電子秤課程設(shè)計

1、 摘要本文設(shè)計的電子秤以單片機為主要部件，用C語言進行軟件設(shè)計，硬件則以全橋傳感器為主,測量0500g電子秤，隨時可改變上限閾值，并達到閾值報警的功能。本課程設(shè)計的電子秤以單片機為主要部件，利用單臂電橋測量原理，通過對電路輸出電壓和標準重量的線性關(guān)系，建立具體的數(shù)學(xué)模型，將電壓量綱（V）改為重量綱（g）即成為一臺原始電子秤。其中測量電路中最主要的元器件就是電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器是傳感器中應(yīng)用最多的一種。ADC0809A/D轉(zhuǎn)換的作用是把模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后把數(shù)字信號輸送到顯示電路中去，最后由顯示電路顯示出測量結(jié)果。關(guān)鍵字：電子秤、電子應(yīng)變片、A/D轉(zhuǎn)換器，顯示

2、電路 目 錄摘要2目 錄3一、系統(tǒng)整體描述4二、 系統(tǒng)模塊描述52.1 電阻應(yīng)變式傳感器的組成以及原理52.2 直流電橋檢測電路62.3放大電路82.4 A/D轉(zhuǎn)換：92.5單片機系統(tǒng)102.6顯示電路112.7報警電路：12三：數(shù)據(jù)處理及程序的設(shè)計123.1數(shù)據(jù)處理及程序的設(shè)計123.2參數(shù)整定13 3.2.1測量數(shù)據(jù)及誤差分析13 3.2.2曲線擬合及參數(shù)整定143.3顯示子程序的設(shè)計17參考文獻18總結(jié)18附錄1仿真圖19附錄2程序19一、系統(tǒng)整體描述系統(tǒng)由敏感元件、電橋測量電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機最小系統(tǒng)、顯示電路和報警電路構(gòu)成。敏感元件產(chǎn)生物理量變化，由測量電路將信號轉(zhuǎn)換

3、為電信號，并放大輸出。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后將信號輸入單片機中，經(jīng)過處理后由顯示電路顯示。若變量超過限定值，則激活報警電路，由蜂鳴器發(fā)出報警信號。顯示電路單片機最小系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路電橋測量電路應(yīng)變片放大電路報警電路2、 系統(tǒng)模塊描述2.1 電阻應(yīng)變式傳感器的組成以及原理電阻應(yīng)變式傳感器是將被測量的力，通過它產(chǎn)生的金屬彈性變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的元件。由電阻應(yīng)變片和測量線路兩部分組成。常用的電阻應(yīng)變片有兩種：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，本設(shè)計中采用的是電阻絲應(yīng)變片，為獲得高電阻值，電阻絲排成網(wǎng)狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導(dǎo)線，線柵上面粘有覆蓋層，起保護作用。電阻應(yīng)變片也會有誤差，產(chǎn)生的因素很多，所

4、以測量時我們一定要注意，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：A.電阻絲溫度系數(shù)引起的。B.電阻絲與被測元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。對于因溫度變化對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進行溫度補償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動補償片，并從外部對它加以適當(dāng)?shù)难a償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計決定，通過線性補償，也可得到改善。滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變

5、化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。 圖1原理應(yīng)變式傳感器安裝示意圖2.2 直流電橋檢測電路 圖1-4 單臂電橋轉(zhuǎn)換電路 電橋平衡條件和調(diào)零直流電橋轉(zhuǎn)換電路如圖2-5(a)所示。 當(dāng)RL=時，輸出電壓為(2-15)電橋達到平衡時，輸出電壓為零，令Uo=0，由式(2-15)得 (2-16)式(2-16)即為直流電橋的平衡條件。圖 2-5 直流電橋轉(zhuǎn)換電路和調(diào)零電路當(dāng)式(2-16)不滿足時，輸出電壓U0不為零，此時需要調(diào)零電路完成調(diào)零。圖2-5(b)是典型的直流電橋調(diào)零電路，調(diào)節(jié)電位器Rr可以補償R1、R2、R3、R4間的不平衡。 電橋的電壓靈敏度 單臂電橋的電壓靈敏度單臂電橋是將電

6、阻應(yīng)變片接入電橋的一個橋臂，如圖2-4的R1位置，其余橋臂為固定電阻，則其輸出電壓為 (2-17) 因為電橋初始狀態(tài)時是平衡的，有R2/R1=R4/R3，令n=R2/R1= R4/R3為橋比。由于R1/R1很小，則 (2-18) 定義直流電橋電路的靈敏度系數(shù)為 (2-19) 欲使電路的靈敏度最大，令 ，得(1+n)2-2n(1+n)=0 (2-20)即n=1。所以，選擇橋臂電阻阻值，使橋比為1，電路靈敏度達到最大。此時的輸出電壓為 (2-21) 電路的靈敏度系數(shù)為 (2-22) 從前面的推導(dǎo)得知，式(2-21)的輸出電壓是式(2-17)略去分母中R1/R1項得到的結(jié)果，簡化后的輸出電壓Uo與電

7、阻相對變化R1/R1之間是線性的。如果不作簡化，實際輸出電壓為 (2-23) 令n=1，這一線性化引起的非線性誤差為 (2-24) 例如，測量過程中電阻的相對變化R1/R11，當(dāng)采用單臂電橋作為轉(zhuǎn)換電路時，由式(2-24)計算后，得到的非線性誤差為L=4.8%。它表明電阻的相對變化較大時，這種簡化帶來的非線性誤差將變得非常嚴重。 半橋、全橋的電壓靈敏度在試件上粘貼兩個工作應(yīng)變片，一個為受拉應(yīng)變片，一個為受壓應(yīng)變片，大小相等，方向相反，接入電橋相鄰橋臂，將構(gòu)成半橋電路，如圖2-6(a)所示；在試件上粘貼四個工作應(yīng)變片，兩個為受拉應(yīng)變片，兩個為受壓應(yīng)變片，分別接入對邊橋臂，構(gòu)成全橋電路，如圖2-6

8、(b)所示。 圖2-6 差動電橋轉(zhuǎn)換電路對于圖2-6(a)所示的半橋電路，輸出電壓為 (2-25)若R1=R2，R1=R2=R3=R4，則 （2-26）半橋電路的靈敏度系數(shù)為： (2-27) 對于圖4-6(b)所示的全橋電路，輸出電壓為 (2-28)全橋電路的靈敏度系數(shù)為KU=E (2-29) 2.3放大電路目前的電子稱重裝置大都使用電阻應(yīng)變橋式傳感器,其核心是由電阻應(yīng)變計(應(yīng)變片)構(gòu)成的電橋電路,這類傳感器具有成本低、精度高且溫度穩(wěn)定性好的特點。但其檢測原理決定該類傳感器輸出電壓低,要經(jīng)過差分放大電路放大數(shù)百倍才能用于A/D轉(zhuǎn)換。一般說來，傳感器輸出的電壓值都非常小，基本上都是毫伏級甚至微伏

9、級。在設(shè)計高精度電子秤時，需要外部放大電路來獲得足夠的增益。差動放大電路： (1) 原理： 本次設(shè)計中，要求用一個放大電路，即差動放大電路，主要的元件就是差動放大器。在許多需要用A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表儀器放大器的選型很多，我們這里使用一種用途非常廣泛的放大器，就是典型的差動放大器ina114ap。它只需高精度和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制、儀器儀表、電氣測量等數(shù)字采集

10、的系統(tǒng)中。本設(shè)計中差動放大電路結(jié)構(gòu)圖如下： 放大倍數(shù)的推導(dǎo)過程： 2.4 A/D轉(zhuǎn)換： A/D轉(zhuǎn)換的作用是進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。由于輸入電源為直流，電橋經(jīng)放大后輸出電壓為直流電壓，為模擬信號。經(jīng)過ADC0809芯片轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，便于下一步單片機的處理和顯示。ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)果和芯片引腳如下圖所示。 ADC0809芯片實物圖2.5單片機系統(tǒng)使用的單片機芯片為8位STC89C52芯片，外部晶振頻率為12MHz。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash

11、，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，2個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外STC89X52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。 單片機最小系統(tǒng)由晶振、復(fù)位電路和單

12、片機芯片構(gòu)成，電路如(10)圖所示。顯示電路有4位7段共陽極數(shù)碼管組成，可顯示千位 百位 十位和個位數(shù)據(jù)。2.6顯示電路單片機處理數(shù)據(jù)后，將個數(shù)據(jù)段碼送入數(shù)碼管，數(shù)碼管即可顯示相應(yīng)的數(shù)值。方便安裝、調(diào)試和觀察。且成本很低。電路圖如圖（11）所示。 圖（11） 2.7報警電路：當(dāng)所稱量質(zhì)量大于稱量上限303g時，由于已經(jīng)達到放大電壓上限，所以顯示電路無法顯示更大的值。為了提醒使用者，需要設(shè)定報警電路。報警電路由三極管和蜂鳴器組成。因為單片機P2口輸出電流較小，不足以驅(qū)動蜂鳴器。所以使用三極管9013進行電流放大。電路連接如圖（12）所示。 圖（12） 三：數(shù)據(jù)處理及程序的設(shè)計3.1數(shù)據(jù)處理及程序

13、的設(shè)計數(shù)據(jù)處理子程序是整個程序的核心。主要用來調(diào)整輸入值系數(shù)，使輸出滿足量程要求。另外完成A/D的采樣結(jié)果從十六進制數(shù)向十進制數(shù)形式轉(zhuǎn)化。對于重量與傳感器的電壓之間的關(guān)系，為了確保測量的準確度，用MATLAB軟件編程。Lsline指令實現(xiàn)了對多組測量數(shù)據(jù)的最小二乘擬合，得到了比較理想的線性關(guān)系，又運用回歸函數(shù)polyfit(x,y,1)得到壓力與電壓的函數(shù)關(guān)系，使壓力的測量的精度進一步提高。數(shù)據(jù)采集由ADC0809芯片來完成，主要分為啟動、讀取數(shù)據(jù)、延時等待轉(zhuǎn)換結(jié)束、讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果、存入指定內(nèi)存單元、繼續(xù)轉(zhuǎn)換（退出）幾個步驟。ADC0809初始化后，就具有了將某一通道輸入的05V模擬信號轉(zhuǎn)換成對

14、應(yīng)的數(shù)字量00HFFH，然后再存入8051內(nèi)部RAM的指定單元中。其轉(zhuǎn)換方式可以采用程序查詢方式，延時等待方式和中斷方式三種。本設(shè)計采用的是延時等待方式，具體程序流程圖如圖13所示。 圖13 實驗數(shù)據(jù)采集流程圖3.2參數(shù)整定3.2.1測量數(shù)據(jù)及誤差分析在IN0輸入的數(shù)最大為5V，要求的質(zhì)量303g對應(yīng)的是4.8V，為十六進制向十進制轉(zhuǎn)換方便，將系數(shù)放大100倍。并用小數(shù)點位置的變化體現(xiàn)這一過程。數(shù)據(jù)處理子程序是整個程序的核心。主要用來調(diào)整輸入值系數(shù)，使輸出滿足量程要求。另外完成A/D的采樣結(jié)果從十六進制數(shù)向十進制數(shù)形式轉(zhuǎn)化。在硬件調(diào)試過程中重量與電壓的關(guān)系如下表所示：重量（g）02040608

15、0100120140160180200303電壓（mv）0-0.025-0.054-0.082-0.109-0.138-0.167-0.199-0.228-0.259-0.291-0.48根據(jù)實驗過程的情況以及實驗時所使用的器材，分析實驗所帶的誤差原因有：1、作為應(yīng)變梁的鋼尺實驗時所產(chǎn)生的應(yīng)變彎曲不一定是線性的，也就是說實驗的重物每增加單位重量時，鋼尺所產(chǎn)生的應(yīng)變大小并不一樣；2、應(yīng)變片所粘貼的位置并不一定對稱；3、重物所掛在應(yīng)變鋼尺的位置會直接影響電子秤的輸出，這是由于杠桿原理的關(guān)系；4、設(shè)計電子秤時其中需要用到的器件是模數(shù)轉(zhuǎn)換元件，把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號時所帶來的量化誤差也在一定程

16、度上影響電子秤的輸出；5、測量開始時需要進行調(diào)零，調(diào)節(jié)電位器使到電橋測量電路的輸出為零，再調(diào)節(jié)相關(guān)的電位器調(diào)節(jié)差動放大器的放大倍數(shù)，可能是兩個電位器的調(diào)節(jié)并不理想，才使得輸出發(fā)生偏差。由于測得實驗電壓數(shù)據(jù)太過于小，需經(jīng)過放大器放大十倍后才能更準確的被A/D采集，進行數(shù)據(jù)處理。所得擬合曲線如下圖所示：3.2.2曲線擬合及參數(shù)整定經(jīng)MATLAB軟件編程，得擬合函數(shù)為：(其中a1=-68.5907，a0=3.22476 )數(shù)據(jù)處理過程是對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量的處理，即數(shù)據(jù)采集由ADC0809芯片來完成，主要分為啟動、讀取數(shù)據(jù)、延時等待轉(zhuǎn)換結(jié)束、讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果、存入指定內(nèi)存單元、繼續(xù)轉(zhuǎn)換（退出）幾個步

17、驟。ADC0809初始化后，就具有了將某一通道輸入的05V模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量00HFFH，然后再存入8051內(nèi)部RAM的指定單元中。其轉(zhuǎn)換方式可以采用程序查詢方式，延時等待方式和中斷方式三種。本設(shè)計采用的是延時等待方式，具體程序流程圖如圖14所示。 加上a0 乘以a1 圖14 A/D接口設(shè)計流程圖3.3顯示子程序的設(shè)計顯示程序是用來實時顯示所測質(zhì)量值，該部分程序是將顯緩單元數(shù)據(jù)進行實時顯示。參考文獻 1楊新榮.智能儀器原理、設(shè)計與發(fā)展.中南大學(xué)出版社，2003 2 張毅剛.MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003 3 賈伯年，俞樸.傳感器技術(shù).南京：東南大學(xué)出

18、版社，2000 4 徐仁貴等.單片微型計算機應(yīng)用技術(shù).機械工業(yè)出版社，20015 李道華，李玲，朱艷.傳感器電路分析與設(shè)計.武漢大學(xué)出版社，2000 6 李剛，林凌，姜葦單片機系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用技巧北京航空航天大學(xué)出版社，2004總結(jié)隨著集成電路和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大變化，傳統(tǒng)的儀器逐步的被智能儀器所取代。智能儀器的核心部件是單片機，因其極高的性價比得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，從而加快了智能儀器的發(fā)展。而傳感器作為測控系統(tǒng)中對象信息的入口，越來越受到人們的關(guān)注。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物，它是一種能將特定的被測量信息（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可

19、用信號輸出的器件或裝置本次設(shè)計中的電阻應(yīng)變片電子稱就是在以上儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計而成的。因此，只有充分了解有關(guān)智能儀器、單片機、傳感器以及各部分之間的關(guān)系才能達到要求。經(jīng)過幾周的努力，終于按照設(shè)計進度要求如期完成了電子秤系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)。在做課程設(shè)計的過程中，雖然碰到了不少的困難，但是在老師的指導(dǎo)以及共同的努力下，終于取得了一定成果。在此次課程設(shè)計中,雖然順利完成了電子稱的設(shè)計和制作,但也存在一定的不足,如電子稱的的精度不夠高。同時也有很多的收獲，對電阻式應(yīng)變片的工作原理及性能指標有了更加直觀和深入的認識。通過對數(shù)據(jù)采集的分析,放大器及A/D轉(zhuǎn)換器對信號的轉(zhuǎn)換、傳輸和處理有了更深的認識。熟悉AT89

20、C52單片機功能及工作特性，掌握其接口擴展方法。這些都為我今后學(xué)習(xí)和工作留下了積極的影響。附錄1仿真圖附錄2程序#include#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitst=P30;sbiteoc=P32;sbitclk=P33;sbita=P34;sbitb=P35;sbitc=P36;sbitOE=P31;sbitdian=P17;ucharcodedt=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e;uintdata1,disi,disan,dier,diyi;/*延時函數(shù)*/voiddelay(uintms)uinti,j;for(i=ms;i0;i-)for(j=110;j0;j-);/*初始化函數(shù)*/voi