2017 年全国电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛（鼎阳杯）实验案例信息表

实验题目：个性化电子称设计

1. 课程简要信息

课程名称： 传感器原理与技术，
课程学时： 54 学时，
适用专业： 电子信息科学与技术、光电科学与技术，
学生年级： 大三下期

2. 实验内容与任务（限 500 字）

1）以应变片或者粘贴有应变片的弹性装置为对象，设计一个能够测量人体体重(0—100 千克)、测量精度不低于 0.05 千克、以数字方式显示的电子称；

2）对输入的身高可自动判断出肥胖程度；

3）进行连续数月测量体重时，如每天测量一次，可建立体重变化趋势；

4）提高要求（选作）：可建立电子秤与手机 APP 的数据通信，实时关注数据。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1）学习了解不同量程、精度要求下，测量压力的方法；

2）尽可能多地查找满足实验要求的压力应变片、应变片弹性元件，注意应变片传感器的类型、应力测量范围和测量精度、输出信号形式和线性范围等关键的特征参数；

3）选择已经粘贴了应变片的弹性元件、或者自己设计独特的弹性元件并委托加工和自行学习应变片粘贴，和传感器以获取体重压力信号，并根据应变片类型设计全桥检测电路；实验检测输入压力信号与电桥输出电压之间的线性关系，并线性修正；选择放大器类型，设计放大电路,注意放大电路的输入阻抗和增益；

4）选择将体重压力信号转换为数字信号的方法，并将其以数字的形式显示出来；

5）构思体重显示方式，选择与之相对应的模/数转换方式，设计电路结构，制定各单元电路的技术参数指标；

6）构建一个简易的电子体重秤结构，包括承重盘、弹性元件与承重盘之间的结构联系、压力传递过程、显示器件和单片机的安装结构。以从市场上新购的标准称为参照测试实验电子秤的数据及误差。

7）撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

这是一个运用数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用传感器及检测技术、信号放大、模数信号转换、数据显示、参数设定等相关知识与技术方法。并涉及测量仪器精度、线性度，硬件及软件反馈，仪器设备标定及抗干扰等工程概念与方法。

5. 教学目的（限 100 字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

在较为完整的工程项目实现过程中引导学生了解现代测量方法、传感器技术，实现方法的多样性及根据工程需求比较选择技术方案；引导学生根据需要设计电路、选择元器件，构建测试环境与条件，并通过测试与分析对项目作出技术评价。

6. 实验教学与指导

实验前讲课内容，如：知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的指导或引导。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）学习压力测量的基本方法，了解随着压力测量范围与测量精度要求的不同，在传感器选择、测量方法等方面不同的处理方法。
2）不同传感器输出信号的形式、幅度、驱动能力、有效范围、线性度都存在很大的差异，后续的信号调理和放大电路也要根据信号的特征来设计；般来说，传感器的使用说明中都有参考电路。
3）实验要求的精度并不高，主要取决于传感器；压力也是一个静态信号，因此将模拟信号转换为数字信号时可供选择的方式较多，如常规的逐次逼近型 8 位 ADC、双积分型 MC14433、ICL7106/07 等都可以采用；等等。
4）体重电压信号进入到单片机后的数据处理和显示很简单，常规的单片机均可实现这一要求，同时让同学进一步了解单片机原理和使用方式，了解单片机最小系统，训练简单编写程序的方法。
5）在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量，标定所完成的电子秤的误差；需要根据实验室所能够提供的条件，设计测试方法，搭建体重测试系统。
6）在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，

了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证

7. 实验原理及方案

1）、系统结构

2）、实现方案

首先，可供选择的应变片传感器类型有金属应变片、半导体应变片；应变片及弹性元件的种类和型号不限，可以同学们自行确定，自行在网上寻找资料和购买。

其次，根据选用的应变片不同设计信号检测电路，通常采用直流全桥电路，由于应变片的输出信号非常小，需要注意抗干扰和线性度的处理。电桥输出的信号还需要进一步的放大才可以进入到单片机，此时需要同学们运用所学知识选择相关的放大电路等等。

在将模拟信号转化成数字量时，也可以采用常规的 A/D转换器、电压—频率（V/F），或比较器等方式。

在体重的数字显示形式上，也有数码管、字符型 LCD等形式；可以借助于数字式电压表显示；也可以采用 ICL7106/7107，将 A/D 转换和数字显示结合在一起。

8. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析
2）实现方案论证
3） 理论推导计算
4） 电路设计与参数选择
5） 电路测试方法
6） 实验数据记录
7）数据处理分析
8）实验结果总结

9. 考核要求与方法（限 300 字）

1）实物验收：课堂教学后第 2 周到第 3 周之间开始实物验收，功能与性能指标的完成要求（1）和（2）记 $3 0 %$ ，完成（3）记 $1 0 %$ 。

2）实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺记 $1 0 %$ 。

3）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，团队分工与协助实践能力记$1 0 %$ 。

4）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗记 $1 0 %$ 。

5）实验数据：测试数据和测量误差 $1 0 %$ 。

6）实验报告：实验报告的规范性与完整性 $2 0 %$ 。

10.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于：该实验项目涉及传感、信号检测、弹性元件机械设计与安装、信号放大、单片机编程与数字显示、数据传输等多学科的知识综合应用；涵盖机电与电子电工两大块，可训练同学的综合实践能力；采用分组团队协助实验的方法可训练同学团队合作能力；实现方法的多样性训练同学们的创新能力。