實(shí)用電子秤的設(shè)計(jì)與制作

1、綜合實(shí)訓(xùn)論文 JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 綜合實(shí)訓(xùn)論文(實(shí)用電子秤的設(shè)計(jì)與制作) 學(xué)院名稱： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 05自控（1） 姓 名： 姜 中 娟 學(xué) 號： 05312205 指導(dǎo)教師： 朱 品 偉 2009年1月實(shí)用電子秤的設(shè)計(jì)與制作摘要：本系統(tǒng)利用應(yīng)變式稱重臺，將四片應(yīng)變片采用全橋形式接入測量電路，經(jīng)過運(yùn)放OP07組成的儀表放大器放大，再由串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC549進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機(jī)AT89C51，通過同向門7407驅(qū)動四位數(shù)碼管顯示。關(guān)鍵詞: 應(yīng)變片；儀表放大器；TLC54

2、9；AT89C51Abstract: The system uses strain weighing units, four strain gauges with the form of full bridge accessed to the measurement circuit, after the composition of OP07 instrumentation amplifier. Then by serial analog-to-digital conversion chip TLC549 for A / D conversion, the conversion results

3、 are given to the single-chip microcomputer AT89C51, then through the 7407 drive to four digital tube display.Key words: Strain gauge；Measuring appliance amplifier；TLC549；AT89C51目 錄1 概述1.1 引言1.2 系統(tǒng)原理概述 1.3 組成及框圖 2 硬件電路設(shè)計(jì)2.1 應(yīng)變電橋電路 2.2 儀表放大器電路2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路2.4 顯示電路3 軟件設(shè)計(jì)3.1 程序流程圖3.2 源程序清單 4 系統(tǒng)調(diào)試與分析4.1 硬

4、件調(diào)試 4.2 軟件調(diào)試 4.3 綜合調(diào)試 4.4 故障分析與解決方案 5 功能測試及結(jié)果分析5.1 測試儀器5.2 測試結(jié)果與分析6 結(jié)束語 參考文獻(xiàn) 附 錄1 概述1.1 引言隨著科技的進(jìn)步，對電子秤的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)機(jī)械秤是杠桿放大系統(tǒng)，系統(tǒng)中載重架上比較小的垂直偏移經(jīng)過放大后在秤的刻度上形成很大的指針偏轉(zhuǎn)。然而載重架的偏移量通常很大，所以不允許機(jī)械秤安裝在工業(yè)過程的設(shè)備中，相反，用于電子秤的稱重傳感器的壓縮量通?？梢院雎圆挥?jì)，可以安裝在工業(yè)過程設(shè)備中。本系統(tǒng)是基于單片機(jī)控制的電子秤，控制精度較高，實(shí)時性較強(qiáng)，同時采用LED顯示，既美觀又實(shí)用。1.2 系統(tǒng)原理概述本系統(tǒng)利用應(yīng)變式稱重

5、臺，將四片應(yīng)變片采用全橋形式接入測量電路，經(jīng)過運(yùn)放OP07組成的儀表放大器放大，再由串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC549進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機(jī)AT89C51，通過同向門7407驅(qū)動四位數(shù)碼管顯示。由稱重傳感器來的電信號經(jīng)過放大和處理后，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后在LED上顯示。儀表放大器的輸出需經(jīng)采集卡采集，經(jīng)過CSY9.0虛擬儀器軟件分析，得到較好的線性度和靈敏度后，才能再送入A/D芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。1.3 組成及框圖15V供電電圖1 系統(tǒng)框圖2 硬件電路設(shè)計(jì)2.1 應(yīng)變電橋電路電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測物理量作用

6、在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。其主要缺點(diǎn)是輸出信號小、線性范圍窄，而且動態(tài)響應(yīng)較差。但由于應(yīng)變片的體積小，商品化的應(yīng)變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計(jì)彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器在測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)中仍有非常廣泛的應(yīng)用。應(yīng)變片是最常用的測力傳感元件。當(dāng)用應(yīng)變片測試時，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發(fā)生形變，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測量電路，轉(zhuǎn)換成電信號輸出顯示。當(dāng)具有初始電阻值R的應(yīng)變片粘

7、貼于試件表面時，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化R/R。在一定應(yīng)變范圍內(nèi)R/R與的關(guān)系滿足下式：，為應(yīng)變片的軸向應(yīng)變。 定義K=(R/R)/為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測試件上的應(yīng)變在其軸向受到單向應(yīng)力時，引起的電阻相對變化R/R與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變之比。 電阻應(yīng)變片計(jì)把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成R/R后，應(yīng)變電阻變化一般都很微小，例如傳感器的應(yīng)變片電阻值120，靈敏系數(shù)K=2，彈性體在額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000，應(yīng)變電阻相對變化量為：R/R = K*= 2*1000*106 =0.002 可以看出電阻變化只有120*0.002=0.24，其

8、電阻變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變片計(jì)的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。通常采用惠斯登電橋電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖2所示，即兩個受拉應(yīng)變，兩個受壓應(yīng)變，將兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路。在接入四片應(yīng)變片時，需滿足以下條件：相鄰橋臂應(yīng)變片應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)相反，相對橋臂應(yīng)變片應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)相同?？珊喎Q為：“相鄰相反，相對相同”。 此時 全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度 圖2 全橋電路為單片工作時的4倍，同時具有溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)E和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度

9、與各橋臂阻值的大小無關(guān)。2.2 儀表放大器電路2.2.1 儀表放大器工作原理由于傳感器的輸出信號往往較小，必須經(jīng)過放大電路進(jìn)行調(diào)理放大，再進(jìn)行測量。常用的放大電路可以由單運(yùn)放放大器、雙運(yùn)放放大器、三運(yùn)放放大器或直接由集成儀表放大器（如AD620、AD623）等構(gòu)成。下面以三運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器為例說明儀表放大器的工作原理及性能指標(biāo)，運(yùn)算放大器選擇高精度運(yùn)放OP07。2.2.2 集成運(yùn)算放大器OP-07OP-07有A、D、C、E各檔，它是高精度運(yùn)算放大器，具有極低的失調(diào)電壓（10V）和偏置電流（0.7nA），它的溫漂系數(shù)為0.5V/，OP-07具有較高的共模輸入范圍（14V），共模抑制比CMRR

10、=126dB，以及極寬的供電電流范圍（從3V到18V），雙電源供電。AD OP-07的封裝、管腳排列以及基本連接方式如下圖所示，OP07一般不需要調(diào)零，如需調(diào)零，可在1和8管腳之間接一個電位器，阻值可為20k，參見基本接法圖。 圖3 OP-07封裝圖 管腳功能圖 基本接法 圖4 運(yùn)算放大器引腳圖2.2.3 儀表放大器工作電路圖5，圖6是壓力傳感器的測量電路，由兩個部分組成。前一部分是采用三個運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器，后面的放大器將儀表放大器的輸出電壓進(jìn)一步放大。R28是電橋的調(diào)零電阻，R42是整個放大電路的調(diào)零電阻，R29，R40調(diào)整運(yùn)放增益。儀表放大器因?yàn)檩斎胱杩垢?，共模抑制能力好而作為電橋的?/p>

11、口電路。其增益可用下式表示：A11+2R30/R29；反相放大器部分的增益可用下式表示：A2（R38+R40）/R37；圖5 儀表放大器圖6 反相放大器2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路一般電子秤的A/D轉(zhuǎn)換精度越高越好，A/D精度越高，電子秤的靈敏度越高。但12的A/D芯片價格比較貴，考慮到實(shí)驗(yàn)室條件，本次設(shè)計(jì)采用8位串行A/D芯片TLC549。TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器通過SDO、SCLK、CS三條口線進(jìn)行串行接口 具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17微秒。允許的最高轉(zhuǎn)換速率為40000次/秒?？偸д{(diào)誤差最大為0.5LSB（最低

12、有效位）?？捎糜谳^小信號的采樣。與AT89C51的具體連接線路如圖7所示。REF+接5V電源，REF-接地，圖中輸入電壓為3.35V，TLC549的AIN引腳接儀表放大器的輸出端。SDO、CS 、SCLK分別接AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2 引腳。圖7 TLC549電路連接TLC549在讀出前一次數(shù)據(jù)后，馬上進(jìn)行電壓采樣，ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完后就進(jìn)入HOLD模式，直到再次讀取數(shù)據(jù)時，芯片才會進(jìn)行下一次A/D轉(zhuǎn)換。也就是說，本次讀出的數(shù)據(jù)是前一次轉(zhuǎn)換的值，讀操作后就會再啟動一次轉(zhuǎn)換，一次轉(zhuǎn)換所用的時間最長為17uS。2.4 顯示電路采用4個共陰數(shù)碼管，以動態(tài)掃描方式顯示電壓值。圖8

13、顯示電路3 軟件設(shè)計(jì)3.1 程序流程圖開 始程序初始化A/D轉(zhuǎn)換拆 數(shù)顯 示結(jié)束圖9 程序流程圖3.2 源程序清單#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char sbit cs=P11; /*片選*/sbit clk_adc=P12; /*TLC549 的時鐘信號*/sbit dout_adc=P10; /*TLC549的數(shù)據(jù)輸出*/float volt;uint b;uchar LED0_data,LED1_data,LED2_data,LED3_data;uchar code Segcode10=0x

14、3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;void display();void delay(uint v);/*1ms延時子函數(shù)*/void delay(unsigned int c)unsigned int i,j;for(i=0;ic;i+)for(j=0;j120;j+);/*TLC549轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀出程序*/uchar tlc549_read()uchar i,adcdata;adcdata=0;cs=1;clk_adc=0;cs=0;_nop_();_nop_();_nop_();for(i=0;i8;i+) clk_adc=1;

15、adcdata=adcdata0;b-) display(); 4 系統(tǒng)調(diào)試與分析4.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試是整個調(diào)試步驟中第一步，硬件電路的正確性，是其它各部分正常工作的先決條件。(1) 首先判斷購買的各個元器件本身是否已經(jīng)損壞，再則根據(jù)電路原理圖仔細(xì)檢查元器件是否有組裝上的錯誤，諸如極性電容、集成塊安裝方向錯誤等。再利用萬用表檢測各個焊點(diǎn)是否存在虛焊等問題，并且按照原理圖一部分一部分的檢測，著重注意走線、接點(diǎn)之間是否存在相互間的短路、開路或接錯等。(2) 根據(jù)圖10所示，應(yīng)變式傳感器已經(jīng)裝在傳感器試驗(yàn)臺上。傳感器中各應(yīng)變片上的R1、R2、R3、R4接線顏色分別為黃色、藍(lán)色、紅色、白色，可用萬

16、用表測量同一種顏色的兩端判別，R1=R2=R3=R4=350。圖10 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖(3) 接入電源，撥通電源開關(guān)，將實(shí)驗(yàn)板調(diào)節(jié)增益電位器R29（參考圖7和圖8）順時針調(diào)節(jié)大致到中間位置，再進(jìn)行儀表放大器調(diào)零，方法為將儀表放大器的正、負(fù)輸入端（在做板時要預(yù)留插孔）與地短接，調(diào)節(jié)電路板上調(diào)零電位器R42，輸出的電壓讀數(shù)為零，關(guān)閉電源。（注意：當(dāng)R29、R42的位置一旦確定，就不能改變）(4) 電路板上的R25、R26、R27接入350電阻，接成直流全橋。檢查接線無誤后，接通電源。調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器R28，使電路板的輸出電壓壓降為零。4.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試主要應(yīng)用Keil軟件進(jìn)行程序的調(diào)

17、試，Keil軟件全面支持匯編語言，C51語言的編譯/連接、調(diào)試。(1) A/D轉(zhuǎn)換程序的調(diào)試 (2) 顯示程序的調(diào)試4.3 綜合調(diào)試在完成了硬件和軟件調(diào)試工作以后，便可進(jìn)行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試一般采用全速斷點(diǎn)調(diào)試運(yùn)行方式，在這個階段的主要工作是排除系統(tǒng)中遺留的錯誤以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度。4.4 故障分析與解決方案4.4.1 故障出現(xiàn)情況(1) 數(shù)碼管顯示數(shù)值不穩(wěn)定；(2) 數(shù)碼管顯示數(shù)值為零；4.4.2 解決方案（針對上述故障一一對應(yīng)的解決方案）(1) 在主程序調(diào)用顯示程序之前加了一個循環(huán)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)調(diào)用顯示程序，便實(shí)現(xiàn)了數(shù)值的穩(wěn)定顯示。(2) 一開始顯示數(shù)值始終為零，然后將程序中vol

18、t=volt*5.0/255*1000改成volt=1234，編譯下載后可以穩(wěn)定的顯示1234，說明顯示部分的硬件電路和程序沒有問題。再測TLC549的輸入電壓，測出一個負(fù)值，由于此處的TLC549的REF+為+5V,REF-為0，所以TLC549的輸入電壓須為正值。然后調(diào)節(jié)應(yīng)變電橋電阻的位置，便實(shí)現(xiàn)了TLC549的輸入電壓為正值，數(shù)碼管便可正常顯示。5 功能測試及結(jié)果分析5.1 測試儀器 (1) 應(yīng)變式稱重臺(2) 直流穩(wěn)壓電源(3) 數(shù)字萬用表5.2 測試結(jié)果在托盤上放置一只砝碼，讀取電壓數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的電壓值。記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1中。表1 測試數(shù)據(jù)重量（g）20406080100120140160180200電壓（mv）20406181101120141161181202 從表中的數(shù)據(jù)可以看出，沒增加20g的砝碼，電壓就增大20mv左右，線性度較好