(完整word版)電子秤的設(shè)計與制作0001

1、項目二 .設(shè)計思路 1.1用什么顯示測量值。 1.2電阻應(yīng)變式傳感器 （測量范圍為2kg,其分辨力為1克，測量精度0.5% RD I字）。 1.3彈性敏感元件 1.4自感式傳感器（基本變間隙自感式傳感器，差動變間隙式傳感器，螺管型電感式傳感 器） 2.1 具有重量值的顯示功能; 數(shù)碼管（共陰，共陽）； 共陰-高電平驅(qū)動； 共陽-低電平驅(qū)動； L C D-單片機（硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)） 硬件接口電路； 軟件-應(yīng)用； 2.2傳感器； 2.2.1電阻應(yīng)變式傳感器（電阻應(yīng)變片） 金屬電阻應(yīng)變片利用金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)原理制成的。 半導(dǎo)體應(yīng)變片-利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)原理制成。 2.2.2壓電傳感器 2,

2、2.3電容式傳感器 2.2.4 電阻應(yīng)變式傳感器 3. 彈性敏感元件的選用; a）柱式彈性元件 b）薄壁圓筒 a) b) c) 懸臂梁 4. 轉(zhuǎn)換電路； A/D或D/A轉(zhuǎn)換電路; 三.整體設(shè)計方案（框圖）。 3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案比較與論證 在設(shè)計系統(tǒng)時，針對各個模塊實現(xiàn)的功能來設(shè)計電子秤的方案有以下幾種: 方案一數(shù)碼管顯示方案 結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示： 數(shù)據(jù)采集 _單片機 數(shù)碼顯奈I 圖2.1 數(shù)碼管顯示方案 此方案利用數(shù)碼管顯示物體重量，簡單可行，可以采用內(nèi)部帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功 能的單片機。由此設(shè)計出的電子秤系統(tǒng)，硬件部分簡單，接口電路易于實現(xiàn)，并 且在編程時大大減少程序量，在電路結(jié)構(gòu)上只有簡單

3、的輸出輸入關(guān)系。缺點是： 硬件部分簡單，雖然可以實現(xiàn)電子秤基本的稱重功能， 但是不能實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的 輸入，無法根據(jù)實際情況靈活地設(shè)定各種控制參數(shù)。由于數(shù)碼管只能實現(xiàn)簡單的 數(shù)字和英文字符的顯示，不能顯示漢字以及其他的復(fù)雜字符，不能達到顯示購物 清單的要求。又因為采用了具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機， 系統(tǒng)電路過于簡單，系 統(tǒng)硬件的擴展必受到限制，電子秤的功能過于單一，達不到設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。 方案二 前端信號處理時，選用放大、A/D轉(zhuǎn)換等措施，尤其在顯示方面采 用具有字符圖文顯示功能的LCD顯示器。這種方案不僅加強了人機交換的能力， 而且滿足設(shè)計要求，可以顯示購物清單、所稱量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容。 結(jié)構(gòu)簡

4、圖如下圖所示： 濾波放 犬處理 圖2.3 LCD顯示的方案 目前單片機技術(shù)比較成熟，功能也比較強大，被測信號經(jīng)放大整形后送入單 片機，由單片機對測量信號進行處理并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系譯碼顯示出被測物體 的重量 。由于系統(tǒng)需要的按鍵較多，因此要 加一個 鍵盤顯示管 理芯片 （ZLG7289。單片機控制適合于功能比較簡單的控制系統(tǒng),而且其具有成本低, 功耗低,體積小算術(shù)運算功能強，技術(shù)成熟等優(yōu)點。但其缺點是外圍電路比較復(fù)雜 編程復(fù)雜。使用這種方案會給系統(tǒng)設(shè)計帶來一定的難度。 鑒于本電子秤的設(shè)計并不太復(fù)雜，單片機完全能實現(xiàn)所需功能，我們考慮材 料有限，也由于我們剛接觸，學(xué)的還不多。所以在具體設(shè)計時，采

5、用了第一種設(shè) 3.2 數(shù)據(jù)采集部分的方案確定 傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號 的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 其中敏感元件指傳感器 中能直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換部分指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適 于傳輸和測量的電信號部分?，F(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會進入了信息時代， 在信息時代人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發(fā)和獲取、傳輸和處理， 而傳感器處于自動檢測與控制系統(tǒng)之首， 是感知獲取與檢測信息的窗口；傳感器 處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息， 都要通過它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號。因此，傳感器

6、的地位與作用特別重要。 方案一壓力傳感器 壓力傳感器是一種典型的有源傳感器， 又稱自發(fā)電式傳感器。其工作原理是 基于某些材料受力后在其相應(yīng)的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。 壓力傳感器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學(xué)量的測 量，不適合測頻率太低的被測量，更不能測靜態(tài)量。目前多用于加速度和動態(tài)力 或壓力的測量。壓電器件的弱點：高內(nèi)阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱， 電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對外接電路要求很高。 方案二電容式傳感器 電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感器。它有結(jié) 構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點。

7、電 容傳感器可用來檢測壓力、力、位移以及振動學(xué)非電參量。 電容傳感器的基本工作原理可用最普通的平行極板電容器來說明。兩塊相互 平行的金屬極板，當(dāng)不考慮其邊緣效應(yīng)（兩個極板邊緣處的電力線分布不均勻引 起電容量的變化）時，其電容量為 C八宀 (2.1) 式（2.1）中 d 兩極板間的距離； A兩平行極板相互覆蓋的有效面積； ；r介質(zhì)的相對介電常數(shù)； ；。真空中介電常數(shù)。 若被測量的變化使式中d、A、；r三個參量中任一個發(fā)生變化，都會引起電 容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。 雖然電容式傳感器有結(jié)構(gòu)簡單和良好動態(tài)特性等諸多優(yōu)點，但也有不利因 素: （1）小功率、高阻抗。受幾何尺寸限制，電容

8、傳感器的電容量都很小，一 般僅幾皮法至幾十皮法。因C太小，故容抗XC =1/ C很大，為高阻抗元件，負 載能力差；又因其視在功率P=Uor C ,C很小，則P也很小。故易受外界干擾， 信號需經(jīng)放大，并采取抗干擾措施。 （2）初始電容小，電纜電容、線路的雜散電路所構(gòu)成的寄生電容影響很大。 方案三電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)， 將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的 結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件， 其工作原理是基于 材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片即可單獨作為傳感器使用， 又能作為敏感元件 結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。 導(dǎo)體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象

9、叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。 電阻應(yīng)變片 把機械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換R/R后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小， 難 以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的厶 R/R變化轉(zhuǎn) 換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。 直流電橋的特點是信號不會受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干 擾能力強，但因機械應(yīng)變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。 下圖為一直流供電的平衡電阻電橋，E接直流電源E: Ein 圖2.6傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 當(dāng)電橋輸出端接無窮大負載電阻時， 可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為 電壓橋，即只有電壓輸出。 當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有： uo - UBD

10、 - UAB _ u AD Ri eRiR3 一只只 (R1 + R2 )( R3 + R ) (2.2) 當(dāng)滿足條件R1R3=R2R4時，即 (2.3) Uo=0，即電橋平衡。式（2.3）稱平衡條件 應(yīng)變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應(yīng)變 片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。 若差動工作，即 R1=R- R,R2=R+R,R3=R-AR, R4=R+ R,按式（2.2），則 電橋輸出為、 2 2 R R) (R R) U 一 (R ：R) (R ：R)H(R ：R) (R .:R) 1 R匚 E R -kE (2.4) 應(yīng)變片式傳感器有如下特點： （1）應(yīng)用和測量范

11、圍廣，應(yīng)變片可制成各種機械量傳感器。 （2）分辨力和靈敏度高，精度較高。 （3） 結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小，對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強，可在高溫、高壓、 強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。 （4）商品化，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。 通過以上對傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案 。 3.3電源系統(tǒng) 電源分為：串并聯(lián)穩(wěn)壓、三端集成穩(wěn)壓、開關(guān)穩(wěn)壓。 此次設(shè)計的穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成, 如圖 圖2.10穩(wěn)壓電源組成圖 （1）三端集成穩(wěn)壓: 由于本次設(shè)計的電路需要多電源，所以采用三端集成穩(wěn)壓進行級聯(lián)。 采用LM317、LM337共地可調(diào)式三端穩(wěn)壓器電源 1

12、、LM317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器電源能夠連續(xù)輸出可調(diào)的直流電壓，不過它只能允許可 調(diào)的正電壓，穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流，過熱保護電路；由一個電阻（R）和一個可變電位器（RP） 組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路，輸出電壓為：Vo=1.25（1+RP/R）。LM337輸出為負的可調(diào)電壓，采 用兩個獨立的變壓器分別和LM317及LM337組裝，操作比較簡單。電路圖如下所示： U0 + 圖2.11LM317與LM337組裝電路 2、采用7805,7905，7812和7912組成穩(wěn)壓電路 7805，7905固定式三端穩(wěn)壓器可輸出芳V,固定式三端可調(diào)穩(wěn)壓器 7812和7812組裝電路 可對稱輸出12v,其電路圖如圖所示 D2

13、圖2.12 LM317與LM337組裝電路 綜合以上考慮將選擇三端集成穩(wěn)壓 3. 4 A/D轉(zhuǎn)換器選擇及簡介 方案一：逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器，如：ADS7805 ADS7804等。 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換，一般具有采樣/保持功能。采樣頻率高，功耗比較低， 是理想的高速、高精度、省電型 A/D轉(zhuǎn)換器件。 高精度逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器一般都帶有內(nèi)部基準(zhǔn)源和內(nèi)部時鐘，基于 89C52構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)計時僅需要外接幾個電阻、電容。 但考慮到所轉(zhuǎn)換的信號為一慢變信號，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的快速的優(yōu)點 不能很好的發(fā)揮，且根據(jù)系統(tǒng)的要求，太高的精度就反而浪費了系統(tǒng)資源。 所以 此方案并不是理想的選擇。 方案

14、二:雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ICL7135、ICL7109等。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器精度高，但速度較慢（如：ICL7135）,具有精確的差分輸 入，輸入阻抗高（大于1O3M0 ），可自動調(diào)零，超量程信號，全部輸出于 TTL電 平兼容。 方案三:采用V/F變換 該方案是使用壓頻變換器件，把電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，單片機通過計數(shù) 獲得重物的重量，此方案可不用 A/D芯片，V/F轉(zhuǎn)換器上把電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率 信號的期間，有良好的精度、線性和積分輸入特點，它的應(yīng)用電路簡單，外圍元 件性能要求不高，對環(huán)境適應(yīng)能力強，轉(zhuǎn)換速度不低于一般的雙積分型 A/D期間， 且價格較低。目前，V/F直接處理技術(shù)得到了

15、廣泛應(yīng)用。 當(dāng)前12位以上的A/D轉(zhuǎn)換器價格昂貴，人們正在尋找新的途徑來取代它，其 中V/F變換器便是一種較好的選擇。由于集成 V/F變換器件具有高精度、高線 性度,而且外接電路和與單片機接口簡單，因此用V/F變換器做成高精度、低價 格、遠距離、高性能的A/D轉(zhuǎn)換器,在要求速度不太高的場合是很適用的。 基于以上分析并結(jié)合實際因素，我們決定采用V/F轉(zhuǎn)換方案，選用V/F轉(zhuǎn)換 芯片LM331。 主程序流程圖 原理圖 整個系統(tǒng)由測量電橋，信號調(diào)理電路， A/D轉(zhuǎn)換器，單片機，顯示器組成。 首先利用由電阻應(yīng)變式傳感器組成的測量電路測出物質(zhì)的重量信號，以模擬 信號的方式輸出。經(jīng)過了信號調(diào)理電路把傳感器輸出的微弱信號進行一定倍數(shù)的 放大，濾波，然后送A/D轉(zhuǎn)換電路中。再由A/D轉(zhuǎn)換電路把接收到的模擬信號轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號，傳送到單片機后進行調(diào)整，最后由顯示電路顯示數(shù)據(jù) 四.電路調(diào)試 (1 )首先在秤體自