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ICL7107CPL相关文章和问答
  • 用悬臂梁传感器设计一个电子天平 2017-10-22 10:29:42
  • 1. 设计思路

    本实验采用 悬臂梁传感器 ,所称物体产生的压力由称重传感器检测,并由传感器测量电路转化为相应的模拟电信号输出。称重传感器输出的模拟量,数值一般很小,达不到 A/D 转换接收的电压范围。所以送 A/D 转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。然后输出信号再经由 A/D 转换电路转化为相应的数字量。由于本实验采用的 ICL7107 3 位半双积分型 A/D 转换器,能直接驱动共阳极 LED 数码管,故不需要使用单片机进行相应的数据处理和转换, ICL7107 将模拟量转换为数字量之后直接将其转化成七段 LED 显示所需的字型码,输入到相应的信号电极就实现了所称物重数字量的输出。

    2. 设计方案

    将电阻丝应变片粘贴到悬臂梁上合适的位置,并接入全桥测量电路,相对的桥臂受力相同,相邻的桥臂受力相反,其中一对受拉力作用,另一对受压力作用。由于电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化,从而引起电压发生变化,即电桥的输出电压反映了相应的受力状态。利用电桥传感器测应力的变化,可以间接的测量物体的质量。传感器测出的信号经过放大电路放大处理成为符合 A/D 输入范围的电信号后进入 A/D 转换器,最后通过芯片内部电路将转换后的数字量转化为 LED 可识别的七段字型码送交 LED 显示器显示。 压力测量仪的原理在该称重系统的设计中有着极大的应用。其大概的原理框图主要由以下五个部分组成:传感器、传感器专用电源、信号放大系统、模数转换系统及显示器等组成。其原理框图如图 1 所示:

    2.1 称重式传感器

    选择合适的满足要求的传感器是实验成功的关键,本实验选择 CZL-1R 称重传感器,其量程为 3.0Kg ,而要求的量程是 0 1.999Kg ,可见该传感器的超载能力为: 150% ,在一定范围内的超载情况下具有保护作用;灵敏度 :1mV/V ;温度灵敏度漂移: 0.002% ℃;输入阻抗: 405 ± 15 ,输出阻抗: 350 ± 15 ;激励电压: 10V ;工作温度范围: -20 +60 ℃。

    2.2 传感器测量电路

    悬臂梁传感器 的测量电路通常使用电桥测量电路,它将应变电阻值的变化转换为电压的变化,这就是可用的输出信号。电桥电路由四个电阻组成,如图 2 所示:桥臂电阻 R1 R2 R3 R4 ,其中两对角点 AC 接电源电压 VUSL10= ,另两个对角点 BD 为桥路的输出 USC ,桥臂电阻为应变电阻。

    没有外界压力作用时,电桥平衡,则测量对角线上的输出 USC 为零。当传感器受到外界物体重量影响时,电桥的桥臂阻值发生变化,电桥失去平衡,则测量对角线上有输出,即 0 USC

    2.3 传感器供电电源

    参考图 2 ,设四个桥臂的初始电阻相等且均为 R ,当有重力作用时, 两个桥臂电阻增加 R △,而另外两个桥臂的电阻减少,减小量也为 R △。由于温度变化影响使每个桥臂电阻均变化 RT △。这里假设 R △远小于 R ,并且电桥负载电阻为无穷大,则电桥的输出为:

    USC= E*(R+R+RT)/( R △△ -R+RT +R+R+RT) △△△△ - E*( R-R+RT)/( R+R+RT △△△△ +R-R+RT) = E*R/ △△△( R+RT △)

    USC= E*R/ △( R+RT △)

    说明电桥的输出与电桥的电源电压 E 的大小和精度有关,还与温度有关。如果 0 ∆RT ,则电桥的电源电压 E 恒定时,电桥的输出与△ R/R 成正比。当△ RT 0 时,即使电桥的电源电压 E 恒定,电桥的输出与 R/R △也不成正比。这说明恒压源供电不能消除温度影响。

    另外,使用电压表监测传感器的供电电源 ( 用数字万用表电压挡测量输出电压 ) ,必须保证供给传感器的电压是恒定值,才能保证传感器的输出信号与被测量呈线性关系。

    2.4 放大系统

    首先,压力测量仪的放大系统是把传感器输出的微弱信号进行放大,放大的信号应能满足模数转换的要求。该系统使用的模数转换是 3 位半 A/D 转换,所以放大器的输出应为 0V 1.999V 。要求灵敏度为 1mV/V ,其输出信号只有 0 10mV 左右;而 A/D 转换的输入应为 0V 1.999V ,对应显示 0 1.999Kg ,当量为 1mV/g ,因此要求放大器的放大倍数约为 200 倍,一般运算放大器的放大倍数为 100 左右,故采用二级放大器阻容连接组成。

    其次,为了准确测量,放大系统应保证输入级是高阻,输出级是低阻,系统应具有很高的抑制共模干扰的能力。在电路设计过程中需要考虑电路抗干扰环节及稳定性。尽量选择低失调电压,低漂移,稳定性高,经济性好的芯片。电源电压为± 12V

    最后,考虑到温漂,失调电压,秤盘重量,称重过程中可能产生的电路冲击和震荡等影响测量精度的实际因素,电路中还应有调零和调增益的环节,在称重前对电子天平进行反复调零,以保证电子天平在没有称重时显示零读数;并且测压力时读数正确反映被测压力。

    2.5 模数转换及显示系统

    传感器的输出信号放大后,通过模数转换器把模拟量转换成数字量,本实验中采用 ICL7107 三位半双积分型 AD 转换器来实现模数转换,芯片型号: ICL7107CPL ;芯片封装: DIP40 ;该芯片的基本特点如下 :

    ICL7107 31/2 位双积分型 A/D 转换器,属于 CMoS 大规模集成电路,它的最大显示值为士 1999 ,最小分辨率为 100uV ,转换精度为 0.05 1 个字。

    能直接驱动共阳极 LED 数码管,不需要另加驱动器件,使整机线路简化,采用士 5V 两组电源供电,并将第 21 脚的 GND 接第 30 脚的 IN

    在芯片内部从 V+ COM 之间有一个稳定性很高的 2.8V 基准电源,通过电阻分压器可获得所需的基准电压 VREF

    能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。

    输入阻抗高,对输入信号无衰减作用。

    整机组装方便,无需外加有源器件,配上电阻、电容和 LED 共阳极数码管就能构成一只直流数字电压表头。

    噪音低,温漂小,具有良好的可靠性,寿命长。

    芯片本身功耗小于 15mw (不包括 LED )。

    设有一个专门的小数点驱动信号。使用时可将 LED 共阳极数码管公共端接 V+

    可以方便的进行功能检查。

    因为 ICL7107 转换器能直接驱动共阳极 LED 数码管,不需要另加驱动器件,使整机线路简化,所以只要在该芯片上配接 LED 共阳极数码管就能构成满足要求的数字显示表。

    1. 课程设计小结

    通过这个课题设计,我基本掌握了金属应变片组成的 悬臂梁传感器 的正确使用方法;了解了压力测量仪的工作原理及其在电子天平中的应用。在设计初期,没有一个整体的合理思路,包括要用到些什么器件也比较模糊。在对电子天平进行了详细的了解后,对设计中涉及到的原理有了一定的认识和理解。明确了整体思路以后,就开始着手单元模块的具体设计。这是设计成功的关键环节。在构思好能够实现所需功能的电路模块后,要根据课题要求,认真计算相关参数,根据实用性和经济性原则,选择抗干扰能力强,工作效率高,经济实惠的元器件来实现电路设计。其中传感器,运算放大器和 A/D 转换器以及 LED 显示器的选择是很关键的,要从众多同类芯片中筛选出经济实用的型号器件来是个破费力气但很必要的一个过程。

    根据具体的设计要求,结合实际的使用环境,通过查阅相关资料,选择合适并且经济的元器件,计算相关参数,设计单元电路等环节,一步一步向设计课题接近,这期间遇到了许多实际问题,都是在理论学习中接触不到的,通过对这些问题的认识和解决,我学到了许多知识技能,提高了自己的动手能力,分析问题、解决问题的能力以及对各元器件的的选择筛选能力

    更多有关 悬臂梁传感器 的资讯请参考: http://www.ic37.com/product/searchfile/11949.html

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