电子秤设计与制作.docx

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电子秤设计与制作

1设计的任务与要求………………………………………………………………………2

1.1设计基本概述…………………………………………………………………………2

1.2设计要求………………………………………………………………………………2

2.方案论证与选择…………………………………………………………………………2

2.1电子称的系统方案……………………………………………………………………2

3压力传感器……………………………………………………………………………3

3．1应变片………………………………………………………………………………4

3．2惠斯通电桥…………………………………………………………………………4

4.放大电路………………………………………………………………………………6

5A/D转换模块………………………………………………………………………7

6LCD12864显示电路……………………………………………………………………8

7系统电路总图及原理……………………………………………………………………8

8总结………………………………………………………………………………………8

9.创新创意设计以及后续开发

10．参考文献…………………………………………………………………………………　9

附录A：

元器件清单……………………………………………………………………１0

1设计的任务与要求

1．1任务的基本概述

设计并制作一个以电阻应变片为称重传感器的简易电子秤，电子秤的结构如右图所示。

铁质悬臂梁固定在支架上，支架高度不大于40cm，支架及秤盘的形状与材质不限。

悬臂梁上粘贴电阻应变片作为称重传感器。

1.2要求

（1）电子秤可以数字显示被称物体的重量，单位克（g）；（10分）

（2）电子秤称重范围5.00g~500g；重量小于50g，称重误差小于0.5g；重量在

50g及以上，称重误差小于1g；（50分）

（3）电子秤可以设置单价（元/克），可计算物品金额并实现几种物品金额的累加；

（15分）

（4）电子秤具有去皮功能，去皮范围不超过100g；（15分）

（5）其他。

（10分）

（6）设计报告：

（20分）

项目

主要内容

满分

方案论证

比较与选择，方案描述

3

理论分析与计算

系统相关参数设计

5

电路与程序设计

系统组成，原理框图与各部分的电路图，系统软件与流程图

5

测试方案与测试结果

测试结果完整性，测试结果分析

5

设计报告结构及规范性

摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性。

2

总分

20

*说明

（1）铁质悬臂梁可用磁铁检验，悬臂梁上所用电阻应变片的种类、型号、数量自定。

（2）测试时以符合称重误差的砝码为重量标准。

2.方案论证

2.1电子称的系统方案

电子秤系统方案：

电子秤的系统流程图：

被测物体→压力传感器→放大电路→AD转换模块→51单片机（算法）←键盘

↓

LCD12864显示模块

基本思路：

所测重量经过应变片变化转换为电阻变化，再经过测量电路转化为电压变化，经过放大电路放大调节后输出显示得到所需信号。

经过对51单片机的编译，对所得信号进行运算处理，得到需要的结果并在LCD12864上显示。

MCU的选择：

基于对成本的考虑，我们采用了价格低廉的编译空间大的STC12C5A60S2芯片。

以便保存较多的中文字符组。

使用C52将会出现ROM口空间不够的情况。

3压力传感器

测量电路

电阻应变片把机械应变信号转换成电阻变化后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。

因此，必须采用转换电路，把应变计的电阻变化转换成电压或电流变化，以便于测量。

具有这种转换功能的电路称为测量电路。

电桥电路是目前广泛采用的测量电路，常见的直流电桥电路如图2，

图2直流电桥

电桥输出电压为

Uo=U（式1）

R1、R2、R3、R4为四个桥臂，当一个臂、两个臂或四个臂接入应变片时，就相应构成了单臂、双臂和

全臂工作电桥。

下面分别就单臂、半桥和全桥电路进

行讨论。

（1）单臂工作电桥

图3单臂工作电桥

如图3所示，R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻。

应变片未受力时电桥处于平衡状态，R1R3=R2R4,输出电压U0=0，当承受应变时，R1阻值发生变化，设为R1+ΔR，电桥不平衡，产生输出电压为

Uo=（（R1+ΔR）R3-R2R4）/（（R1+ΔR+R2）（R3+R4））

设R1=R2=R3=R4=R,又ΔR<

则Uo≈U/4ΔR/R

（2）双臂工作电桥

若在两个桥臂上计入电阻应变片，其他桥臂为固定电阻，则构成双臂工作电桥，如图4，R1、R2为电阻应变片，R3、R4为固定电阻。

当应变片承受应变时，R1电阻增大ΔR，R2电阻减小ΔR，这种电桥成为差动电桥。

图4双臂工作电桥

此时电桥不再平衡，输出电压为

Uo=U/2ΔR/R

由式知半桥的输出是线性的没有非线性误差问题，而且灵敏度比单臂提高了一倍。

全臂工作电桥

若四个桥臂上全为电阻应变片，则构成全桥工作电路，如图5所示，R1、R2、R3、R4全为电阻应变片。

承受应变时，R1、R3电阻增大ΔR，R2、R4

电阻减小ΔR。

图5全臂工作电桥

电桥不再平衡，输出电压为

Uo=UΔR/R

由式知，全桥的电压输出是线性的，没有非线性误差问题，而且其灵敏度是单臂的4倍，是半桥的2倍。

电子秤实验采用的是全桥测量电路，我们选取直流电源电压为8V。

所取的应变片未承受应变时阻值R1=R2=R3=R4=1000Ω，当测量满量程200g物体时，测得应变片阻值变化ΔR大约在0.1~0.3Ω之间（参见文章最后实验数据记录表1、表2）。

我们取ΔR=0.2Ω,U=5V,则测量电路的输出电压为Uo=UΔR/R≈0.0010V。

由于所选的AD模块AD7705处理小于50mV以下的电压变化线性状态不理想，所以需要对电桥信号进行放大。

3.放大电路

、放大电路的讨论以及决定：

LM324参数：

LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。

可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V.LM324的

特点：

1.短跑保护输出

2.2.真差动输入级

3.3.可单电源工作：

3V-32V

应用：

LM324主要应用于一般精度的放大电路。

OP07参数：

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

特点：

超低偏移：

150μV最大。

低输入偏置电流：

1.8nA。

低失调电压漂移：

0.5μV/℃。

超稳定，时间：

2μV/month最大

高电源电压范围：

±3V至±22V

OP07管脚图

应用：

OP07是一个高精度，低噪音，低失调，低温漂的放大器，一般用于微信号放大的仪表电路或传感器电路。

经过讨论，这个电子秤的输出信号很微弱，所以应该采用相对比较高精度的OP07放大器。

通过对电桥的调试，输出的信号大概只有几毫伏的变化，所以我们需要把这个输出信号放大，为了达到设计要求，我们需要放大60多倍，为了有更好的精准度，决定采用二级放大，也就是采用差动放大。

OP07两级放大模块

该电路由三个运算放大器组成，Vo1、Vo2和Vo分别为三运放的输出电压。

分析电路知流过R2、R1的电流相等，设为I，可以计算出理想的输出电压Vo.

I=（Vi1-Vi2）/R1（式7）

Vo1=Vi1+R2i（式8）

Vo2=Vi2-R2i（式9）

Vo=R4/R3（Vo1-Vo2）=R4/R3（1+2R2/R1）（Vi1-Vi2）（式10）

下面就各电阻应取阻值大小进行分析：

前面已经计算过，差动放大电路的差模输入只有几毫伏的变化,而要求的最终输出电压为几百毫伏（700mV左右），故需将Uo放大60多倍。

由式（10）知差分放大电路的放大倍数为R4/R3（1+2R2/R1），主要由R4/R3及R2/R1的值决定，但R1、R3太小会从集成运放中获取太大的电流，太大的R4、R2会增加电阻产生的噪声，故其放大倍数不宜太大，我们可先通过差分放大电路将电压信号放大至300mV左右，再通过后续的放大电路将其进一步放大以达到所要求值。

实验中取R2=15kΩ，R3=10kΩ,R4=20kΩ,而将R1用一个1kΩ固定电阻，即放大倍数为2（1+2*15/1）=62。

差动放大电路具有以下优点：

1）高输入阻抗。

被提取的信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。

2）高共模抑制比。

电路对共模信号几乎没有放大作用,共模电压增益接近零。

3）低噪声、低漂移。

主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。

4）电路的增益可以通过改变电阻R1阻值来调节。

4．AD转换模块

结合题目要求，要求中需要制作一个精度精确到0.5，量程为0-500g的电子秤。

我们选用了AD7705芯片作为AD转换芯片。

AD7705是美国模拟器件公司（其在中国注册公司为：

亚德诺半导体技术有限公司）生产的模数转换器。

AD7705为完整16位、低成本、Σ-Δ型ADC，适合直流和低频交流测量应用。

AD7705采用SPIQSPI兼容的三线串行接口，能够方便地与各种微控制器和DSP连接,也比并行接口方式大大节省了CPU的IO口。

下应用电路中，采用80C51控制AD7705，对桥式传感信号进行模数转换。

此方案采用二线连接收发数据。

AD7705的CS接到低电平。

DRDY的状态通过监视与DRDY线相编程数字滤波器等部件。

能直接将传感器测量到的多路微小信号进行AD转换。

这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点，非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。

参数特点：

两个全差分输入通道ADC

可编程增益前端

增益范围从1至128

三线串行接口

SPI®,QSPI™,MICROWIRE™,DSP兼容

SCLK上可接受施密特触发器输入

提供模拟输入缓冲

工作电压：

2.7V至3.3V或4.75V至5.25V

功耗：

最大1mW（3V）

待机电流：

最大8µA

我们选择了安富莱的TM7705模块代替AD7705，TM7705与AD7705的整体构造结构相同，且已经集成了AD7705的最小工作系统图，节省了大量的工作量。

LCD12864显示模块

考虑到设计要求中有基于重量的计算，需要显示重量，单价，总价，名称等较多数据，单独用数码管和1602难以满足需求，我们采用可以显示中文的LCD12864来做显示模块。

液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：

8位并行及串行两种连接方式。

具有多种功能：

光标显示、画面移位、睡眠模式等。

在设计中我们采用了占用单片机I/0口较少的串行连接方式与单片机连接。

串行连接时序图