电子秤电路设计.doc

摘 要福建电力职业技术学院课 程 设 计课程名称：传感器与检测技术课设 题目： 电子秤电路设计 专业班次： 姓 名： 杰克 学 号： 指导教师： 学 期： 2011-2011学年 第一学期 日 期： 2012.2.13-2012.2.20 I摘要该设计以51系列单片机AT89S52为控制核心，实现了电子秤的基控制功能。随着电子技术和自动化测量技术的不断发展，传统的称重系统在功能、精度、性价比等方面已难以满足人们的需要，尤其在智能化、便携式、对微小质量的测量方面更显得力不从心。近年来，新型单片机的出现和集成电路技术的发展为更新产品设计，研制高性价比的称重控制器提供了条件。本设计采用AVR单片机为控制核心，结合电阻应变式压力传感器和相应的信号采集电路，A/D转换部分组成，人机交互界面为键盘输入和点阵式液晶显示设计出一种高精度、多功能、低成本的新型电子秤。该电子秤可以实现基本的称重功能（称重范围为010千克，质量误差不大于10克），还具有超量程和报警功能。整个系统结构简单，适用方便，功能齐全，精度高，具有一定的开发价值。关键词： 单片机；集成电路；采样电路；A/D转换器；液晶显示传感器与检测技术目录摘要I第一章 绪论31.1 选题背景与意义31.2 称重传感器的基本知识31,3 研究的现状3第二章 系统方案的设计62.1 系统总体设计62.2 系统工作原理及设计基本思路62.3 数据采样部分的方案确定7第三章 系统硬件设计103.1 AT89S52单片机103.2 称重传感器103.3 A/D转换器113.4 人机界面12第四章 总结13参考文献14第一章 绪论1.1 选题背景与意义50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高劳动生产率。电子秤还具有自动零点追踪，超负荷显示自动熄灭之特点，对发展电子设备具有现实意义。1.2 称重传感器的基本知识1. 定义 GB/T 7551-1997称重传感器考虑到使用地点的重力加速度(g)和空气浮力(f)的影响后，通过把其中一种被测量(质量)转换成另外一种被测量(输出)来测量质量的力传感器。2. 组成 敏感元件+传感元件+测量电路(其中：敏感元件-电阻应变计； 传感元件-单性体； 测量电路-惠斯通电桥)1,3研究的现状1. 影响因素随着科技的进步，对电子秤的要求也越来越高。影响精度的主要因素有；机械结构、传感器和数字仪表，使得非线性误差变大，为了保证准确、稳定的显示，仪表内部分辨率（只要是ADC的分辨率）一般要比外部显示分辨率高4倍以上，这就要求所采也一样的ADC具有足够的转换位数，而采用高精度的ADC，自然增加了系统的成本。2. 产品质量目前市场上的产品有：电子天平、电子计数秤、电子计价秤、电子台秤、电子吊钩秤、定量包装称以及条形码电子秤等。在如此繁多的产品中，存在许多不合格的产品。主要表现在以下三个方面： 1、温度试验项目不符合标准规定； 2、湿热试验项目达不到标准要求； 3、抗电脉冲串试验和抗静电放点试验项目部合格造成产品不合格的重要原因：1、是称重传感器对温度补偿的性能不好；2、是电子秤内部编程软件示值修正功能不完善。3、电子秤的外壳设计和选择的电子元器件不能满足电磁辐射要求4、了降低成本，不在产品上增加必要的抗干扰元5、选购质差价廉的元器件，关键元器件未进行筛选和通电老化6、产品检验把关不严3.发展方向通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。4 电子秤的智能化1）小型化 ：体积小、高度低、重量轻，即小、薄、轻。近几年新研制的电子平台秤结构充分体现了小薄轻的发展方向。2）模块化 ：对于大型或超大型的承载器结构，已开始采用几种长度的标准结构的模块，经过分体组合，而产生新的品种和规格。3）集成化 ：对于某些品种和结构的电子衡器，都可以实现秤体与称重传感器，钢轨与称重传感器，轨道衡秤体与铁路线路一体化。 4）智能化 ：电子衡器的称重显示控制器与电子计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。5）综合性 ：电子称重技术的发展规律就是不断的加强基础研究并扩大应用，扩展新技术领域，向相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。6）组合性 ：在工业称重计量过程或工艺流程中，不少称重计量系统还要求具有可组合性，即测量范围等可以任意设定；硬件的调整，软件的扩展；数据与指令可使用不同的语言和条形码，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。 第二章 系统方案的设计2.1 系统总体设计首先由称重传感器采集因压力变化而产生的电压信号，通过AD转换器将模拟信号转换为数字信号，把数字信号送入C51单片机，单片机做相应的处理后，得到当前物体重量的数据，并通过LCD显示出来。系统硬件结构如下图所示。如图2-1：电子秤硬件系统结构图系统硬件电路包括AD转换模块、4×4矩阵键盘模块、LCD模块和蜂鸣器报警模块；软件模块又可分为主程序模块、矩阵键盘扫描模块、AD转换模块和LCD1602模块。2.2系统工作原理及设计基本思路1.系统工作原理电子秤的工作原理以电子元件（称重传感器，放大电路,AD转换电路，单片机电路，显示电路，键盘电路，通讯接口电路，稳压电源电路等电路）组成。通过压力传感器将被测量的重量以转换成电压信号。由于信号小，需在前端信号处理电路进行准确的线性放大，再经AD转换电路转换成数字量被送入主控电路单片机中，经编译码显示即为被测物体的重量。实际应用中，为提高数据的采集精度减少外界电气的干扰，需在传感器与A/D芯片间加上信号调整电路。如图2.2.1： 该系统为总原理电路图 2.系统设计基本思路电子秤的原理方框图:程式 K/B(按键) Fx 传感器 OP放大 A/D转换 CPU 显示驱动 显示屏 记忆体 系统分为三大模块:数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和AD转换电路组成。转换后的数据信号送给控制器完成对该数据的处理驱动显示模块完成人机间的信号交换。例：当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种结果。本芯片集成的ADC具有20位分辨率，16位以上的有效精度。为确保称重时的稳定性与精准度，SH79F085内置ADC的可用有效输出码达26万以上，因此，ADC精度性能完全能满足中准确度商业衡器应用，如果在用户端软件加以滤波处理，也能满足高准确度精密衡器应用。2.3 数据采样部分的方案确定1.测量显示电路测量电路:电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变 化 , 再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化（显示电路时显示*.*千克，并有相应的手动校正电路。）.在这里,我们用 电阻应变式传感器作为测量电路的核心.并应根据测量对象的要求,恰当地选择 精度和范围度.2.电阻应变计工作原理以金属材料为转换元件的电阻应变计，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。所谓应变效应是指金属导体(电阻丝)的电阻值随变形(伸长或缩短)而发生改变的一种物理现象。 （1）. 受力前(F=0)电阻值 R=*L/S (1) 式中R金属丝的电阻()； 金属丝的电阻率(*M)； L金属丝的长度(m)； S金属丝的横截面积(m2)(D2/4) D金属丝的直径(m) （2）. 受力后(F0)电阻变化值 R=R*K (2) 式中R电阻变化量； R原始电阻值； K应变计的灵敏系数； 轴向应变 结论：金属丝拉伸，电阻值增加；金属丝压缩，电阻值减小 （3）. 两个典型的力学模型 ：当F0时，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被压缩，阻值减小。 1. 惠斯顿电桥 在应变计的电测技术中，应用最广泛的测量电路是惠斯通电桥电路。测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求。电桥根据电源的性质分直流电桥和交流电桥两种，当Ui为直流时该电桥为直流电桥。它的四个桥臂由R1、R2、R3、R4组成。 1) 直流电桥的电压输出 根据分压原理，从D-A-C半桥来看，从D经A到C的电压降为Ui，通过R1、R2的电流 I1=Ui/(R1+R2) (1) R2上的电压降为I1R2，代入(1)得 UAC=Ui*R2/(R1+R2) (2) 同样，D-B-C半桥的电压降也是Ui，R3上的电压降为： UBC=Ui*R3/(R3+R4) (3) 则输出电压UO是UBC与UAC之间的差，即 UO=UBC-UAC= Ui (4) 由(4)可知，当桥臂电阻满足如下条件时，即 R1R3=R2R4 (5) 电桥的输出电压UO=0，电桥处于平衡状态。 为了保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡(置零)，这样输出电压只与应变计感受应变所引起的电阻变化有关。 2) 按上述力学模型解释： 当F=0时，R1R3=R2R4；U0=0； 当F0时，R1、R3增加，R2、R4减小，U00。 若欲得到与上述电信号相反的结果时，只需将A与C(或B与D)之间的电源正、负极互换即可。 3) 当桥臂电阻的阻值发生变化时，电桥的输出电压也随着发生变化，当R<<R时，其输出电压与电阻变化率R/R(或应变)成线性关系。第三章 系统硬件设计31 ATmega16单片机 ATmega16具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个 全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断 系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三 种封装形式，以适应不同产品的需求。32 称重传感器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，然后以适当方式组成电桥的一种将力(重量)转换成电信号的传感器。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工作原理如下图所示。图3-2 ： 电阻应变式称重传感器工作原理图 如：本设计选用湖南宇航公司的SB-B型悬臂式称重传感器，额定量程5kg，灵敏度3mvV，非线性误差003ES，重复性误差002ES，蠕变(30分钟)003FS，零点温度漂移003FS10，温度补偿范围-1060。该系列传感器采用悬臂单剪切结构，过载能力强，受力后自动调心好，具有精度高、长期稳定性好、抗疲劳、抗偏载能力强的特点。3.3 A/D转换器称重传感器输出的是mV级的电压信号，本设计采用AD7705对信号进行采集。AD7705是AD公司推出的一种基于-转换技术的16位AD转换芯片，它具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压、低功耗等特点，适合于称重系统中微机信号处理的需求。其具有可编程增益放大器，增益范围1128，可与压力传感器直接相连，使用同步串行SPI接口，可以与AVR单片机的硬件SPI接口直接相连，其电路连接如下图所示。如图3-3：AD7705电路连接图如：当传感器加上满量程重量5kg时，传感器在5V的工作电压下取得15mV的输出电压。5V工作电压经分压后为AD7705提供基准电压，因此工作电压的变化不会产生系统误差。分压电阻为24k和15k，产生的基准电压为192V。当器件的可编程增益为128时，对应的满量程输入电压即为15mV。3.4 人机界面人机通讯包括键盘扫描、LCD、蜂鸣器报警三个部分，键盘采用4×4矩阵扫描键盘，接在单片机的PC口；显示部分采用的是LCD1602液晶，能够同时显示16×2即32个字符。1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，编程时可以用AS-CII码直接赋值，还可以用字符型常量或变量赋值；蜂鸣器的作用是当称重物品超出传感器的量程时，以鸣响报警提示用户。 如图3-4：液晶屏与蜂鸣器电路连接图第四章 总结 经过几天的努力，终于如期完成了实用电子秤电路设计的任务。在做这项课程设计中，虽碰到了不少困难，但在老师、同学以及自己坚持不懈的努力下，终于取得了最后的胜利，有一定的成果。，通过称重传感器和16位的AD7705转换器实现了对重量的高精度测量，具有成本低、稳定性强、电路简单等特点。系统在电子秤的实际应用中得到了满意的效果。 总之，只要积极参与了这项设计，肯定是受益匪浅。在这项设计中我发现，在学过的知识中我们还有很多东西都不曾了解，有很多东西都没有熟练掌握。通过这项设计，是我将所学的知识得到系统化，贯穿成了一条线。参考文献1 郑晓峰编. 电子技术基础M， 中国电力工业出版社J， 20102 来清明编. 传感器与单片机接口实例M 北京航空航天大学出版社J, 20083 孙余凯、吴鸣山、项绮明编. 传感器应用电路M， 电子工业出版社J, 2008 4 王幸之编. AT89系列单片机原理及接口技术M. 北京航天航空出版社J， 2006 5 谢志萍编. 传感器与检测技术M 电子工业出版社J, 20116 单成祥、牛彦文、张春编. 传感器设计基础M 国防工业出版社J, 200713时间设计任务完成情况教师签名指导教师意见及成绩评定对学生设计过程、设计质量的评分依据总评成绩指导教师（签名）： 年 月 日教研室及系审定意见教研室主任（签名）： 年 月 日（系公章）