数字电子秤设计.doc
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数字电子秤设计.doc
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数字电子秤设计
目录
摘要 3
1引言 4
1.1研究背景和意义 5
1.2研究现状 5
1.3设计要求 6
2称重仪的总体方案设计 6
2.1称重仪的基本工作原理 6
2.2称重仪的系统总体框图 6
2.3称重仪的主控制系统设计 7
2.3.1称重仪的控制系统工作原理 7
2.3.2称重仪的主控制系统结构 7
2.4称重仪各模块的方案选型 8
2.4.1电源模块方案选型 8
2.4.2数据采集模块方案选型 8
2.4.3主控制器模块方案选型 10
2.4.4数据显示模块方案选型 10
3称重仪的各单元电路硬件设计 11
3.1 数据采集电路设计 11
3.2 单片机最小系统设计 13
3.2.1晶振电路 13
3.2.2复位电路 14
3.3显示电路设计 14
3.4系统超重报警指示电路设计 15
4称重仪程序设计 15
4.1主程序设计 16
4.2系统按键调整部分流程图 16
5电路测试 17
5.1物体称重标定 17
5.2传感器输出电压测试 18
5.3数据传送信号测试 19
6体会与感受 19
参考文献 20
附录1系统电路原理图及PCB图 21
附录2作品展示图 22
附录3电路程序 23
数字电子秤设计
摘要:
数字电子秤具有计量精准、既快速又方便,更为重要的是具有自动称重、直观显示数字等优势,随着单片机的发展与越来越广泛的应用,以单片机为控制核心的数字电子秤越来越受到人们的欢迎。
设计根据任务的要求,从数字电子秤的组成框架分析开始入手,进行了数字电子秤硬件方面的电路设计以及相关的程序设计,并进行了软件与硬件的测试。
数字电子秤主要是以单片机为中心控制,通过称重传感器,然后经过信号的调理和模数转换,并且结合键盘、显示电路以及相关的软件实现了称重、去皮、重量显示等功能。
经过对所设计的数字电子秤标定和测试,结果显示,该电子秤在0克—10千克内,误差不超过5克,当输入重物的重量超过量程时能够通过蜂鸣器给予提示。
关键字:
电子秤;单片机;称重传感器;信号调理;模数转换
TheDesignOfDigitalElectronicScale
Abstrac:
Digitalelectronicscalewithmeasurementaccuracy,fastandconvenient,moreimportantly,withautomaticweighing,digitalvisualdisplayandotheradvantages,Andsothedigitalelectronicscaleshavebeenpopular,whichdevelop systems with amicro-controllerunit(MCU) withitswideused.Thehardwareandprogramofthedigitalelectronicscalearedesigned,whichtheMCUisusedasthecentralcontrolunit.Thedigitalelectronicscalerealizesthefunctionsofweighing,netweighing,andweightdisplay,whichworkswithtimeseries,including weighing sensor,signal adjust circuit ,andADC.Thesystemis fulfilled,aftertesting,andtheresultsshowthatthedigitalelectronicscaleisoflessthen5g,andlessthen5%precision ofweightwithin0g~10Kgloads,simultaneously,itisofdisplaying of overload.
Keywords:
electronicscale;MCU;weighing sensor;signal adjust;ADC
1引言
质量在测量领域中,是一个重要参数,称重的技术从古至今都被人们所重视着。
秤是一种最为普遍、最为普及的计量设备,随着科学技术的发展,电子秤已经逐渐取代机械秤的地位。
因此低成本、高智能的电子秤具有的市场前景是极其广阔的。
现今的电子产品越变越丰富,给人们带来了许多方便,而电子秤已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。
不同规模的市场电子秤完成许多工作,给人们节省了许多的时间,同时也提高了工作效率。
电子秤不但可以精准的称出商品的质量,还能够去除皮重,累计所称物品的重量,输入物品的单价便可快速地计算出金额,非常的智能化而又非常的精确。
由此顾客在购物的时候也会更加的放心,商家的效益也提高了。
因为电子秤的出现,顾客买的放心,商家也卖的开心。
1.1研究背景和意义
称重技术自古以来就被人们重视,计量工具广泛应用于工交通、科研、农业、内外贸易等各个领域,与人们的生活息息相关。
随着科学技术以及经济的发展,电子秤在人们的日常生活中的使用范围越来越广,成为日常生活中常用的电子衡量器材,被广泛的用于小卖部,菜市场,超市,大中型商场以及物流配送中心。
电子秤是在结构和原理上对以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具取而代之。
与传统的机械式称量工具比较起来,电子秤具有称量精度高,体积小,应用范围广泛,便于使用操作等优点。
在外观布局,工作原理,整体结构和使用材料上都是全新的计量衡器。
电子秤的发展过程经历了由由粗糙到精密,简单到复杂,由机械到机电结合再到电子化的过程。
随着称重传感器的各项性能的不断发展与进步,为电子秤的发展奠定了基础,如美国,西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称量准确度的电子秤,并在70年代中期约对75%的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。
电子秤首先是通过压力传感器将被测物体的重量采集起来并将其转换成电压信号。
但是输出电压信号一般都很小,所以需要通过前段信号处理电路进行准确的线性放大。
再将放大后的模拟电压信号经过A/D转换电路转换成数字量传到主控电路的单片机中,然后经过单片机控制译码显示器,将被测物体的重量显示出来。
本次要求设计的电子秤有一定的称重范围,并且具有自动换挡功能,精确度为1%。
这样的电子秤具备最简单的称重功能,操作也非常简便。
1.2研究现状
这些年来,我国的电子称重系统从一开始的机电结合型发展到如今的全数字智能型和电子型。
电子称重技术慢慢的从静态称重向动态称重发展,从模拟测量向数字测量发展,从单参数测量向多参数测量发展。
电子称重系统的制造技术及其相关的应用得到了进一步的发展。
国内的电子称重技术大致达到了国际上20实际90年代中期的水平,有少数产品的技术已经处在国际领先的水平。
在国内的电子秤市场中,100g左右量程的电子秤的精度一般为0.0lg,即10mg。
在国际上,有些发达国家在电子称重方面,从品种、规模和技术水平等方面都达到了比较高的水平。
特别是在精准度和可靠性等方面上都有了很大的提升。
其中梅特勒·托利多公司生产的BBK4系列高精度电子秤精度达到了lmg,速度大约为1次/秒。
研究方法方面,电子称重系统的工作原理主要是将作用在承载器上的质量或力的大小,通过压力传感器转换为电信号,通过控制电路来处理该电信号。
其中压力传感器大多数采用电阻应变片压力传感器,由于应变片的体积较小,市场上有多种规格可以选择,而且可以针对弹性敏感元件的形式可以灵活设计来适应各种应用场合的要求,所以应变片式压力传感器得到广泛的应用。
但是电阻应变片压力传感器有一个严重的缺陷那便是应变灵敏度,应变片本身的电阻都随温度变化,而且灵敏度随温度的变化较大。
所以在不同的环境中,应变片的阻值发生变化,输出零点漂移明显。
并且应变片的输出信号很小、线性范围窄,而且动态响应较差,有待进一步开发。
1.3设计要求
设计制作一个数字电子秤电路。
(1)称重范围为:
0.000kg~10.000Kg;
(2)系统超出最大测量范围10Kg时应有报警指示功能(蜂鸣器报警提示)。
2称重仪的总体方案设计
2.1称重仪的基本工作原理
电子秤称重系统由称重传感器,放大电路,AD转换电路,单片机电路,显示电路,通讯接口电路,稳压电源电路等电路组成。
当物体放在秤盘上时,压力施给传感器,该传感器发生形变,从而使阻抗发生变化,同时使用激励电压发生变化,输出一个变化的模拟信号。
该信号经放大电路放大输出到模数转换器。
转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。
CPU根据程序将这种结果输出到显示器,直至显示这种结果。
2.2称重仪的系统总体框图
按照设计功能与性能要求,系统由5个部分组成:
控制器部分、称重传感部分、信号放大与调理部分、AD转换部分、数据显示部分,系统设计总体方案框图如图2-1所示。
数据采集
AD转换
单片机处理
LCD显示
按键处理
信号放大
图2-1系统设计总体方案框图
称重传感器采用压力传感器检测压力信号,得到微弱的电信号(本设计为电压信号),而后经处理电路(如滤波电路,差动放大电路)处理后,送A/D转换器,将模拟量转化为数字量输出。
基于单片机设计的控制器接受来自A/D转换器输出的数字信号,经过计算,将数字信号转换为物体的实际重量信号,并将其存储到存储单元中。
控制器还可以通过对扩展I/O的控制,对键盘进行扫描,再通过键盘散转程序,对整个系统进行控制。
数据显示部分根据需要实现显示功能。
电路电源部分主要是为电路提供稳定方便的电源,将工频电压直接转换成所需的电压。
在超重时使用显示输出提示。
2.3称重仪的主控制系统设计
2.3.1称重仪的控制系统工作原理
该系统使用单片机为控制器,主要是先进行数据采集,采集由信号放大调理电路把压力传感器获取的电压信号放大的模拟信号,再经过A/D转换器转换成的数字信号。
数字信号再送到单片机处理,不断扫描键盘和各功能开关,根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。
运算结果送到内存贮器,需要显示时,从内存贮器中读出送到显示器显示此外,当单片机感知测量对象超出系统测量范围时,单片机能启动相应提示显示,设计中为了安全起见,留有较大的过负载能力,因此,称重时加载了一定量的超负载并不会对测量器件造成损坏。
2.3.2称重仪的主控制系统结构
单片机控制系统结构框图如图2-2所示。
图2-2单片机控制系统结构框图
根据任务要求,单片机主要对放大器的放大倍数、AD转换的时序控制、LCD显示控制。
2.4称重仪各模块的方案选型
根据图2-1硬件系统组成,下面以控制系统结构为依据,结合任务要求,对各模块具体的方案进行设计。
2.4.1电源模块方案选型
为了使称重仪的供电方便,把电源设计成通过USB得到5V电压供压力传感器和系统的其他芯片使用。
2.4.2数据采集模块方案选型
数据采集模块分为称重传感器、前级放大器和A/D转换器等三个部分。
一、称重传感器
称重传感器是设计中关键元件之一,对传感器的选择特别重要,不仅要注意其量程和参数,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比等等。
传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。
一般来说,传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷,其称量的准确度就越高。
但在实际使用时,由于加在传感器上的载荷除被称物体外,还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷,因此选用传感器量程时,要考虑诸多方面的因素,保证传感器的安全和寿命。
传感器量程的计算是在充分考虑到影响秤体的各个因素后,经过大量的实验而确定的。
本设计要求称重范围0.000Kg-10.000Kg,量程重量误差不大于5g。
为保证电子秤称量结果的准确度,克服传感器在低量程段线性度差的缺点。
要求称重传感器的有效量程在20%~80%之间。
线性好,精度高。
重量误差应控制在±0.O05Kg,又考虑到秤台自重、振动和冲击分量,还要避免超重损坏传感器。
综合考虑,设计采用YZC-1B电阻应变式传感器,其最大量程为10Kg.称重传感器由组合式S型梁结构及金属箔式应变计构成,具有过载保护装置。
由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响,抑制干扰,补偿方便等优点,所以该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点,广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秆的一次仪表。
该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成,其工作原理如图2-3所示。
图2-3称重传感器原理图
设计的测量电路采用最常见的桥式测量电路,用到的是电阻应变传感器半桥式测量电路。
它的两只应变片和两只电阻贴在弹性梁上,测量电阻随重力变化导致弹性梁应变而产生的变化。
其测量原理:
用应变片测量时,将其粘贴在弹性体上。
当弹性体受力变形时,应变片的敏感栅也随同变形,其电阻值发生相应变化,通过转换电路转换为电压或电流的变化。
由于内部线路采用惠更斯电桥,当弹性体承受载荷产生变形时,输出信号电压可由下式给出:
(2-1)
式(2-1)说明电桥的输出电压与四个桥臂的应变片感受的应变量的代数和成正比。
二、放大电路选择
称重传感器输出电压振幅范围0~20mV.而A/D转换的输入电压要求为0~2V,因此放大环节要有100倍左右的增益。
对放大环节的要求是增益可调的(70~150倍),根据设计的实际情况增益设为100倍即可,零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。
按照输入电压20mV,分辨率20000码的情况,漂移要小于1μV。
由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂,从而保证了放大环节对零点漂移的要求。
残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪加以解决。
由称重传感器的称量原理可知,电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成△R/R,而应变电阻的变化一般都很微小,例如传感器的应变片电阻值R,灵敏系数K,弹性体存额定载荷作用下产生的应变为£,则应变电阻相对变化量为:
△R/R=K×£
上式中,△R/R的值在毫的量级,可以看出电阻变化只有零点几Ω,其电阻变化率很小。
这个电阻变化难以直接精确测量,又不便直接处理。
因此,必须采用转换电路,把应变计的△R/R变化转换成电压或电流变化,再经过放大电路,把电压或电流信号转换成可以被A/D转换器接收的信号。
在前级处理电路部分,可以采用以下几种方案:
方案一:
利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路。
方案二:
主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器,而构成的前级处理电路;差动放人器具有高输入阻抗,增益高的特点,可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器。
方案三:
采用专用仪表放大器或使用AD转换器内部的放大器。
此类电路内部采用差动输入,共模抑制比高,差模输入阻抗大,增益高,精度也非常好,且外部接口简单,且放大器的增益是可以改变的。
基于以上分析,决定采用制作方便而且精度很好的AD转换器内部的放大器。
三、A/D转换器的选择
按设计要求:
电子秤最大称重为20Kg,满刻度时,重量误差不大于1‰.即满偏是误差±20g的误差,精度要求较高。
可选用以下几种方案:
方案一:
采用V/F变换电路
该方案是使用压频变换器件,把电压信号转化为频率信号,单片机通过计数获得重物的重量,此方案,可不用A/D芯片,但需要比较复杂的小信号放大、调理电路,并且V/F变换外围电路较繁琐,参数配置相对严格,故未采用。
方案二:
选用高精度并行ADC芯片
此方案经小信号放大、调理电路,进行A/D转换,经A/D转换的信号直接连接单片机,但价格高,一般适用于高速测量中,故此方案未采用。
方案三:
选用高精度串行ADC芯片
此方案经小信号放大、调理电路,进行A/D转换,经A/D转换的数字信号通过串行方式送到单片机,价格低,在低速测量中广泛使用,故采用此方案。
为了实现要求,采用24位串行A/D转换器HX711,该转换器内部带可编程增益放大电路,是数字电子秤专用芯片之一。
2.4.3主控制器模块方案选型
根据设计与主控制系统的功能要求,以及性价比考虑,选用STC89C52单片机。
而且以单片机为主控制器的设计,可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起,组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。
2.4.4数据显示模块方案选型
方案一数码管显示
数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管。
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管,八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示);按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管;按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。
共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。
数码管显示信息有限,当显示信息较多时需要多个数码管级联方可,这样会造成硬件连接复杂,成本增加;数码管对大部分字符不能很好的显示,动态扫描时处理不好易出现闪烁现象。
方案二LCD字符液晶显示
采用点阵字符型LCD液晶显示,液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点,现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件,但采用LCD液晶显示会造成设计成本增加。
LCD1602可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0-D7,和RS、R/W、EN三个控制端口,工作电压为5V,并且带有字符对比度调节和背光。
LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,如表1所示,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
最后综合了多方面因素的考虑采用了方案二,选择LCD1602显示器作为系统的显示界面。
3称重仪的各单元电路硬件设计
3.1 数据采集电路设计
数据采集电路分为称重传感电路、前级放大电路和A/D转换电路。
根据模块设计,电路设计结果如图3-1所示。
根据任务要求最大称重量为10Kg,所以选择的传感器最大称重范围必须不小于10kg。
本设计选择的传感器最大承重为10Kg,YZC-1B最大称重为10Kg,满足要求。
通过传感器内部的桥式电路,把应力的变化变成电阻的变化,再把电阻的变化变成电压的变化,电压的变化范围为0-20mV。
由于给的电压量太小,AD的精度会受影响,所以要经放大器对信号进行调理。
根据系统误差和任务要求,当AD精度远小于显示分辨率时,可以认为系统误差主要就是由于显示分辨率引起的,由于显示最低分辨率为1g,所以,当AD分辨率低于0.1g时,可以忽略AD误差。
所以,AD分辨率应大于20kg/0.1g=。
根据方案论证,选择集成调理和AD为一体的芯片。
参考数字电子秤芯片资料,HX711内部集成可控放大器与24位ADC电路,所以ADC的精度能满足设计要求。
HX711的基准电压为该芯片模拟电路部分的电源电压,由于芯片内部提供一个精准的1.25V的基准电压,用1.25V作基准产生一个稳定的电压,提高抗干扰能力和精度。
由R1、R2组成的取样电路、Q1组成的调整电路,芯片内部的比较放大电路和基准电路构成了串联型稳压电路。
由于输出电压要适度的高点,要保证调整管工作在放大区,所以Vbe>0.7v,所以输出电压最大4.3v。
根据得R1=20k,R2=8.2k。
允许最大放大倍数为4.3v/20mv=210.由于放大倍数越大精度越高,所以选着芯片最高的放大倍数为128。
图3-1HX711电路图
图3-2HX711外部元件连接电路图
图3-3HX711内部结构图
3.2 单片机最小系统设计
单片机最小系统即保证单片机能正常工作的最小电路,所以其外部电路由晶振电路和复位电路组成。
如图3-4所示。
图3-4单片机控制模块电路
3.2.1晶振电路
晶振全称为晶体振荡器,其作用在于产生原始的时钟频率,这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。
外接一个12M的晶振。
由于石英晶体的损耗非常小,即Q值非常高,做振荡器用时,可以产生非常稳定的振荡,作滤波器用,可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。
3.2.2复位电路
复位电路采用按键复位加上电复位来实现,S1为复位按键,复位按键按下后,复位端通过1K的小电阻与电源接通,迅速放电,使RST引脚为高电平,复位按键弹起后,电源通过10KΩ的电阻对10μF的电容C1重新充电,RST引脚端出现复位正脉冲。
AT89S52内部有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器,但要形成时钟脉冲,外部还需附加电路,本设计采用内部时钟方式,利用芯片内部的振荡器,然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器,就构成了稳定的自激振荡器,发出的脉冲直接送入内部时钟电路,C2和C3的值通常选择为30pF左右,晶振Y1选择12MHz.为了减小寄生电容,更好地保证振荡器稳定、可靠地工作,振荡器电容应尽可能安装得与单片机引脚XTAL1和XTAL2靠近。
单片机的31脚(EA)接+5V电源,表示允许使用片内ROM。
3.3显示电路设计
显示部分采用LCD1602液晶显示模块,液晶板上排列着若干5×7或5×10点阵的字符显示位,每个显示位可显示1个字符,从规格上分为每行8、16、20、24、32、40位,有一行、两行及四行三类。
其与单片机的连接电路如图3-5所示。
图3-5显示电路
1脚和2脚为液晶1602地和电源引脚,3脚为背光调节引脚,通过10K电位器接地,背光可通过电位器来调节亮度;4脚、5脚、6脚为液晶片选控制引脚,分
别连接到单片机的P2.0、P2.1、P2,2端口,7~14脚为数据接口,与单片机的P0口相连实现数据的传输,15、16、脚为液晶的背光控制脚,分别接到电源和地。
3.4系统超重报警指示电路设计
超重报警指示电路用来在称重测量超出最高值时报警提示,以免重量太高的情况下损坏传感器。
报警指示电路由PNP三极管9012驱动蜂鸣器来实现,单片机IO口控制三极管的基极,当单片机的IO口输出为低电平时,三极管导通,蜂鸣器的正极与电源接通,蜂鸣器通电发出报警声,当单片机IO口输出高电平时,三极管截止,蜂鸣器停止报警。
报警指示电路如图3-6所示。
图3-6报警指示电路
4称重仪程序设计
系统软件设计采用C语言编程,编译环境为keilUV3。
keilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,和汇编相比,C在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显
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