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1、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工程学院测控0901林杰20090107442012/6/20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 41、称重传感器模块52、滤波及放大电路 32-1仪用放大器的原理42-2四种放大器电路论证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103、报警电路11 3-1 LM339简介11 3-2
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144、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
3、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。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
4、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。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方案。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，A
5、2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
6、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R1R6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
7、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。图2中的A1A3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A1A3)。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工艺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：
8、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=494KRg+1。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; 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
9、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题。其增益方程式为 G =49.4 k/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）k (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。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
10、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：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
11、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
12、检测等场合是比较理想的。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UinUr时，输出为高电平UOH。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（UR1UinUR2或UinUR1）输出为低电位（UO=UOL），窗口电压U=UR2-UR1。它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。 3-4、体重秤中使用的电路很多同学采用了双限比较器，我们认为双限比较器比较适合在温度监测系统中使用而不适合在体重秤里使用，如果使用了下限，那么没人站上去的时候也会响个不停，没
