点： 1. 短跑保护输出 2. 2.真差动输入级 3. 3.可单电源工作：3V-32V 应用：LM324主要应用于一般精度的放大电路。 OP07参数： OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A 最大为25μV ），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A 为±2nA ）和开环增益高（对于OP07A 为300V/mV ）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传 Uo 感器的微弱信号等方面。 特点： 超低偏移： 150μV最大。 低输入偏置电流： 1.8nA 。 低失调电压漂移： 0.5μV/℃。 超稳定，时间： 2μV/month最大 高电源电压范围：±3V至±22V OP07 管脚图 应用：OP07是一个高精度，低噪音，低失调，低温漂的放大器，一般用于微信号放大的仪表电路或传感器电路。 经过讨论，这个电子秤的输出信号很微弱，所以应该采用相对比较高精度的OP07放大器。通过对电桥的调试，输出的信号大概只有几毫伏的变化，所以我们需要把这个输出信号放大，为了达到设计要求，我们需要放大60多倍，为了有更好的精准度，决定采用二级放大，也就是采用差动放大。 OP07两级放大模块 该电路由三个运算放大器组成，Vo1、Vo2和Vo分别为三运放的输出电压。分析电路知流过R2、R1的电流相等，设为I，可以计算出理想的输出电压Vo. I=(Vi1-Vi2)/R1 （式7） Vo1=Vi1+R2i （式8） Vo2=Vi2-R2i （式9） Vo=R4/R3(Vo1-Vo2)=R4/R3(1+2R2/R1)(Vi1-Vi2) （式10） 下面就各电阻应取阻值大小进行分析： 前面已经计算过，差动放大电路的差模输入只有几毫伏的变化,而要求的最终输出电压为几百毫伏（700mV左右），故需将Uo放大60多倍。由式（10）知差分放大电路的放大倍数为R4/R3(1+2R2/R1)，主要由R4/R3及R2/R1的值决定，但R1、R3太小会从集成运放中获取太大的电流，太大的R4、R2会增加电阻产生的噪声，故其放大倍数不宜太大，我们可先通过差分放大电路将电压信号放大至300mV左右，再通过后续的放大电路将其进一步放大以达到所要求值。实验中取R2=15kΩ，R3=10kΩ,R4=20kΩ,而将R1用一个1kΩ固定电阻，即放大倍数为2(1+2*15/1)=62。 差动放大电路具有以下优点： 1）高输入阻抗。被提取的信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。 2）高共模抑制比。电路对共模信号几乎没有放大作用,共模电压增益接近零。 3）低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。 4）电路的增益可以通过改变电阻R1阻值来调节。 4．AD转换模块 结合题目要求，要求中需要制作一个精度精确到0.5，量程为0-500g的电子秤。我们选用了AD7705芯片作为AD转换芯片。 AD7705是美国模拟器件公司（其在中国注册公司为：亚德诺半导体技术有限公司）生产的模数转换器。AD7705为完整16位、低成本、Σ-Δ型ADC，适合直流和低频交流测量应用。 AD7705 采用SP I Q SP I兼容的三线串行接口，能够方便地与各种微控制器和DSP 连接, 也比并行接口方式大大节省了CPU的 I O口。下应用电路中，采用 80C51 控制AD7705，对桥式传感信号进行模数转换。此方案采用二线连接收发数据。 AD7705 的CS 接到低电平。DRDY的状态通过监视与DRDY线相编程数字滤波器等部件。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行AD转换。这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点，非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。 参数特点： 两个全差分输入通道ADC 可编程增益前端 增益范围从1至128 三线串行接口 SPI?, QSPI?, MICROWIRE?, DSP 兼容
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