基于单片机的电子秤设计课程设计.docx

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1、基于单片机的电子秤设计课程设计 传感课程设计报告基于单片机的电子秤设计 目录 摘要 (1) 关键字：电子秤、电子应变片、A/D转换器，显示电路 (1) 一、系统整体描述 (1) 二、系统模块设计 (2) 2.1 电阻应变式传感器的组成以及原理 (2) 2.2 直流差动电桥检测电路 (3) 2.3放大电路 (5) 2.4 A/D转换 (7) 2.5单片机系统 (7) 三、数据处理及程序的设计 (9) 3.1数据处理及程序的设计 (9) 3.2参数整定 (10) 3.2.1测量数据及误差分析 (10) 3.2.2曲线拟合及参数整定 (10) 3.3显示子程序的设计 (13) 总结 (13) 参考文

2、献 (14) 附录1程序 (15) 摘要 本文设计的电子秤以单片机为主要部件，用C语言进行软件设计，硬件则以半桥传感器为主,测量0500g电子秤，随时可改变上限阈值，本课程设计的电子秤以单片机为主要部件，利用差动半桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种。芯片HX711-BF的A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。 关键字：电子秤、应变片

3、、A/D转换器，显示电路 一、系统整体描述 系统由敏感元件、电桥测量电路、放大电路、模数转换电路、单片机最小系统、显示电路构成。敏感元件产生物理量变化，由测量电路将信号转换为电信号，并放大输出。通过模数转换后将信号输入单片机中，经过处理后由显示电路显示。 二、系统模块设计 2.1 电阻应变式传感器的组成以及原理 电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，

4、起保护作用。 电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是： A.电阻丝温度系数引起的。 B.电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。 对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。滞后和蠕变是关于

5、应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。 图1原理应变式传感器安装示意图 2.2 直流差动电桥检测电路 图2-4 单臂电桥转换电路 电桥平衡条件和调零 直流电桥转换电路如图2-5(a )所示。 当R L=时，输出电压为 (2-15) 电桥达到平衡时，输出电压为零，令U o=0，由式(2-15)得 式(2-16)即为直流电桥的平衡条件。 图 2-5 直流电桥转换电路和调零电路 当式(2-16)不满足时，输出电压U 0不为零，此时需要调零电路完成调零。图2-5(b )是典型的直流 电桥调零电路，调节电位器R r 可以补偿R 1、

6、R 2、R 3、R 4间的不平衡。 电桥的电压灵敏度 单臂电桥的电压灵敏度 单臂电桥是将电阻应变片接入电桥的一个桥臂，如图2-4的R 1位置，其余桥臂为固定电阻，则其输出电压为 ) ( 4 33211 o R R R R R R E U +-+?=4 23313111 (2-17) 因为电桥初始状态时是平衡的，有R2/R1=R4/R3，令n=R2/R1= R4/R3为桥比。由于R1/R1很小，则 定义直流电桥电路的灵敏度系数为 即n =1。所以，选择桥臂电阻阻值，使桥比为1，电路灵敏度达到最大。此时的输出电压 电路的灵敏度系数为 从前面的推导得知，式(2-21)的输出电压是式(2-17) 略去

7、分母中R1/R1项得到的结果，简化后的输出电压Uo 与电阻相对变化R1/R1之间是线性的。如果不作简化，实际输出电压为 令n=1，这一线性化引起的非线性误差为 例如，测量过程中电阻的相对变化R1/R11，当采用单臂电桥作为转换电路时，由式(2-24)计算后，得到的非线性误差为L=4.8%。它表明电阻的相对变化较大时，这种简化带来的非线性误差将变得非常严重。 半桥、全桥的电压灵敏度 在试件上粘贴两个工作应变片，一个为受拉应变片，一个为受压应变片，大小相等，方向相反，接入电桥相邻桥臂，将构成半桥电路，如图2-6(a)所示；在试件上粘贴四个工作应变片，两个为受拉应变片，两个为受压应变片，分别接入对边

8、桥臂，构成全桥电路，如图2-6(b)所示。 1 2)1(R n +1 4 E 111R n R ?1 1 1 11o o R R R 图2-6 差动电桥转换电路 对于图2-6(a)所示的半桥电路，输出电压为 若R 1=R 2，R 1=R 2=R 3=R 4，则 半桥电路的灵敏度系数为： 对于图4-6(b )所示的全桥电路，输出电压为 (2-28) 全桥电路的灵敏度系数为 KU=E (2-29) 考虑传感器的灵敏度和操作难度，我们选择以差动半桥电路作为本设计的检测电路 2.3放大电路 目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低

9、、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D 转换。一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。 差动放大电路： 原理： 本次设计中，要求用一个放大电路，即差动放大电路，主要的元就是差动放大器。在许多需要用A/D 转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D 转换器对输入信号电平的要求，在 4322111E 1o R 此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。仪表仪

10、器放大器的选型很多，我们这里使用一种用途非常广泛的放大器，就是典型的差动放大器ina114ap。它只需高精度和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。本设计中差动放大电路结构图如下： 放大倍数的推导过程： 2.4 A/D转换 A/D转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。由于输入电源为直流，电桥经放大后输出电压为直流电压，为模拟信号。经过芯片HX711-BF转为数字信号，便于下一步单片机的处理和显示。 HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了

11、包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A 或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A 的可编程增益为128 或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为20mV 或40mV 。通道B 则为固定的64 增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D 转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任

12、何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。 2.5单片机系统 使用的单片机芯片为8位HX711芯片，外部晶振频率为12MHz。 HX711-BF是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得HX711-BF为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，2个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外HX711-BF可降至0Hz静

13、态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。 单片机最小系统由晶振、复位电路和单片机芯片构成，电路如图所示。 2.6总电路图 三、数据处理及程序的设计 3.1数据处理及程序的设计 数据处理子程序是整个程序的核心。主要用来调整输入值系数，使输出满足量程要求。另外完成A/D 的采样结果从十六进制数向十进制数形式转化。 对于重量与传感器的电压之间的关系，为了确保测量的准确度，用MATLAB软

14、件编程。Lsline指令实现了对多组测量数据的最小二乘拟合，得到了比较理想的线性关系，又运用回归函数polyfit(x,y,1)得到压力与电压的函数关系，使压力的测量的精度进一步提高。 数据采集由HX711-BF芯片来完成，主要分为启动、读取数据、延时等待转换结束、读出转换结果、存入指定内存单元、继续转换（退出）几个步骤。HX711-BF初始化后，就具有了将某一通道输入的05V模拟信号转换成对应的数字量00HFFH，然后再存入8051内部RAM的指定单元中。其转换方式可以采用程序查询方式，延时等待方式和中断方式三种。本设计采用的是延时等待方式，具体程序流程图如图13所示。 图13 实验数据采集流程图