电子秤设计与制作.docx

华南理工大学广州学院目录1设计的任务与要求 21.1 设计基本概述 21.2 设计要求 22.方案论证与选择 22.1 电子称的系统方案 23 压力传感器 331应变片 432惠斯通电桥 44.放大电路 65 A/D转换模块 76 LCD12864显示电路 87 系统电路总图及原理 88 总结 89. 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 01设计的任务与要求11 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5.00g500g；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+R，电桥不平衡，产生输出电压为Uo=(R1+R)R3-R2R4)/(R1+R+R2)(R3+R4) 设R1=R2=R3=R4=R,又RR1则UoU/4 R/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R，R2电阻减小R，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/2 R/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R，R2、R4电阻减小R。 图5 全臂工作电桥电桥不再平衡，输出电压为Uo=UR/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=1000，当测量满量程200g物体时，测得应变片阻值变化R大约在0.10.3之间（参见文章最后实验数据记录表1、表2）。我们取R=0.2,U=5V,则测量电路的输出电压为Uo=UR/R0.0010V。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25V），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： 150V最大 。 低输入偏置电流： 1.8nA 。 低失调电压漂移： 0.5V/ 。 超稳定，时间： 2V/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=15k，R3=10k,R4=20k,而将R1用一个1k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。4AD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、-型ADC，适合直流和低频交流测量应用。AD7705 采用SP I Q SP I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 I O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：2.7 V至3.3 V或4.75 V至5.25 V功耗：最大1 mW（3 V）待机电流：最大8 A 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12864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。串行连接时序图串口连接方式与并口的最大区别在于传输速度上，然而实在实际使用过程中，肉眼基本是察觉不到速度的快慢的。所以笔者建议日后对51单片机进行开发，特别是多功能多模块开发的时候，可以选择采用串口接线的方式连接MCU，这样可以节约单片机的资源。由于模块中自带中文字符，在编译中可以直接调用中文字符库中的中文，非常方便。省去了大量的取模时间。关于LCD12864的工作原理与程序，这里不做多述。7系统电路的总图以及原理8 总结 在本次任务完成的过程中，我们团队收获了许多宝贵的经验，无论是从软件编译上还是从硬件制作上。1.硬件部分传感器的制作：在最初我们打算用应变片做半桥自制传感器，在制作的过程中存在着各自各样的问题，例如，在用350欧姆的应变片时，由于应变片长度太短，加上贴片的技术不过关，导致变化不稳定，没办法取合适的初值给单片机作为参考0点。在用120欧姆的应变片做全桥电路时，由于供给的是5V的稳压直流电压，电阻较小电流偏大，导致发热现象比较严重。数值跳变严重，散热不好处理。一直没有办法做出满意的传感器。最后采用了性能良好，散热稳定金属悬臂梁全桥应变片，才取得较为满意的效果。放大电路的选择：由于在量程范围内的压力对电桥电阻变化有限，导致实际变化量在毫伏级，因为电子秤的量程内精确值需要到达0.5g，所以对放大电路的稳定性以及噪音要求比较高，考虑到常见的基本放大芯片的参数。最终决定采用低噪音精确差分放大模块OP07芯片，并由3块OP07组成的差动放大电路，又叫仪表放大器，来减少对噪音以及温度升高带来的影响，达到AD采样信号稳定的目地。软件部分：在编译软件的时候，第一次接触AD7705的编译以及12864串口程序，通过学习前辈的程序收益良多。掌握了对AD7705的工作原理后相信对日后其他AD模块的使用有一定的基础。通过对AD7705的数据进行处理，达到开机置0，去皮的目地。程序总共分LCD12864显示模块，键盘模块，AD7705模块与计算部分。9. 创新创意设计以及后续开发睡着人们的生活质量日益提高，人们有意识的更加注重饮食的质量，卡路里的摄入以及身材的控制。因此，讲普通的简易电子秤做成热量监控称，并将