實用電子秤的設(shè)計和制作

...wd......wd......wd...綜合實訓(xùn)論文綜合實訓(xùn)論文(實用電子秤的設(shè)計與制作)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月實用電子秤的設(shè)計與制作摘要：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進展A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機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；TLC549；AT89C51Abstract:Thesystemusesstrainweighingunits,fourstraingaugeswiththeformoffullbridgeaccessedtothemeasurementcircuit,afterthecompositionofOP07instrumentationamplifier.Thenbyserialanalog-to-digitalconversionchipTLC549forA/Dconversion,theconversionresultsaregiventothesingle-chipmicrocomputerAT89C51,thenthroughthe7407drivetofourdigitaltubedisplay.Keywords:Straingauge；Measuringapplianceamplifier；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2.1應(yīng)變電橋電路2.2儀表放大器電路2.32.4顯示電路3軟件設(shè)計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完畢語參考文獻附錄1概述1.1引言隨著科技的進步，對電子秤的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)機械秤是杠桿放大系統(tǒng)，系統(tǒng)中載重架上比擬小的垂直偏移經(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常可以忽略不計，可以安裝在工業(yè)過程設(shè)備中。本系統(tǒng)是基于單片機控制的電子秤，控制精度較高，實時性較強，同時采用LED顯示，既美觀又實用。1.2系統(tǒng)原理概述本系統(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進展A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機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芯片進展轉(zhuǎn)換。1.3組成及框圖±15V供±15V供電電圖1系統(tǒng)框圖2硬件電路設(shè)計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)變片要結(jié)實地粘貼在測試體外表，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)變片粘貼于試件外表時，試件受力引起的外表應(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ΔR/R。在一定應(yīng)變范圍內(nèi)ΔR/R與ε的關(guān)系滿足下式：，ε為應(yīng)變片的軸向應(yīng)變。定義K=(ΔR/R)/ε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ΔR/R與其單向應(yīng)力引起的試件外表軸向應(yīng)變ε之比。電阻應(yīng)變片計把機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成ΔR/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120Ω，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)?000μ，應(yīng)變電阻相對變化量為：ΔR/R=K*ε=2*1000*10ˉ6=0.002可以看出電阻變化只有120*0.002=0.24Ω，其電阻變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化既難以直接準(zhǔn)確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變片計的ΔR/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現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。假設(shè)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)變符號一樣的接入相對橋臂上，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)一樣?？珊喎Q為：“相鄰相反，相對一樣〞。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)過放大電路進展調(diào)理放大，再進展測量。常用的放大電路可以由單運放放大器、雙運放放大器、三運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)，運算放大器選擇高精度運放OP07。2.2.2集成運算放大器OP-07OP-07有A、D、C、E各檔，它是高精度運算放大器，具有極低的失調(diào)電壓〔10μV〕和偏置電流〔0.7nA〕，它的溫漂系數(shù)為0.5μV/℃，OP-07具有較高的共模輸入范圍〔±14V〕，共模抑制比CMRR=126dB，以及極寬的供電電流范圍〔從±3V到±18V〕，雙電源供電。ADOP-07的封裝、管腳排列以及根本連接方式如以下列圖所示，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，參見根本接法圖。圖3OP-07封裝圖管腳功能圖根本接法圖4運算放大器引腳圖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，由兩個局部組成。前一局部是采用三個運放構(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)整運放增益。儀表放大器因為輸入阻抗高，共模抑制能力好而作為電橋的接口電路。其增益可用下式表示：A1＝1+2R30/R29；反相放大器局部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芯片價格比擬貴，考慮到實驗室條件，本次設(shè)計采用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三條口線進展串行接口"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〔最低有效位〕。可用于較小信號的采樣。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7TLC549電路連接TLC549在讀出前一次數(shù)據(jù)后，馬上進展電壓采樣，ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完后就進入HOLD模式，直到再次讀取數(shù)據(jù)時，芯片才會進展下一次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顯示電路3軟件設(shè)計3.1程序流程圖開始開始程序初始化程序初始化A/DA/D轉(zhuǎn)換拆數(shù)拆數(shù)顯示顯示完畢完畢圖9程序流程圖3.2源程序清單#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar sbitcs=P1^1;/*片選*/sbitclk_adc=P1^2;/*TLC549的時鐘信號*/sbitdout_adc=P1^0;/*TLC549的數(shù)據(jù)輸出*/floatvolt;uintb;ucharLED0_data,LED1_data,LED2_data,LED3_data;ucharcodeSegcode[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};voiddisplay();voiddelay(uintv);/*1ms延時子函數(shù)*/voiddelay(unsignedintc){ unsignedinti,j; for(i=0;i<c;i++) for(j=0;j<120;j++);}/*TLC549轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀出程序*/uchartlc549_read(){uchari,adcdata;adcdata=0;cs=1;clk_adc=0;cs=0;_nop_();_nop_();_nop_();for(i=0;i<8;i++){clk_adc=1;adcdata=adcdata<<1;if(dout_adc)adcdata++;clk_adc=0;}cs=1;delay(1);returnadcdata;}/*將十進制數(shù)拆成送數(shù)碼管的顯示碼*/voiddectobit(intdec){LED3_data=dec/1000;dec=dec%1000;LED2_data=dec/100; dec=dec%100; LED1_data=dec/10; dec=dec%10; LED0_data=dec;}/*顯示程序*/voiddisplay(){P0=Segcode[LED3_data];//個位P2&=~0x01;delay(5);P2|=0x01;P0=Segcode[LED2_data];//十位P2&=~0x02;delay(5);P2|=0x02;P0=Segcode[LED1_data];P2&=~0x04;delay(5);P2|=0x04;//百位P0=Segcode[LED0_data];//千位P2&=~0x08;delay(5);P2|=0x08;}voidmain(void){while(1){ volt=tlc549_read(); volt=volt*5.0/255*1000;//轉(zhuǎn)換成毫伏 dectobit(volt);for(b=100;b>0;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，是其它各局部正常工作的先決條件。(1)首先判斷購置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是否存在虛焊等問題，并且按照原理圖一局部一局部的檢測，著重注意走線、接點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、藍色、紅色、白色，可用萬用表測量同一種顏色的兩端判別，R1=R2=R3=R4=350Ω。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)，將實驗板調(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，再進展儀表放大器調(diào)零，方法為將儀表放大器的正、負輸入端〔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?！沧⒁猓寒?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350Ω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軟件進展程序的調(diào)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，便可進展系統(tǒng)的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試一般采用全速斷點調(diào)試運行方式，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)，實現(xiàn)循環(huán)調(diào)用顯示程序，便實現(xiàn)了數(shù)值的穩(wěn)定顯示。(2)一開場顯示數(shù)值始終為零，然后將程序中volt=volt*5.0/255*1000改成volt=1234，編譯下載后可以穩(wěn)定的顯示1234，說明顯示局部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。記下實驗結(jié)果填入表1中。表1測試數(shù)據(jù)重量〔g〕20406080100120140160180200電