多功能电子秤设计.docx

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多功能电子秤设计

多功能电子称的设计

作者：

孙国亮吕涛胡艳浩

摘　要：

本文设计一种利用平行梁式传感器和AT89C51单片机等器件制作的电子秤。

该秤可以对15公斤量程范围内的物体进行称量，能实现称重、LCD液晶显示、预置等功能。

该电子秤利用电桥测量原理，将压力应变传感器阻值转换为电压值，再经过放大器将电压放大，通过确定输出电压和标准重量的关系，形成一台原始电子秤。

将此输出电压经过模数转换，送入AT89C5151单片机处理，再控制数码管驱动电路，最后显示出测量结果。

关键词：

电子秤平行梁式传感器电桥放大电路单片机

Abstract:

DesignofaparallelbeamusingsensorsandotherdevicesproducedAT89C51microcontrollerelectronicscale.Thescalecanbewithintherange15kgweighingobjects,abletoweigh,LCDliquidcrystaldisplay,peeled/clear,presetfunctions.Theelectronicscaleuseofthebridgemeasuringprinciple,thepressurestrainsensorresistanceintovoltageandthenamplifiedthroughtheamplifiertovoltage,outputvoltageandthestandardbydeterminingtherelationshipbetweenweightandformaprimitiveelectronicscales.Afterthistheoutputvoltageconversion,intotheAT89C5151MCUprocessing,tocontrolthedigitalcontrolcircuit,thelastshowmeasurementresults.

Keywords:

ElectronicscaleParallelbeamsensorBridgeAmplifierSCM

1总体方案设计

本设计由以下几部分组成：

平行梁式传感器、信号放大器、模数转换、单片机、键盘、LCD液晶显示器。

由平行梁式传感器感受被测物体的质量，通过电桥输出电压信号，通过放大电路将输出信号放大，而后送入A/D转换单元进行模数转换，将转换后的数字信号送给单片机；单片机接收数据后，对数据进行处理，将其转换为对应的重量信息，送液晶显示模块进行显示。

单片机还需查寻键盘是否有输入，执行相应的功能。

2硬件电路设计

2.1平行梁式传感器

平行梁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。

电阻应变片产生的误差，主要来源于温度的影响，本设计主要在实验室内进行，温度的影响暂不处理。

在电桥测量电路中，将一对变化相反的应变片接入电桥一臂，另一臂接两个相同的阻值作为基准值；当桥臂电阻初始值R1＝R2＝R3＝R4=350时平衡，其变化值为ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4=d时，其桥路输出电压Uout与d成正比。

2.2放大电路设计

　　由于传感器输出的信号比较微弱，必须通过一个放大器对其进行放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求。

本设计中选用由三运放构成的具有高输入阻抗，高共模抑制比的仪表放大器作为前级，再接一个反相比例放大器作为后级输出。

另外，仪表放大电路中电阻Rw1可用于微调放大倍数；而后级放大器原接地端现在通过Rw2接入一电压值，可以对输出电平进行平移。

由运放的虚短、虚断及电流的分配关系知

，从而得到

，所以，

，取R5=R6,R7=R8,R9=R10,可以简化为

。

由于传感器最大输出电压10mV，ADC0809的最大采集电压为5V，所以取放大倍数

为500倍，所以取,R5=R6=12k,R7=R8=5.1k,R9=R10=47。

所以RW1=0.45k故取W102电位器。

第二级为反向比例放大器，增益设计为-1，由虚短、虚断

，故取R11=R12=10k。

第三级为有源低通滤波电路，它是由两节RC滤波电路和同相比例放大器组成，特点是输入阻抗高，输出阻抗低。

2.3单片机电路设计

2.3.1单片机最小系统

　　对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括单片机、晶振电路和复位电路。

51单片机的最小系统及整体电路图见附录。

复位电路:

由电容串联电阻构成,一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平.

晶振电路:

典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的us级时歇,方便定时操作）

2.3.2模数转换与单片机接口

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

（1）引脚说明：

IN0－IN7：

8条模拟量输入通道，要求信号单极性，电压范围是0－5V；

地址输入和控制线：

4条

数字量输出及控制线：

11条

CLK为时钟输入信号线：

所需时钟信号必须由外界提供；

VREF（＋），VREF（－）：

参考电压输入。

（2）工作过程：

请参考ADC0809时序图。

ST为转换启动信号，当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。

EOC为转换结束信号。

当EOC为高电平时，表明转换结束。

OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。

D7－D0为数字量输出线。

（3）接口电路：

ADC0809的时钟由51ALE信号给出；

数字量输出和51P3口直接相接；

地址控制线使用P1口，EOC、OE、CLCK、ST同样使用P1口，ALE与ST端接，任意写一个数时允许ADALE并启动转换（ADSTART端）；读入时应该使AD读端口使能（ADENABLE端）。

通过给P1口幅值使ADC0809工作并可以选择输入通道。

2.3.3显示输出单元与单片机接口

利用4*4矩阵键盘作为输入单元，显示单元利用LCD12864显示单价、重量、总价等信息，利用LCD1602显示时钟。

电路见原理图。

由于题目要求设计称的量程为0~15公斤，所以设计该电路，一旦所称物体大于15公斤会自动报警蜂鸣器长响、LED常亮、LCD液晶显示过载，直至物体一走或重量小于15公斤为止。

2.4声光报警（过载保护）

2.5时钟电路

此部分电路是以AT89C51为控制核心，DS1302为主要器件设计的，具有掉电保护功能。

电路见整体原理图。

3软件与算法设计

3.1数据采集与放大倍数

传感器输入：

选择一个合适的电桥基准电压，传感器电桥输出电压为300.50mV~301.45mV，对应0~20g重物，平均每克变动不到0.1mV；由于它的变动范围很小，因而设计300mV的偏移量，不让其在0mV上下变动，以减少运放零漂的影响。

输出到AD：

ADC0809的Vref在已经设定为5V，因而其分辨率约为5V/256=20mV。

采集精度15000g/256=58.7g.百分比58.7g/15000=0.39%

由于传感器输出最大电压为10mV，ADC0809最大采集打压为5V，所以传感器输出电压需要放大500倍。

3.2单片机程序设计

单片机程序主要是输出显示，输出显示时需要做乘法运算，同时换成相应的十进制数；设计的流程序如下：

4系统测试

4.1测量仪器

（1）泰克示波器：

使用泰克示波器来观察我们所设计的放大电路放大的波形及其电压值等信息。

（2）失真度分析仪：

使用失真度分析仪观察通过放大电路的波形的失真度。

（3）标准称：

称量物体的质量。

4.2测量方法

（1）通过函数发生器给放大电路一基准的正弦波，通过放大后，输出端接泰克示波器观察图形，读出电压值，计算放大倍数。

（2）首先测量基准波形的是真度，方法是将波形输出端接失真度分析仪的输入端，调节失真度分析仪读出失真度；测量通过放大电路的波形失真度方法于上面一样。

（3）通过标准称测量所测试物体的质量后，再使用我们自己制作的电子称来再次测量此物体的质量，将两者的值进行比较。

4.3测量结果

（1）

（2）

（3）

此部分受无法获取标准物体重量的限制不能测量

5总结

本设计制作的电子秤，集传感器技术、微机技术于一体，实现了基本的秤重显示功能，稍加扩展，还可与其他生产质量管理系统相连接，实现数据交换记录分析等功能，具有推广应用价值。

我们小组3人分工学习，相互配合，终于完成了设计的要求。

设计过程中，我们将课上学习的理论知识加以运用，锻炼了自主学习能力，遇到不懂的查资料，出现问题相互讨论，实际操作中锻炼的动手能力。

老师对我们的指导和帮助功不可没。

在实际操作中，放大器部分遇到的问题最大。

由于传感器输出电压较小，使得放大电路的调适任务比较困难。

对此，我们先是选用合适的电路形式，即仪表放大接一级可调电平高低的比例放大；接下来给放大器各级输入一个容易实现的电压，看看各级放大倍数是否与理论相符；这之后再使传感器输出在一个基准值上下变化，如300mV，而不是在0上下变化，这样放大出的电压较为稳定；增加的基准电压由第三级调到0左右，不能准确调零的部分再由单片机去皮调零。

5参考文献

（1）《模拟电子技术基础》康华光主编高等教育出版社2006年

（2）《单片机典型模块设计实例导航第二版》求是科技编著人民邮电出版社2008年

（3）《Protel99SE原理图与PCB设计》曹丙霞编著电子工业出版社2007年

（4）《全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编》全国大学生电子设计竞赛组委会编著北京理工大学出版社2004年

6附录

1．整体设计原理图。

2．元器件清单

（1）AT89C51单片机2块

（2）ADC08091块

（3）DS13021块

（4）ad620一块op27二块

（5）128641062液晶显示各一块

（6）平行梁式传感器一块

（7）4*4键盘

（8）电容电阻杜邦线若干