(完整word版)电子秤的设计与制作0001

1、项目二 .设计思路 1.1用什么显示测量值。 1.2电阻应变式传感器 （测量范围为2kg,其分辨力为1克，测量精度0.5% RD I字）。 1.3弹性敏感元件 1.4自感式传感器（基本变间隙自感式传感器，差动变间隙式传感器，螺管型电感式传感 器） 2.1 具有重量值的显示功能; 数码管（共阴，共阳）； 共阴-高电平驱动； 共阳-低电平驱动； L C D-单片机（硬件系统，软件系统） 硬件接口电路； 软件-应用； 2.2传感器； 2.2.1电阻应变式传感器（电阻应变片） 金属电阻应变片利用金属电阻的应变效应原理制成的。 半导体应变片-利用半导体材料的压阻效应原理制成。 2.2.2压电传感器 2,

2、2.3电容式传感器 2.2.4 电阻应变式传感器 3. 弹性敏感元件的选用; a）柱式弹性元件 b）薄壁圆筒 a) b) c) 悬臂梁 4. 转换电路； A/D或D/A转换电路; 三.整体设计方案（框图）。 3.1 系统总体设计方案比较与论证 在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种: 方案一数码管显示方案 结构简图如下图所示： 数据采集 _单片机 数码显奈I 图2.1 数码管显示方案 此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功 能的单片机。由此设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并 且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单

3、的输出输入关系。缺点是： 硬件部分简单，虽然可以实现电子秤基本的称重功能， 但是不能实现外部数据的 输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。由于数码管只能实现简单的 数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物 清单的要求。又因为采用了具有模数转换功能的单片机， 系统电路过于简单，系 统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。 方案二 前端信号处理时，选用放大、A/D转换等措施，尤其在显示方面采 用具有字符图文显示功能的LCD显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力， 而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。 结构简

4、图如下图所示： 滤波放 犬处理 图2.3 LCD显示的方案 目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单 片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体 的重量 。由于系统需要的按键较多，因此要 加一个 键盘显示管 理芯片 （ZLG7289。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低, 功耗低,体积小算术运算功能强，技术成熟等优点。但其缺点是外围电路比较复杂 编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。 鉴于本电子秤的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，我们考虑材 料有限，也由于我们刚接触，学的还不多。所以在具体设计时，采

5、用了第一种设 3.2 数据采集部分的方案确定 传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号 的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。 其中敏感元件指传感器 中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适 于传输和测量的电信号部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代， 在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理， 而传感器处于自动检测与控制系统之首， 是感知获取与检测信息的窗口；传感器 处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息， 都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器

6、的地位与作用特别重要。 方案一压力传感器 压力传感器是一种典型的有源传感器， 又称自发电式传感器。其工作原理是 基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。 压力传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测 量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力 或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱， 电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。 方案二电容式传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结 构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。

7、电 容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。 电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互 平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引 起电容量的变化）时，其电容量为 C八宀 (2.1) 式（2.1）中 d 两极板间的距离； A两平行极板相互覆盖的有效面积； ；r介质的相对介电常数； ；。真空中介电常数。 若被测量的变化使式中d、A、；r三个参量中任一个发生变化，都会引起电 容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因 素: （1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容

8、传感器的电容量都很小，一 般仅几皮法至几十皮法。因C太小，故容抗XC =1/ C很大，为高阻抗元件，负 载能力差；又因其视在功率P=Uor C ,C很小，则P也很小。故易受外界干扰， 信号需经放大，并采取抗干扰措施。 （2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 方案三电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应， 将各种力学量转换为电信号的 结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件， 其工作原理是基于 材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用， 又能作为敏感元件 结合弹性元件构成力学量传感器。 导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象

9、叫做电阻应变效应。 电阻应变片 把机械应变信号转换R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小， 难 以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的厶 R/R变化转 换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。 直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干 扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。 下图为一直流供电的平衡电阻电桥，E接直流电源E: Ein 图2.6传感器结构原理图 当电桥输出端接无穷大负载电阻时， 可视输出端为开路，此时直流电桥称为 电压桥，即只有电压输出。 当忽略电源的内阻时，由分压原理有： uo - UBD

10、 - UAB _ u AD Ri eRiR3 一只只 (R1 + R2 )( R3 + R ) (2.2) 当满足条件R1R3=R2R4时，即 (2.3) Uo=0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡条件 应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变 片感受的应变所引起的电阻变化有关。 若差动工作，即 R1=R- R,R2=R+R,R3=R-AR, R4=R+ R,按式（2.2），则 电桥输出为、 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) 应变片式传感器有如下特点： （1）应用和测量范

11、围广，应变片可制成各种机械量传感器。 （2）分辨力和灵敏度高，精度较高。 （3） 结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、 强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。 （4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案 。 3.3电源系统 电源分为：串并联稳压、三端集成稳压、开关稳压。 此次设计的稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成, 如图 图2.10稳压电源组成图 （1）三端集成稳压: 由于本次设计的电路需要多电源，所以采用三端集成稳压进行级联。 采用LM317、LM337共地可调式三端稳压器电源 1

12、、LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压，不过它只能允许可 调的正电压，稳压器内部含有过流，过热保护电路；由一个电阻（R）和一个可变电位器（RP） 组成电压输出调节电路，输出电压为：Vo=1.25（1+RP/R）。LM337输出为负的可调电压，采 用两个独立的变压器分别和LM317及LM337组装，操作比较简单。电路图如下所示： U0 + 图2.11LM317与LM337组装电路 2、采用7805,7905，7812和7912组成稳压电路 7805，7905固定式三端稳压器可输出芳V,固定式三端可调稳压器 7812和7812组装电路 可对称输出12v,其电路图如图所示 D2

13、图2.12 LM317与LM337组装电路 综合以上考虑将选择三端集成稳压 3. 4 A/D转换器选择及简介 方案一：逐次逼近型 A/D转换器，如：ADS7805 ADS7804等。 逐次逼近型A/D转换，一般具有采样/保持功能。采样频率高，功耗比较低， 是理想的高速、高精度、省电型 A/D转换器件。 高精度逐次逼近型 A/D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟，基于 89C52构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。 但考虑到所转换的信号为一慢变信号，逐次逼近型A/D转换器的快速的优点 不能很好的发挥，且根据系统的要求，太高的精度就反而浪费了系统资源。 所以 此方案并不是理想的选择。 方案

14、二:双积分型A/D转换器：如：ICL7135、ICL7109等。 双积分型A/D转换器精度高，但速度较慢（如：ICL7135）,具有精确的差分输 入，输入阻抗高（大于1O3M0 ），可自动调零，超量程信号，全部输出于 TTL电 平兼容。 方案三:采用V/F变换 该方案是使用压频变换器件，把电压信号转化为频率信号，单片机通过计数 获得重物的重量，此方案可不用 A/D芯片，V/F转换器上把电压信号转换为频率 信号的期间，有良好的精度、线性和积分输入特点，它的应用电路简单，外围元 件性能要求不高，对环境适应能力强，转换速度不低于一般的双积分型 A/D期间， 且价格较低。目前，V/F直接处理技术得到了

15、广泛应用。 当前12位以上的A/D转换器价格昂贵，人们正在寻找新的途径来取代它，其 中V/F变换器便是一种较好的选择。由于集成 V/F变换器件具有高精度、高线 性度,而且外接电路和与单片机接口简单，因此用V/F变换器做成高精度、低价 格、远距离、高性能的A/D转换器,在要求速度不太高的场合是很适用的。 基于以上分析并结合实际因素，我们决定采用V/F转换方案，选用V/F转换 芯片LM331。 主程序流程图 原理图 整个系统由测量电桥，信号调理电路， A/D转换器，单片机，显示器组成。 首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，以模拟 信号的方式输出。经过了信号调理电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的 放大，滤波，然后送A/D转换电路中。再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转 换成数字信号，传送到单片机后进行调整，最后由显示电路显示数据 四.电路调试 (1 )首先在秤体自