实用电子秤的设计和制作

...wd......wd......wd...综合实训论文综合实训论文(实用电子秤的设计与制作)学院名称：电气信息工程学院专业：电气工程及其自动化班级：05自控〔1〕姓名：姜中娟学号：05312205指导教师：朱品伟2009年1月实用电子秤的设计与制作摘要：本系统利用应变式称重台，将四片应变片采用全桥形式接入测量电路，经过运放OP07组成的仪表放大器放大，再由串行模数转换芯片TLC549进展A/D转换，转换结果送入单片机AT89C51，通过同向门7407驱动四位数码管显示。关键词:应变片；仪表放大器；TLC549；AT89C51Abstract:Thesystemusesstrainweighingunits,fourstraingaugeswiththeformoffullbridgeaccessedtothemeasurementcircuit,afterthecompositionofOP07instrumentationamplifier.Thenbyserialanalog-to-digitalconversionchipTLC549forA/Dconversion,theconversionresultsaregiventothesingle-chipmicrocomputerAT89C51,thenthroughthe7407drivetofourdigitaltubedisplay.Keywords:Straingauge；Measuringapplianceamplifier；TLC549；AT89C51目录1概述1.1引言1.2系统原理概述1.3组成及框图2硬件电路设计2.1应变电桥电路2.2仪表放大器电路2.32.4显示电路3软件设计3.1程序流程图3.2源程序清单4系统调试与分析4.1硬件调试4.2软件调试4.3综合调试4.4故障分析与解决方案5功能测试及结果分析5.1测试仪器5.2测试结果与分析6完毕语参考文献附录1概述1.1引言随着科技的进步，对电子秤的应用越来越广泛。传统机械秤是杠杆放大系统，系统中载重架上比拟小的垂直偏移经过放大后在秤的刻度上形成很大的指针偏转。然而载重架的偏移量通常很大，所以不允许机械秤安装在工业过程的设备中，相反，用于电子秤的称重传感器的压缩量通常可以忽略不计，可以安装在工业过程设备中。本系统是基于单片机控制的电子秤，控制精度较高，实时性较强，同时采用LED显示，既美观又实用。1.2系统原理概述本系统利用应变式称重台，将四片应变片采用全桥形式接入测量电路，经过运放OP07组成的仪表放大器放大，再由串行模数转换芯片TLC549进展A/D转换，转换结果送入单片机AT89C51，通过同向门7407驱动四位数码管显示。由称重传感器来的电信号经过放大和处理后，通过模/数转换后在LED上显示。仪表放大器的输出需经采集卡采集，经过CSY9.0虚拟仪器软件分析，得到较好的线性度和灵敏度后，才能再送入A/D芯片进展转换。1.3组成及框图±15V供±15V供电电图1系统框图2硬件电路设计2.1应变电桥电路电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转换成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。其主要缺点是输出信号小、线性范围窄，而且动态响应较差。但由于应变片的体积小，商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中仍有非常广泛的应用。应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要结实地粘贴在测试体外表，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件外表时，试件受力引起的外表应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化ΔR/R。在一定应变范围内ΔR/R与ε的关系满足下式：，ε为应变片的轴向应变。定义K=(ΔR/R)/ε为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化ΔR/R与其单向应力引起的试件外表轴向应变ε之比。电阻应变片计把机械应变转换成ΔR/R后，应变电阻变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120Ω，灵敏系数K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000μ，应变电阻相对变化量为：ΔR/R=K*ε=2*1000*10ˉ6=0.002可以看出电阻变化只有120*0.002=0.24Ω，其电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接准确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变片计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化。通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。假设将电桥四臂接入四片应变片，如图2所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号一样的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。在接入四片应变片时，需满足以下条件：相邻桥臂应变片应变状态应相反，相对桥臂应变片应变状态应一样。可简称为：“相邻相反，相对一样〞。此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度图2全桥电路为单片工作时的4倍，同时具有温度补偿作用。当E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。2.2仪表放大器电路2.2.1仪表放大器工作原理由于传感器的输出信号往往较小，必须经过放大电路进展调理放大，再进展测量。常用的放大电路可以由单运放放大器、双运放放大器、三运放放大器或直接由集成仪表放大器〔如AD620、AD623〕等构成。下面以三运放构成的仪表放大器为例说明仪表放大器的工作原理及性能指标，运算放大器选择高精度运放OP07。2.2.2集成运算放大器OP-07OP-07有A、D、C、E各档，它是高精度运算放大器，具有极低的失调电压〔10μV〕和偏置电流〔0.7nA〕，它的温漂系数为0.5μV/℃，OP-07具有较高的共模输入范围〔±14V〕，共模抑制比CMRR=126dB，以及极宽的供电电流范围〔从±3V到±18V〕，双电源供电。ADOP-07的封装、管脚排列以及根本连接方式如以下列图所示，OP07一般不需要调零，如需调零，可在1和8管脚之间接一个电位器，阻值可为20k，参见根本接法图。图3OP-07封装图管脚功能图根本接法图4运算放大器引脚图2.2.3仪表放大器工作电路图5，图6是压力传感器的测量电路，由两个局部组成。前一局部是采用三个运放构成的仪表放大器，后面的放大器将仪表放大器的输出电压进一步放大。R28是电桥的调零电阻，R42是整个放大电路的调零电阻，R29，R40调整运放增益。仪表放大器因为输入阻抗高，共模抑制能力好而作为电桥的接口电路。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；图5仪表放大器图6反相放大器2.3一般电子秤的A/D转换精度越高越好，A/D精度越高，电子秤的灵敏度越高。但12的A/D芯片价格比拟贵，考虑到实验室条件，本次设计采用8位串行A/D芯片TLC549。TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器通过SDO、SCLK、CS三条口线进展串行接口"具有4MHz片内系统时钟和软硬件控制电路，转换时间最长17微秒。允许的最高转换速率为40000次/秒。总失调误差最大为±0.5LSB〔最低有效位〕。可用于较小信号的采样。与AT89C51的具体连接线路如图7所示。REF+接5V电源，REF-接地，图中输入电压为3.35V，TLC549的AIN引脚接仪表放大器的输出端。SDO、CS、SCLK分别接AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2引脚。图7TLC549电路连接TLC549在读出前一次数据后，马上进展电压采样，ADC转换，转换完后就进入HOLD模式，直到再次读取数据时，芯片才会进展下一次A/D转换。也就是说，本次读出的数据是前一次转换的值，读操作后就会再启动一次转换，一次转换所用的时间最长为17uS。2.4显示电路采用4个共阴数码管，以动态扫描方式显示电压值。图8显示电路3软件设计3.1程序流程图开始开始程序初始化程序初始化A/DA/D转换拆数拆数显示显示完毕完毕图9程序流程图3.2源程序清单#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar sbitcs=P1^1;/*片选*/sbitclk_adc=P1^2;/*TLC549的时钟信号*/sbitdout_adc=P1^0;/*TLC549的数据输出*/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延时子函数*/voiddelay(unsignedintc){ unsignedinti,j; for(i=0;i<c;i++) for(j=0;j<120;j++);}/*TLC549转换数据读出程序*/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;}/*将十进制数拆成送数码管的显示码*/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;}/*显示程序*/voiddisplay(){P0=Segcode[LED3_data];//个位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;//转换成毫伏 dectobit(volt);for(b=100;b>0;b--) display();}}4系统调试与分析4.1硬件调试硬件调试是整个调试步骤中第一步，硬件电路的正确性，是其它各局部正常工作的先决条件。(1)首先判断购置的各个元器件本身是否已经损坏，再则根据电路原理图仔细检查元器件是否有组装上的错误，诸如极性电容、集成块安装方向错误等。再利用万用表检测各个焊点是否存在虚焊等问题，并且按照原理图一局部一局部的检测，着重注意走线、接点之间是否存在相互间的短路、开路或接错等。(2)根据图10所示，应变式传感器已经装在传感器试验台上。传感器中各应变片上的R1、R2、R3、R4接线颜色分别为黄色、蓝色、红色、白色，可用万用表测量同一种颜色的两端判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。图10应变式传感器安装示意图(3)接入电源，拨通电源开关，将实验板调节增益电位器R29〔参考图7和图8〕顺时针调节大致到中间位置，再进展仪表放大器调零，方法为将仪表放大器的正、负输入端〔在做板时要预留插孔〕与地短接，调节电路板上调零电位器R42，输出的电压读数为零，关闭电源。〔注意：当R29、R42的位置一旦确定，就不能改变〕(4)电路板上的R25、R26、R27接入350Ω电阻，接成直流全桥。检查接线无误后，接通电源。调节电桥调零电位器R28，使电路板的输出电压压降为零。4.2软件调试软件调试主要应用Keil软件进展程序的调试，Keil软件全面支持汇编语言，C51语言的编译/连接、调试。(1)A/D转换程序的调试(2)显示程序的调试4.3综合调试在完成了硬件和软件调试工作以后，便可进展系统的综合调试。综合调试一般采用全速断点调试运行方式，在这个阶段的主要工作是排除系统中遗留的错误以提高系统的动态性能和精度。4.4故障分析与解决方案4.4.1故障出现情况(1)数码管显示数值不稳定；(2)数码管显示数值为零；4.4.2解决方案〔针对上述故障一一对应的解决方案〕(1)在主程序调用显示程序之前加了一个循环，实现循环调用显示程序，便实现了数值的稳定显示。(2)一开场显示数值始终为零，然后将程序中volt=volt*5.0/255*1000改成volt=1234，编译下载后可以稳定的显示1234，说明显示局部的硬件电路和程序没有问题。再测TLC549的输入电压，测出一个负值，由于此处的TLC549的REF+为+5V,REF-为0，所以TLC549的输入电压须为正值。然后调节应变电桥电阻的位置，便实现了TLC549的输入电压为正值，数码管便可正常显示。5功能测试及结果分析5.1测试仪器(1)应变式称重台(2)直流稳压电源(3)数字万用表5.2测试结果在托盘上放置一只砝码，读取电压数值，依次增加砝码和读取相应的电压值。记下实验结果填入表1中。表1测试数据重量〔g〕20406080100120140160180200电