学习情境二电子秤设计与制作

学习情境二 电子秤设计与制作

任务分析 1 方案设计 2 硬件设计与装调 3 软件设计与调试功能、技术指标测试技术文件编写与归档 4 5 6 电子秤设计工作过程

学习任务 要求设计并制作一台实用电子秤,电子秤的用途自行确定，根据用途确定电子秤的主要功能和性能指标，具体设计方案由小组制定。任务书

任务分析 根据所给的任务，结合引导性问题，深入企业和市场进行调研确定所要设计的电子秤的功能和技术指标、检测方法等，以小组为单位完成表1内容。

引导性问题 任务分析（1）生活中哪些场合用到电子秤？（2）常用的电子秤的种类有哪些？（3）电子秤有哪些常用的功能？（4）电子秤的精度如何区分？（5）电子秤的量程如何确定？（6）电子秤的主要部件有哪些？（7）电子秤是如何工作的？（8）有关电子秤的法律法规国家有哪些标准？

题目专业班级组长组员电子秤的用途电子秤实现的功能 1、 5、 2、 6、 3、 7、 4、 8、电子秤的技术指标 1、 5、 2、 6、 3、 7、 4、 8、检测标准检测设备检测方法表1 任务分析表

电子秤的技术指标 电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。（1）量程：电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。（2）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。（3）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max = n •d

电子秤的技术指标 国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围。

设计要求 设计一种小型、简便、精确度高的电子秤，量程20Kg，分度值为5g，用一个显示窗口来显示所称物体的重量。基本功能：置零、超重报警可选功能：去皮、标定

置零：在开机或称重过程中，仪表显示偏离零点且在称重范围内，则可按[置零]键，显示零值并零点指示灯亮。置零：在开机或称重过程中，仪表显示偏离零点且在称重范围内，则可按[置零]键，显示零值并零点指示灯亮。 • 去皮：在称重显示状态下，按[去皮]键，则显示零值并去皮指示灯亮；在去皮状态下，拿掉皮重物时按[去皮]键，可以清除皮重值。 • 标定功能：为保证仪器预定精度的可靠性和合法性，仪器必须定期校准，为用户提供一种方便的自动校准方式。

任务学习引导：电子秤的组成 1．电子秤的基本结构电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量的大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：图2-1 电子秤的基本结构

任务学习引导：电子秤的组成 （1）承重、传力复位系统它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。

任务学习引导：电子秤的组成 (2)称重传感器即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。

任务学习引导：电子秤的组成 对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。

任务学习引导：电子秤的组成 (3)测量显示和数据输出的载荷测量装置即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。

任务学习引导：电子秤的系统结构 图2-2 电子秤测量系统的结构框图

任务学习引导：称重传感器 称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误差的50%~70%。若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。称重传感器的种类很多，根据工作原理来分，常用的有：电阻应变式、电容式、压磁式、压电式、谐振式等。

任务学习引导：称重传感器 ① 电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当的方式组成电桥，将力（重量）转换成电信号的转换元件。 ② 电容式称重传感器是把被称物体的重量转换为电容器容量变化的一种传感器，它以各种不同类型的电容量作为转换元件，实际是一个具有可变参数的电容器。由于电容式传感器存在输出特性的非线性，寄生电容、分布电容对灵敏度和称重精度的影响，传感器连接电路比较复杂等问题，直接影响到它的可靠性，所以限制了它的应用。

任务学习引导：称重传感器 ③ 压磁式称重传感器也称磁弹性传感器，它是一种力—电转换的无源传感器。它的工作原理是利用压磁效应，将被称重量的变化转换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号。压磁传感器具有输出信号大，抗干扰性能好，承载能力强，不均匀载荷对测量准确度的影响小，能在恶劣的环境中工作，结构简单便于加工等优点；缺点是准确度低，反应速度慢。它常用于冶金、矿山、运输等工业部门的这种要求承受大吨位，并要求牢固可靠；安全报警等测力或称重场合。

任务学习引导：称重传感器 ④ 谐振式称重传感器也称频率式传感器，它是利用机械振子的固有频率或石英晶体的谐振特性，随着被称物体重量的变化产生频率变化现象而形成信号的一种传感器。谐振式传感器可分为振弦式、振梁式、振膜式、振筒式、振管式和晶体谐振式等多种类型。

电阻应变式称重传感器 电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件，利用它可以将测得的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计，它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。在电阻应变式称重传感器中，通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。电阻应变式称重传感器的工作原理框图如图3所示。图2-3 电阻应变式称重传感器的工作原理框图

金属电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成, 如图所示。

电阻应变式称重传感器 电阻应变式称重传感器的桥式测量电路如图4所示。 R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。图4 桥式测量电路

电阻应变式称重传感器 当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片将不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+R1、R+R2、R+R3、R+R4时，电桥的输出电压变为：

电阻应变式称重传感器 • 电桥的输出电压和4个桥臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，R1、R3为正值，R2、R4被压缩，阻值减小，R2、R4为负值，再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即

称重传感器主要性能指标 • 输出灵敏度 • 非线性误差 • 不重复性 • 零点不平衡输出

称重传感器的选择 • 阅读P57页（称重传感器的选择），回答以下问题： 1 传感器的数量如何确定？ 2 传感器的量程如何选择？

1 AD转换过程主要分哪四个阶段？采样频率应该满足什么要求？ • 2 积分型ADC的优缺点是什么？ • 3 ADC有哪些类型？ • 4 积分型、逐次逼近型、并行比较型的ADC转换速度的关系是怎样，那个最快，那个最慢？ • 5 分辨率与精度是否是一回事？ • 6 对于P60~P71中列举的5种常用ADC，哪一个是并行输出、那个是串行输出、那个是BCD码输出、那个可使用内部时钟？ • 7 结合自己的经验说一下选择AD转换器的依据有哪些？

8 如果被采集信号的变化速率为8Mhz，则选择的AD转换速率为多少合适：8Msps、10Msps、12Msps、40Msps？ • 9 电子秤的量程为20Kg，分度值为5g，精度为0.01%，则选择多少bit的AD合适？ • 10 在与第9题相同要求下，请从课本中选择合适的AD，并说明原因。

任务学习引导：A/D转换器 • 电子秤A/D转换器的选用电子秤作为法定的计量器具，其技术指标、稳定性、可靠性都有严格的要求，必须符合国家的标准，因此，在设计时对于器件的选择不仅要考虑成本，还要考虑电路的稳定性，因此尽可能的使电路设计的器件少。采用 △ － ∑ （Delta-Sigma）技术制成的A/D转换芯片，具有较高集成度，它通常集放大器、模拟开关、A/D转换器、比较器、数字滤波器、输出接口集于一体，仅需几个外围器件便构成一个完整A/D转换系统，大大减少了印刷线路板布线。由于其集成度高，所以故障概率较采用分立元件A/D转换系统和明显降低，进而提高系统可靠性。

任务学习引导：A/D转换器 其内置高性能仪表放大器，大大降低对信号源的要求。电子秤电阻应变式称重传感器输出信号为mV级，若采用一般的A/D转换器往往需要放大后才能进行A/D转换。而△ － ∑ A/D转换器大都采用了增益可编程放大器，可编程数字滤波、多种自校准技术等多项先进技术，并多数采用微处理器来管理与控制转换程序，由于采用了多种综合技术措施，放大器的增益调整、数字滤波和误差校正都集中在同一芯片中，外围器件少，使用方便可靠。它的这些优点正符合电子秤正朝着小型化，高精度，智能化方向发展。因此，电子秤的设计可以考虑选用 △ － ∑ A/D模数转换器。

2 方案设计 完成任务分析表后即确定了所要设计的电子秤的功能和技术参数。如何实现这些功能和技术参数呢？人员、工作进展时间如何安排？方案制定

2 方案设计 工作过程硬件设计方案的制订软件设计方案的制订设计方案的汇报确定学习计划和工作计划完成设计方案

2 方案设计 ●硬件设计方案结合引导性问题以小组为单位自拟与硬件设计有关的内容，包括硬件电路框图、所确定功能的实现方法及主要部件的选择以及小组各成员的分工情况。

引导性问题 2 方案设计（1）称重传感器的选择及依据？称重传感器有哪些类型？电子秤中常用的传感器是哪种？称重传感器的技术指标有哪些？称重传感器的输出信号有多大？

引导性问题 2 方案设计（2）A/D的选择及依据？ A/D有哪些类型？ A/D的技术指标有哪些？ A/D的输入信号范围是多少？（3）人机接口设计及依据？

2 方案设计 硬件设计方案要求 (1)能根据功能和技术指标的要求，提出有针对性的问题，提出的问题与实际情况相符,并能主动解决。 (2)系统结构清楚，信号表达正确，符合功能要求。 (3)主要器件的选择，保证所设计的电子秤具有较高的性价比，能够满足功能和技术指标的要求。

2方案设计 ●软件设计方案结合引导性问题以小组为单位自拟与软件设计有关的内容，包括软件模块划分、称重数据处理技术及小组各成员的分工情况。

引导性问题 2 方案设计（1）仪表中常用的数据处理技术有哪些？（2）电子秤中的数据信号需进行哪些处理？（3）编程思路如何？软件模块划分为哪几块？（4）各模块如何实现？

2 方案设计 软件方案设计要求 (1)能根据功能和技术指标的要求，提出有针对性的问题，提出的问题与实际情况相符,并能主动解决。 (2)软件编程思路明确，数据处理技术表达正确，符合功能要求。

2 方案设计 ●方案设计汇报学生完成方案设计，以小组的形式在班级中汇报，指导教师和班级其他小组的成员对该方案进行评价，对方案中的不足之处进行指导和改进。要求：PPT简洁、美观、信息量大，汇报条理性好，语言流畅。

2 方案设计——秤体

2 方案设计

2 方案设计——传感器 电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。传感器的变形量很微小，特别注意：不要超载。如果在外力撤除后不能恢复原形，发生塑性变形，就会损坏传感器。

2 方案设计——传感器 在额定载荷下，供桥电压为1v时的输出电压，在任意载荷下，传感器输出电压= 所加载荷*供桥电压*输出灵敏度/额定载荷

2 方案设计——A/D转换器 设计要求：设计一种小型、简便、精确度高的电子秤，量程20Kg，分度值为5g，用一个显示窗口来显示所称物体的重量。基本功能：置零、超重报警可选功能：去皮、标定 A/D转换器： 1、利用运放搭双积分AD 需要了解双积分ADC,需要扎实的模数电知识。 2、常用ADC——ICL7135 AD转换前需要对传感器信号进行放大处理。 3、 △ － ∑芯片——CS1180 片内集成了可编程放大器。 4、专用芯片——HX711 24 位 ADC，片内集成了稳压电源、时钟振荡器、可编程放大器等。所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。

放大单片机控制积分单片机控制比较单片机控制计数 2 方案设计——自搭双积分A/D

2 方案设计——常用ADC：ICL7135 优点：双积分型A/D转换器精度高，速度较慢，具有精确的差分输入，输入阻抗高，可自动调零，全部输出与TTL电平兼容。具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。作为电子秤，系统对AD的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。缺点：需要前级放大处理单元和稳定的基准源。

2 方案设计——常用ADC：ICL7135 前级放大：方案一、利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。方案二、由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器。电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量，每一级运放都会引入较大噪声。对精度影响较大。

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