电子秤设计.docx
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电子秤设计
目录
第一节绪论………………………………………………………2
1.1本设计的任务和主要内容…………………………………2
1.2基本工作原理及原理框图…………………………………2
第二节硬件电路的设计………………………………………………3
2.1电阻应变式传感器的选择……………………………………3
2.2三运放大电路的设计……………………………………………5
2.3MC14433A/D转换器…………………………………………7
2.4LED显示电路的设计………………………………………………9
第3节设计总结…………………………………………………………15
2.5总体工作电路原理图……………………………………………
第4节
第5节参考书籍…………………………………………………………………16
附图……………………………………………………………………17
数字电子秤设计
第一节绪论
本课程设计的电子秤以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。
其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。
电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。
而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。
MC14433A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。
1.1本设计的任务和主要内容
设计的主要内容如下：
1）运用电阻应变式传感器并采用全桥测量电路
2）设计一款电子秤，用LED数码管显示器显示被称物体的质量
3）电路由全桥测量电桥，三运放大电路，A/D转换电路，LED显示电路
4）写出详细的实验报告
1.2基本工作原理及原理框图
电路方框图如下：
图1.2-2电路方框图
第二节硬件的设计
2.1传感器的选择
2.1.1电阻应变式传感器的组成以及原理
电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。
由电阻应变片和测量线路两部分组成。
常用的电阻应变片有两种：
电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。
电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：
A.电阻丝温度系数引起的。
B.电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。
对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。
非线性误差是传感器特性中最重要的一点。
产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。
滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。
由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。
图1.2-3应变式传感器安装示意图
全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：
R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uout＝KEε。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。
2.1.2电阻应变式传感器的测量电路
常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—0.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1欧姆。
所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。
桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压Uo。
其特点是：
当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。
测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。
Rw1
图1.2-4全桥测量电桥图
它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右，测量电桥的电源由稳压电源Uin供给。
将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。
将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V（2V档测量）或－0.200V。
拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RW4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。
重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。
成为一台原始的电子秤。
2.2三运放大电路
本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。
在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。
图1.2-6三运放大电路结构图
由于实验室缺少该集成器件本人选用LM324自己搭建三运放电路LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图2
2.3双积分型A/D转换器
尽管双积分型A/D转换器的转换速度普遍不高（通常每秒转换几次到几百次）,但是双积分A/D转换器具有转换精度高,廉价,抗干扰能力强等优点,在速度要求不高的实际工程中使用广泛。
常用的双积分型A/D转换器有MCl4433、ICL7106、ICL7135、AD7555等芯片,下面以具有代表性的MCl4433和ICL7135为例,从两种不同的角度,分别介绍它们与MCS-51单片机的接口及编程方法。
1.MCl44333
位A/D转换器
（1）MCl4433芯片介绍
MCl4433具有以下特点：
.3
位双积分型A/D转换器;
.外部基准电压输入=200mV或2V;
.自动调零;
.量程有199.9mV或1.999V两种（由外部基准电压VREF决定）;
.转换速度为（1～10）次/s,速度较慢。
MCl4433为DIP24封装,芯片引脚排列如图1所示,引脚的功能及含义如下：
（1）与电源相关的引脚（共6脚）
.VDD：
正电源端,典型值+5V。
.VEE：
模拟负电源端,典型值—5V。
.VSS：
数字地（所有数字信号输入输出的零电位）。
.GND：
模拟地（所有模拟信号的零电位）。
。
Vx：
被测电压输入端。
.VREF：
外接电压基准（2V或200mV）输入端。
（2）与外接电阻、电容相关的引脚（共7脚）
.R1：
外接积分电阻输入。
.C1：
外接积分电容输入。
图1MC14433芯片引脚
.R1/C1：
外接电阻R1和外接电容C1的公共端,电容C1常采用聚丙烯电容,典型值0.1uF,电阻R1有两种选择：
一是量程为200mV时,R1=470kΩ;另一是量程为2V时,R1=27kΩ。
.C01、C02：
外接失调补偿电容端,典型值为0.1uF。
.CLK0、CLKl：
时钟振荡器外接电阻Rc接入端,外接电阻Rc典型值为470kΩ,时钟频率随Rc电阻阻值的增加而下降。
（3）与控制信号相关的引脚（共3脚）
.DU：
更新转换控制信号输入,高电平有效。
.EOC：
转换结束输出,当DU有效后,EOC变低,16400个时钟脉冲（CLK）周期后产生一个0.5倍时钟周期宽度的正脉冲,表示转换结束。
典型的,EOC与DU相连,每次A/D转换结束后均自动启动新的转换。
.OR：
过量程状态输出,低电平有效。
当|Vx|>VREF时,OR有效（输出低电平）。
（4）与选通和数据相关的引脚（共8脚）
.DS4～DS1：
分别表示个、十、百、千位的选通脉冲输出,格式为18个时钟周期宽度的正脉冲。
例如,当DS2有效期间,Q0～Q3上输出的BCD码表示转换的百位的数值。
·Q0～Q3：
某位BCD码数字量输出。
具体是哪位,由选通脉冲DS4DSl指定,其中Q3为高位,Q0为低位。
MCl4433选通时序如图5.12所示。
EOC输出1/2个CLK周期正脉冲表示转换结束,依次DSl、DS2、DS3、DS4有效。
当DSl有效期间从Q3～Q0端读出的数据是千位数,DS2有效期间读出的为百位数,依次类推,周而复始。
当DSl有效时,Q3～Q0上输出的数据为千位数,由于千位只能是0或1,故DSl有效期间,Q3～Q0输出的数据被赋予了新的含义：
Q3表示千位。
Q3=0,表示千位为1;Q3=1,表示千位为0。
Q2表示极性。
Q2=0,表示极性为负;Q2=1,表示极性为正。
Q0表示超量程。
Q0=1,表示超量程;Q0=0,表示未超量程。
Q0=1时,进一步确定是由过量程还是欠量程引起的超量程,由Q3（千位数据）来确定。
当Q3=0,表示千位为1,是由过量程引起的;当Q3=1,表示千位为0,是由欠量程引起的。
MCl4433千位选通含义如表1所示。
表1MC14433千位选通含义
BCD输出
DS1有效时千位的含义
Q3
Q2
Q1
Q0
极性
千位
量程
1
1
1
0
＋
0
－
1
0
1
0
－
0
－
1
1
1
1
＋
0
欠量程
1
0
1
1
－
0
欠量程
0
1
0
0
＋
1
－
0
0
0
0
－
1
－
0
1
1
1
＋
1
过量程
0
0
1
1
－
1
过量程
图2MCl4433选通时序
2.4LED显示电路设计
2.4.1LED显示器结构与原理
LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。
在单片机应用系统中通常使用的是七段LED。
这种显示块有共阴极与共阳极两种。
共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。
2.4.2LED显示器与显示方式
1）.被测直流电压VX经A/D转换后以动态扫描形式输出，数字量输出端Q0Q1Q2Q3上的数字信号经七段译码器CD4511译码后顺序输出。
位选信号DS1～DS4通过位选开关MC1413分别控制着千/百/十/个位上的4只LED数码管的阴极。
由于选通重复频率较高，看到四位数码管同时显示的效果。
2）当参考电压VR＝2V时，满量程显示1.999V；VR＝200mV时，满量程为199.9mV。
可以通
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