《電子稱的設計》word版

1、電子稱的設計摘 要 隨著微電子技術的應用，市場上使用的傳統(tǒng)稱重工具已經(jīng)滿足不了人們的要求。為了改變傳統(tǒng)稱重工具在使用上存在的問題，在本設計中將智能化、自動化、人性化用在了電子秤重的控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)主要由單片機來控制，測量物體重量部分由稱重傳感器及A/D轉換器組成，加上顯示單元，此電子秤俱備了功能多、性能價格比高、功耗低、系統(tǒng)設計簡單、使用方便直觀、速度快、測量準確、自動化程度高等特點。本系統(tǒng)以AT89S52單片機為主控芯片，外圍附以稱重電路、顯示電路、報警電路、鍵盤電路等構成智能稱重系統(tǒng)電路板，從而實現(xiàn)自動稱重系統(tǒng)的各種控制功能?？梢哉f,此設計所完成的電子秤很大程度上滿足了應用需求。關鍵詞

2、AT89S52單片機； 電阻式應變傳感器； A/D轉換器； LCD顯示器1 緒論 隨著時代科技的迅猛發(fā)展，微電子學和計算機等現(xiàn)代電子技術的成就給傳統(tǒng)的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。常規(guī)的測試儀器儀表和控制裝置被更先進的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在遠離、功能、精度及自動化水平定方面發(fā)生了巨大變化，并相應的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)，使得科學實驗和應用工程的自動化程度得以顯著提高。 作為重量測量儀器，智能電子秤在各行各業(yè)開始顯現(xiàn)其測量準確，測量速度快，易于實時測量和監(jiān)控的巨大優(yōu)點，并開始逐漸取代傳統(tǒng)型的機械杠桿測量稱，成為測量領域的主流產(chǎn)品。本文設計的電子秤以單片

3、機為主要部件，用匯編語言進行軟件設計，硬件則以半橋傳感器為主,測量05kg電子秤，隨時可改變上限閾值，并達到閾值報警的功能。稱重傳感器輸出的電量是模擬量，數(shù)值比較小達不到A/D轉換接收的電壓范圍。所以送A/D轉換之前要對其進行前端放大、整形濾波等處理。然后，A/D轉換的結果才能送單片機進行數(shù)據(jù)處理并顯示。其數(shù)據(jù)顯示部分采用LCD顯示，成本低且能很好地實現(xiàn)所要求的功能。2 設計要求2.1 基本要求 1、電子稱的稱重范圍：05kg；分度值0.01Kg；精度等級 2、液晶顯示：所稱物體重量、10種商品的購物清單等。2.2 特色與創(chuàng)新 1、使用單片機為控制核心，大大簡化了系統(tǒng)的組成結構，且單片機可拓展

4、性強，可以很方便的對系統(tǒng)進行拓展和應用。 2、使用鍵盤輸入數(shù)據(jù)，操作簡單，方便。 3、中文液晶顯示所稱量的物品重量，同時還可顯示物品的名稱，數(shù)量，單價，金額和所有物品的總金額。 4、具有去皮功能和金額累加計算功能。 5、當物品重量超過電子稱量程，即過載情況或者物品重量小于A/D轉換器所能轉化的最小精度，即前量程的時候，具有超重報警功能。3 方案設計3.1 設計思路按照設計的基本要求，系統(tǒng)可分為三大模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊、人機交互界面模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、信號的前級處理和A/D轉換部分組成。轉換后的數(shù)字信號送給控制器處理，由控制器完成對該數(shù)字量的處理，驅動顯示模塊完成人機間

5、的信息交換。此部分對軟件的設計要求比較高，系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件來控制。在擴展功能上，本設計增加了一個過載、量程報警提示。系統(tǒng)總體設計方案比較與論證。 在設計系統(tǒng)時，針對各個模塊實現(xiàn)的功能來設計電子秤的方案有以下幾種：方案一 數(shù)碼管顯示方案結構簡圖如下圖所示：圖3-1-1 數(shù)碼管顯示方案 此方案利用數(shù)碼管顯示物體的重量，簡單可行，可以采用內(nèi)部帶有模數(shù)轉換功能的單片機。由此設計出的電子稱系統(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，在電路結構上只有簡單的輸入輸出關系。缺點是：硬件部分簡單，雖然可以實現(xiàn)電子城基本的稱重功能，但是不能實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，無法根據(jù)實際情況靈活的

6、設定各種控制參數(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復雜的字符，不能達到顯示購物清單的要求。方案二 在前一種方案的基礎上進行了拓展。增加了一鍵盤輸入裝置，增加外界對單片機內(nèi)部的數(shù)據(jù)設定，使其具有了稱重計價的功能。結構簡圖如下圖所示：圖3-1-2 帶外部鍵盤輸入的結構簡圖此方案設計的電子稱，可以實現(xiàn)稱物計價功能，但局限于數(shù)碼管功能，在顯示時只能顯示單價、購物總額以及簡單的貨物代碼等。方案三 基于上述方案中出現(xiàn)的問題，我們在前端信號處理時，選用放大、信號轉換器等措施，并加入過載報警電路，大大提高了電子稱的準確性。 結構簡圖如下圖所示：圖3-1-3 電子秤的總體方案結

7、構簡圖 綜合比較方案一，方案二和方案三，我們可以看出方案三中系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性能大大得以提高，而且電子稱的計價，去皮，總價，等功能都可以如方案一、二那樣得以體現(xiàn)，所以在具體設計時，采用了第三種設計方案。硬件系統(tǒng)及分析4.1 數(shù)據(jù)采集 4.1.1壓力傳感器的選擇 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，轉換部分指傳感器中能將敏感元件輸出量轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。本系統(tǒng)要運用傳感器將物體重量在電子秤上產(chǎn)生的壓力轉換成電信號輸出顯示，所以此處應選擇測量壓力的傳感器。據(jù)

8、測控電路所學知識，我們知道測量壓力的傳感器有壓電傳感器；電容式傳感器；電阻應變式傳感器等，下面結合測控電路，現(xiàn)代檢測技術知識分別對這幾種傳感器進行比較，以得出最優(yōu)方案。方案一 壓電傳感器 壓電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的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應。壓電傳感器體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠，適用于“動態(tài)力學量”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。由于我們使用的電子稱都是用來測量靜態(tài)物體，即測量靜態(tài)量，所以不適合選擇壓電傳感器。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

9、轉換為電容變化的一種傳感器。它有結構簡單、靈敏度高、動態(tài)響應好、可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應等優(yōu)點。電容傳感器可用來檢測壓力、力、位移以及振動學非電參量。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，當不考慮其邊緣效應（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=r0A/d （4-1）式中： 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)；0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換為電量輸出。 雖然電容式傳感器有結構簡單和良好動

10、態(tài)特性等諸多優(yōu)點，但也有不利因素： 小功率、高阻抗。受幾何尺寸限制，電容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=u02C ，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成的寄生電容影響很大。 我們知道，電子稱的第一個要求就是稱量準確，所以電容式傳感器不是最佳選擇。 方案三 電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器簡稱電阻應變計，它由電阻應變片和測量線路兩部分組成。常用的電阻應變片有兩種：電阻絲應變片和半導體應變片，本設計中采用的是電阻絲應變片，為

11、獲得高電阻值，電阻絲排成網(wǎng)狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導線，線柵上面粘有覆蓋層，起保護作用。 當將電阻應變計用特殊膠劑粘在被測構件的表面上時，則敏感元件將隨構件一起變形，其電阻值也隨之變化，而電阻的變化與構件的變形保持一定的線性關系，進而通過相應的二次儀表系統(tǒng)即可測得構件的變形。通過應變計在構件上的不同粘貼方式及電路的不同聯(lián)接，即可測得重力、變形、扭矩等機械參數(shù)。由物理學知識可知，一根金屬絲的電阻為： R=L/S （4-2）在金屬絲的彈性范圍內(nèi)：R/R=KSx （4-3） 式中：Ks金屬絲的靈敏系數(shù) x金屬絲的應變 4.1.2 測量轉換電路 在電子稱的數(shù)據(jù)采集部分，由物體才產(chǎn)生的壓力

12、經(jīng)電阻應變片的測量轉換電路轉變成電壓信號后再送入放大電路中進行信號放大。由于溫度變化引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，如果不采取必要是措施克服溫度的影響，測量精度無法保證，所以在設計時選用“電橋測量電路”進行溫度補償補償（如下圖所示）。電橋的一個對角線結點介入電源電壓，另一個對角線結點為輸出電壓U0。為了使電橋在測量前的輸出電壓為零，應該選擇四個橋臂上的電阻均作應變片，使R1R3=R2R4或R1/R2=R3/R4，這樣電橋就平衡了。根據(jù)不同的要求，應變電橋有不同的工作方式：單臂半橋工作方式，雙臂半橋工作方式，全橋四臂方式。其中全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之

13、，單臂半橋靈敏度最低。所以為設計高靈敏度的電子稱，選用全橋四臂工作方式。但是，電子稱在使用中R1、R2、R3、R4不可能嚴格地成比例關系，所以必須設置調(diào)零電路，如圖所示;調(diào)節(jié)RP，最終可以使電橋趨于平衡，U0被調(diào)到零位，這一過程就是調(diào)零。圖中的R6、R8是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。圖4-1 全橋四臂調(diào)零電路4.2 信號放大電路 在前級處理電路部分，我們可以考慮采用以下幾種方案：方案一、利用普通低溫漂運算放大器構成前級處理電路； 普通低溫漂運算放大器構成多級放大器會引入大量噪聲。由于A/D轉換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此種方案不宜采用。 方案二、主

14、要由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器，而構成的前級處理電路；差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放(如OP07)做成一個差動放大器。其設計電路如圖所示：圖4-2 利用普通運放設計的差分放大電路 方案（三）：采用專用儀表放大器，如：INA126，INA121等構成前級處理電路。 一般說來，集成化儀用放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統(tǒng)的電路設計中都是把集成化儀器放大器作為前置放大器。然而，絕大多數(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關：增益越高，共模抑制比越大。而集成化儀器放大器作為心電前置放大器時，由于極化電壓的存在，前置放大器

15、的增益只能在幾十倍以內(nèi)，這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時的共模抑制比不可能很高。有學者試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進入飽和狀態(tài)，但由于信號源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡）使等共模干擾轉變?yōu)椴钅８蓴_，結果適得其反，嚴重地損害了放大器的性能。 由以上分析以及基于電子秤的要求精確度不是很高，所以選擇由普通放大器所組成的差動放大器作為本設計的信號放大電路。4.3 A/D轉換器的選擇 考慮到本系統(tǒng)中對物體重量的測量和使用的場合，精度要求不是很苛刻，轉換速率要求也不高，而雙積分型A/D轉換器精度高，具有精確的差分輸入，重要的是

16、輸入阻抗高（大于103M），可自動調(diào)零，有超量程信號輸出，全部輸出于TTL電平兼容。且雙積分型A/D轉換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50Hz的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。 根據(jù)系統(tǒng)的精度要求以及綜合的分析其優(yōu)點和缺點，本設計采用了12位A/D轉換器。4.4 鍵盤處理部分的方法論證 由于電子秤需要設置單價（十個數(shù)字鍵），還具有確認、刪除等功能，總共需設置17個鍵（包括一個復位鍵）。鍵盤的擴展有使用以下方案：采用矩

17、陣式鍵盤：矩陣式鍵盤的特點是把檢測線分成兩組，一組為行線，一組列線，按鍵放在行線和列線的交叉點上。下圖給出了一個44的矩陣鍵盤結構的鍵盤接口電路，圖中的每一個按鍵都通過不同的行線和列線與主機相連這。44矩陣式鍵盤共可以安裝16個鍵，但只需要8條測試線。當鍵盤的數(shù)量大于8時，一般都采用矩陣式鍵盤。 圖4-4 矩陣式鍵盤結合本設計的實際要求，16個按鍵使用44矩陣式鍵盤，另外一個復位鍵使用獨立式按鍵實現(xiàn)。4.5 顯示電路部分的選擇 數(shù)據(jù)顯示是電子秤的一項重要功能，是人機交換的主要組成部分，它可以將測量電路測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過微處理器處理后直觀的顯示出來。數(shù)據(jù)顯示部分可以有以下兩種方案供選擇。的組成有以下

18、兩種方案可供選擇：一是 LED數(shù)碼管顯示,二是LCD液晶顯示兩種選擇. LCD液晶顯示器是一種極低功耗顯示器，從電子表到計算器，從袖珍時儀表到便攜式微型計算機以及一些文字處理機都廣泛利用了液晶顯示器。4.6 超量程報警部分的選擇 智能儀器一般都具有報警和通訊功能，報警主要用于系統(tǒng)運行出錯、當測量的數(shù)據(jù)超過儀表量程或者是超過用戶設置的上下限時為提醒用戶而設置。在本系統(tǒng)中，設置報警的目的就是在超出電子秤測量范圍時，發(fā)出聲光報警信號，提示用戶，防止損壞儀器。 超限報警電路是由單片機的I/O口來控制的，當稱重物體重量超過系統(tǒng)設計所允許的重量時，通過程序使單片機的I/O值為高電平，從而三極管導通，使蜂鳴

19、器SPEAKER發(fā)出報警聲，同時使報警燈D1發(fā)光。 5 心得體會 俗話說“好的開始是成功的一半”。說起課程設計，我認為最重要的就是做好設計的預習，選一個自己有興趣的題目；其次，老師對實驗的講解要一絲不茍的去聽去想，因為只有都明白了，做起設計就會事半功倍，如果沒弄明白，就迷迷糊糊的去選題目做設計，到頭來一點收獲也沒有。最后，要重視程序的模塊化，修改的方便，也要注重程序的調(diào)試，掌握其方法。 當然，這其中也有很多問題，第一、不夠細心比如由于粗心大意接錯了線，由于對課本理論的不熟悉導致編程出現(xiàn)錯誤。第二，是在學習態(tài)度上，這次課設是對我的學習態(tài)度的一次檢驗。對于這次課程實習，我的第一大心得體會就是作為一

20、名工程技術人員，要求具備的首要素質(zhì)絕對應該是嚴謹。我們這次實習所遇到的多半問題多數(shù)都是由于我們不夠嚴謹。第三，在做人上，我認識到，無論做什么事情，只要你足夠堅強，有足夠的毅力與決心，有足夠的挑戰(zhàn)困難的勇氣，就沒有什么辦不到的。 在這次難得的課程設計過程中我鍛煉了自己的思考能力和動手能力。通過題目選擇和設計電路的過程中，加強了我思考問題的完整性和實際生活聯(lián)系的可行性。在方案設計選擇和芯片的選擇上，培養(yǎng)了我們綜合能力，對傳感器功能也有了進一步的認識。還鍛煉我們個人的查閱技術資料的能力，動手能力，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力。課程設計時間雖然很短，但我學習了很多的東西，使我眼界打開，感受頗深。參考文獻1 趙茂泰 智能儀器原理及應用