电子秤设计和制作

Posted on 2021-06-30 In 一招学会运放设计 Views:

背景知识

电子秤在生活中用到的地方很多。体重秤，购物秤，首饰店的精密秤。电子秤里的三大件，压力传感器，放大器和显示。量程不同可以选择不同的压力传感器，放大器倍数。电子秤是学习运放电路的很好模型。如果配上单片机做后续控制显示，可以实现多种功能。例如称重计数量，称重算价格。本文使用电压表头来显示，适合没有单片机基础的读者。内容包括压力传感器，三运放仪表放大器，正向放大器，调零和定标。

关键字：惠斯通电桥，压力传感器，仪表放大器

方案分析：

用仪表放大器将传感器信号放大，然后经过正向放大器定标后对应到电压表头的0-5V。也就是0-50g重量对应0-5V。

压力传感器

使用应变电阻片贴在铝合金梁臂上构成。铝合金梁臂上根据量程来调制钻孔大小。量程越小，孔越大。重力使铝合金梁臂产生弹性形变，应变电阻片贴合在孔的上下面，用来将形变转化为电压变化。本文砝码盒最大砝码50g，所以选择了1Kg满量程的传感器。

惠斯通电桥。应变电阻片按照惠斯通电桥方式来组成电路。铝合金梁臂形变后，应变片电阻方式变化，则A和B点电压差发生变化。

仪表放大器

压力传感器后面接仪表放大器进行放大。1Kg压力传感器在5V激励下，最大1Kg压力时A和B电压差2mV左右。50g压力下只有0.1mV左右。非常小的电压，所以需要用仪表放大器进行放大。仪表放大器结构如下。（使用了一片 LM324 四路运放）

U1A的输出 = UA（1+R3/（0.5R5））

U1B的输出 = UB（1+R6/（0.5R5））

U1D的输出 = -1U1A （R1/R4）+ U1B0.5（1+R1/R4）

R3=R6=RG，R1=R4=R7=R8 带入上式可以得到

U1D = （UB-UA）（1+ 2RG/ R5）

RG=51KΩ，R5=100Ω，则U1D = 1021*（UB-UA）。对传感器的差分信号放大了1021倍。

调零信号加入后 U1D= 1021*（UB-UA）+ TP3 （信号源内阻50Ω，相对于51KΩ，误差小于0.1%）

电压表头和ADC的对应关系

电子秤的显示部分，即可以用电压表头也可以用ADC采样后交给单片机计算显示在数码管上。电压表头跟ADC有对应关系，帮助有单片机基础的读者使用ADC来完成电子秤。

电压表头	ADC	说明
0-5V	REF 5V	电压表头的量程0-5V和参考电压5V的ADC量程相对应。
50格	8bits	50格是电压表头的分辨率，LSB=5V/50=100mV。 8bits是ADC的分辨率，LSB= 5V/（2^8）=19.5mV

整体电路实物

增益分配

增益的作用是使压力传感器在50g砝码情况下，输出电压经过各级运放增益放大后对应到5V。仪表放大器的增益1021在前面已经计算过。下面看后两级的增益分配。先测试一下50g砝码加上后仪表放大器的输出电压。

开启电源给运放和传感器供电。运放使用正负12V供电，传感器使用5V供电。

开启万用表测试仪表放大器输出电压。测试时先调零。就在不放砝码时，使用信号源调节直流，使仪表放大器输出小于1mV。万用表的COM接GND，万用表的VΩ接仪表放大器输出U1D（原理图TP1）。信号源S1选择直流输出，接硬件电路中接原理图中的TP3位置

测试前先调零

调零后，测试50g砝码时的仪表放大器输出。在秤盘上放置50g砝码。

仪表放大器输出108mV，要放大到5V则需要增益 46倍。将46倍增益分配在后面两级上，末级推动级是固定增益11倍，所以中间级增益为4.1倍。这里中间级增益先调节到这个初始值，后面定标时细调。

增加末级741放大器作为推动级的原因

由于LM324是集成四路运放，其中三路作为仪表放大器，第四路作为正向放大器。如果用这一路来带电压表头，则它输出1mA电流时，会导致仪表放大器的零偏发生变化。因为它们的电源和GND是内部共用的，芯片内部存在一定耦合。所以用741放大器隔离一下，这样才能保证仪表放大器精密的工作。