[精品小论文]数字电子秤论文

目录摘要-一、设计任务与要求- 1.1设计任务- 1.2设计思路- 1.3技术指标- 1.3.1电子秤工作原理-1.3.2电子秤的计量性能-二、方案设计与论证-2.1方案一- 2.1方案二-三、电子元器件的选取-3.1传感器的选择-3.2运算放大器的选择-3.3模数转换(A/D)芯片的选取-3.4液晶的选择-四、各硬件模块的具体实现方案-4.1电源模块- 4.1.1 电源原理- 4.1.2 电源电路图- 4.2传感器模块- 42. 1电阻应变式称重传感器原理- 4.3、差动放大电路- 4.3.1仪表仪器放大器的选择- 4.3.2差动放大电路图- 4.4、A/D转换- 4.4.1 A/D转换器的选择- 4.4.2 TLC2543主要性能参数- 4.4.3 TLC2543封装形式及各管脚功能- 4.4.4 实际硬件电路连接图-五、系统软件设计-5.1电子秤的信号处理流程-5.2软件流程图-六、系统调试- 61调试过程- 七、系统功能-八、实际总结-九、参考文献-十、附录-摘 要本文描述了基于AT89s52单片机设计的电子秤原理及实现方法。该系统由51单片机的改良版52单片机控制，通过液晶屏自动显示所称物体的重量。其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，单片机控制电路、显示电路。测量电路利用电阻式应变器件将物体的重量信号转化成相应大小的电信号，通过差动放大电路将电信号放大到AD芯片能够识别的范围内从而能将电信号转换成对应的数字信号送给单片机处理，最终在液晶上显示所称物体的重量，系统通过软件实现自动换挡。经调试和测试，系统各项性能参数基本达到设计指标。 关键词：称重传感器、差分放大器、模数（AD）转换器、AT89S52单片机、1602液晶、 自动换挡。AbstractThis article describes the design of AT89s52 microcontroller based electronic scale theory and implementation methods. The system consists of 51 single-chip microprocessor control improved version 52, the LCD displays that object automatically. Its components are measuring circuit, differential amplifiers, A/d conversion, the microcomputer control circuit, show circuit. The measuring circuit using resistance strain the weight of the device object into the appropriate signals to the size of the electrical signals through the differential amplifier will signal amplification to AD chip can identify scope so that they could be an electrical signal into a digital signal corresponding to the handle to the SCM in the LCD display that the weight of the object, the system automatically by software implementation. Through debugging, and testing, system performance parameters basic design index.Keywords: Weighing sensors cell differential amplifier module(A /D)converter 1602 LCD MCU Automatic shift.一、设计任务与要求1.1设计任务1设计一个数字电子秤，测量范围分成四档，01.999Kg、019.99Kg、0199.9Kg、01999Kg。2用数字显示被测重量，小数点位置对应不同的量程显示。3具有量程自动切换功能。1.2设计思路用电子秤称重的过程是把被测物体的重量通过传感器转换成电压信号。由于这一信号通常都很小，需要进行放大，放大后的模拟信号经模/数变换转换成数字量，再通过显示器显示出重量。由于被测物体的重量相差较大，根据不同的测量范围要求，可由电路自动切换量程，同时显示器的小数点数位对应不同量程而变化，即可实现电子秤的要求。1.3技术指标1.3.1电子秤工作原理当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）转换器进行转换，单片机对转换后的数字信号进行必要的判断、分析，再送到显示电路。1.3.2电子秤的计量性能 电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。 （1）量程：电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。 （2）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值，用e或d来表示。 （3）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示， 电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即：Max=n d。二、方案设计与论证2.1方案一通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片TCL2543进行A/D转换，由于此芯片可直接用于数字显示，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。此方案的优点是外部电路非常简单，能实现较高的精度。缺点是无法对A/D转换进行控制。显示电路A/D转换电路放大电路数据采集电路图2.1 方案一方框图2.2方案二通过称重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片进行数据转换，再将得到的数字信号送至单片机进行处理并送入液晶显示。此方案的优点是可控制性好，电路简单，原理思路清晰，液晶的硬件电路也比数码管简单,且技术领先于数码管,能提高产品档次，采用单片机对采集的数据稍加处理,能通过软件在一定程度上弥补与调试硬件所无法避免的数据抖动，使最终所测得的数据更可靠、参考性更强，而且单片机的价钱也不算昂贵，在设计组所能承受的范围之内。所以综合各方面条件我们选择方案二作为最终设计方案。其中自动换挡部分采用软件实现。单片机自动换挡电路显示电路AD转换放大电路数据采集电路图2.2 方案二方框图三、电子元器件的选取3.1传感器的选择：基于原理上的考虑，四级换挡每一级别的换挡原理完全一样，加之能承受大重量的传感器价格过高无法承受，所以我们选用量程为3kg的小型称重传感器以实现一二级别档位的自动转换，另两档位在传感器满足条件的情况下可按同样的方式实现，所以该改动对设计的考察范围影响不大。3.2运算放大器的选择市场上有已成形的集成运算放大器，如AD620仪用放大器能直接用于该设计的放大部分，且集成芯片相对于自己用单运放搭接的运放电路具有更稳定的性能，误差更小；但集成运算放大器价格相对较高，而且自己搭接的运放电路其误差范围已经基本满足本设计的要求，所以我们选取OP07单运放搭接差分运算放大器的方式，同时一定程度上锻炼了模拟电路的实践能力。3.3模数转换(A/D)芯片的选取根据本课题的要求，要满足最低档位的分辨率，必须选取位数较高的A/D芯片，串行的TLC2543芯片驱动程序相对并行A/D复杂一点，但根据市场零售价格比较，该芯片是满足要求的最便宜的芯片，本着开发项目尽量缩减成本的原则我们最终选取了该芯片。3.4显示器的选择 选取smc1602a LCM点阵型液晶对单片机处理过后的数据进行显示。四、各硬件模块的具体实现方案系统硬件以OP07为核心，包括电源模块、数据采集及放大模块、A/D转换模块、自动换档模块、数码管显示模块。4.1电源模块3kg称重传感器能承受的激励电压为510V，运放电路要求正负9V电源。4.1.1 电源原理稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图4.1 图4.1 电源方框及波形图A、 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。B、 稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电 压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。4.1.2 电源电路图集成三端稳压芯片LM7805具有比较高的精确度，加上电容的滤波，对电路可以提供比较稳定的电压。图2.2中电路提供的+5V电源主要用于电桥数据采集、给A/D（TCL2543）供电、液晶显示；+9V电源用于给LM336基准源供电、信号放大电路、；-5V为OP07参考电压和用于调零电路。由于要求输出的电流最大值为2000mA，而且取样电阻为1欧所以要求TCL2543输出的电压至少为2伏，通过计算-5伏的电压足够实现上述要求。图2.2电源原理图4.2传感器模块电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化 , 再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。在这里，我们用电阻应变式传感器作为测量电路的核心。并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度。42. 1.电阻应变式称重传感器原理电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力（重量）转换成电信号的传感器。 电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变量一般为 ，随之而生的电阻变化率也大约在数量级之间。这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。电阻应变式称重传感器工作原理框图如图4-2-1所示： 应变输出测量电桥电阻变化R应变片敏感元件电压载荷P 图4-2-1电阻应变式称重传感器工作原理框图当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。 电阻应变式称重传感器桥式测量电路如图4-2-2所示： 4-2-2 桥式测量电路 R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e 为激励电压，V为输出电压。若不考虑Rm，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为：由于桥臂的起始电阻全等，即R1 = R2 = R3 = R4 = R，所以V=0 。 当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+R1、R+R2、R+R3、R+R4时，电桥的输 出电压变为： 通过化简，上式则变为：也就是说，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。 如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同，且，则上式又可写成：式中K为应变片灵敏系数，为应变量。 上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，R1、R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，R2、R4为负值。再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即： R1 = R3 = + R或1 = 3 = + R2 = R4= - R或2 = 4 = - 因此：令，则，SU称为传感器系数或传感器输出灵敏度。图1.2-3应变式传感器安装示意图4.3、差动放大电路 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、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。4.3.1仪表仪器放大器的选择仪表仪器放大器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器，就是典型的差动放大器。它只需高精度OP07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。OP07参数：1) 低的输入噪声电压幅度0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz)2) 极低的输入失调电压10 V3) 极低的输入失调电压温漂0.2 V/ 4) 具有长期的稳定性0.2 V/MO5) 低的输入偏置电流 1nA6) 高的共模抑制比126dB7) 宽的共模输入电压范围14V8) 宽的电源电压范围 3V 22VOP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 芯片封装如下图：+8 Offset Null25 N.C.6 Output7 Vcc+Vcc- 4Inverting Input 2Non-inverting Inpute 3Offset Null 1OP07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+ 。4.3.2差动放大电路图：本设计中差动放大电路结构图如下：推导过程：I=Vo=(R8+R7+R8)I=(1+)Vi，则Avf=1+4.4、A/D转换在实际的测量和控制系统中检测到的常是时间、数值都连续变化的物理量，这种连续变化的物理量称之为模拟量，与此对应的电信号是模拟电信号。模拟量要输入到单片机中进行处理，首先要经过模拟量到数字量的转换，单片机才能接收、处理。实现模/数转换的部件称A/D转换器或ADC。随着大规模集成电路技术的飞速发展和电子计算机技术在工程领域的广泛应用，为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换电路不断产生。4.4.1 A/D转换器的选择常用的几种A/D类型：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。本次设计使用的A/D为TLC2543串行逐次比较型AD，逐次比较型的具体原理图如下：4.4.2 TLC2543主要性能参数12位分辨率、10s转换时间、11个模拟输入通道、采样率为66kbps；4.4.3 TLC2543封装形式及各管脚功能其封装形式如下图： （1） 电源引脚：VCC,20脚：为电源正，一般接+5V；GND，10脚：为电源地。REF+，14脚：正基准点压端，一般接+5V。REF-，13脚：负基准电压端，一般接地。（2） 控制引脚 ，15引脚：片选端，低电平有效，由外部输入。 EOC，19脚：转换结束端，向外部输出，数据转换结束硬件自动置低该管脚。I/O CLOCK，18脚：控制输入输出的时钟，由外部输入。（3） 模拟输入引脚AIN0AIN10,19脚、1112脚：11路模拟输入端，输入电压范围：0.3V+0.3V。（4） 控制字输入引脚DATE TNPUT，17脚：控制字输入端，选择通道及输出数据格式的控制字由此输入。（5） 转换数据输出引脚DATE OUT，16脚：A/D转换结果输出的3态串行输出端。4.4.4 实际硬件电路连接图（AIN0为信号模拟信号接收端）1110I/O CLOCKDATA OUTDATA INPUT+5V1420AIN10AIN9AIN8AIN7AIN6AIN5AIN2AIN4AIN3AIN1AIN0MCS-51P1.0P1.1P1.2P1.3TCL2543五 、系统软件设计软件设计需要有一个细致全面的过程，一般须先清楚的列出电子秤各部分电路与软 件设计的有关特点，并进行定义说明，以作为软件设计的根据。在此基础上画出软件的功 能流程图，程序流程图，再根据程序流程图用汇编语言或高级语言写出。本次设计采用C语言编写。5.1电子秤的信号处理流程 电子秤要求有及时数据采集、处理、存结果、送显示的运行过程。根据这一要求，电子秤的信息测量与处理分三个阶段： （1）、在微处理器的控制下，经传感器转换的电压信号通过输入电路送A/D转换器处理， 变为相应的数字量，存入到数据存储器中。 （2）、微处理器对采集的测量数据进行必要的数据处理。 （3）、显示处理结果，把数据信号处理为显示及记录所要求的信号格式，通过输出接口电路输出并显示与记录。其信息处理的流程图如下图：输出接口（驱动显示）记录显示用数据数据处理数据存储输入接口数据采集5.2软件流程图为了方便程序调试和提高可靠性，程序设计采用自上而下、模块化、结构化的程序设计方法，把总的编程过程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个功能模块相互独立，每个模块都能完成一个明确的任务，实现某个具体的功能。本设计按任务模块划分的程序主要有初始化程序、主程序， A/D转换子程序、显示子程序。(一)、初始化程序设计：单片机系统上电后，进入初始化程序，完成单片机片内各模块的设置和A/D转换器的功能设置初始化，然后进入主程序。（二）、主程序设计 单片机完成初始化程序后进入主程序，主程序主要完成对存储参数的读取，对检测到的数据进行数据处理，显示处理等。NY送入液晶显示显示无称重状态开始判断单片机是否处理完A/D数据液晶初始化（三）、信号采样与A/D转换子程序的设计连续读20次数据求平均值将二进制数据与对应的最小重量分辨率相乘 得到最终对应重量 等待送去显示数据清零等待送去显示减去无重物数据得到重物实际对应数据判断数据是否为无重物数据读入A/D数据（4）、具体程序见附录。六、系统调试61调试过程（1）首先在秤体无负载时确保显示器准确显示零。 （2）然后秤台上放置不同量程内的重物，观察显示器是否准确显示重量，如有偏差，采样十五次求平均值。（3）零位稳定是影响电子秤精度非常重要的因素，因受温度或其它因素影响将引起零位不稳定，这种现象称为零漂。由于零漂的影响，零输入信号时，输出可能不为零，为消除这个零位漂移值，采用零位补偿技术，零位补偿就是把这个零位漂移值储存起来，每一数据采集时减去这个数值，得到的数值就是消除零漂的有效信号。七、系统功能该数字电子秤，测量范围分成四档，01.999Kg、019.99Kg0199.9Kg、01999Kg。用数字显示被测重量，小数点位置对应不同的量程显示，且具有量程自动切换功能。八、设计总结目前，电子秤正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。TCL2543采用较小的封装，尺寸很小，所需的外围器件也很少，满足了电子秤小型化的需求；其内置各种控制寄存器和数据寄存器，并且可以通过SPI接口方便地控制和读取这些寄存器，满足了电子秤智能化的需求。 在电子技术的课程设计中，我们花了大量的时间和精力进行资料查阅和方案论证，结合自己所学，认真解决每一个功能模块中遇到的问题。 我们还用仿真软件Proteus 6 Professional 进行某些功能模块的仿真，收到了很好的效果。但由于缺乏实践经验，电路中还有些功能不够完善，有写参数不够精确，而且抗干扰能力也不够好。总之，在这次电子设计大赛中，我们学会了怎样把自己所学的书本知识应用到实处。看到自己设计的功能电路能在仿真软件中运行，我们有了很大的成就感。另外，通过具体的操作，我们掌握了各个功能模块的接口设计方法，无论是在设计思想还是在动手能力上都有了很大的提高。九、参考文献【1】 51单片机自学笔记，北京航空航天大学出版社，2010年1月【2】 C程序设计，清华大学出版社，1999年12月【3】 电子技术基础模拟部分，高等教育出版社，2006年1月【4】 电子技术基础数字部分，高等教育出版社，2006年1月第26页十、 附 录程序清单：#include #include#define uchar unsigned char #define uint unsigned intsbit rs=P00;sbit lcdrw=P01;sbit lcden=P02;sbit clock=P10;sbit DI=P11;sbit DO=P12;sbit cs=P13;uchar l,m,n,o,p,num;uchar code table=M=0123456789;void display()；/1602液晶显示函数void fenwei()；数据处理函数unsigned long jiafa()；多次采样求平均值uint read_AD(uchar port)；12位AD 2543采样控制函数void init()；1602液晶初始化函数void write_date(uchar date)；/1602液晶写数据函数void write_com(uchar com)；1602液晶写指令函数void delay(uint z)；/延时函数void delay1(uint z)；/延时函数void main()/主函数init();while(1)fenwei();display();delay1(10);/延时函数void delay1(uint z) uint x,y;for(x=100;x0;x-)for(y=z;y0;y-);/延时函数void delay(uint z)uint x;for(x=0;xz;x+)_nop_();/1602写指令函数void write_com(uchar com)rs=0; lcdrw=0; lcden=0; delay1(1); P2=com; delay1(5);lcd