数字电子秤课程设计报告.doc

课 程 设 计 任 务 书1设计目的：通过本课程设计, 主要训练和培养学生；1.查阅资料，分析问题的能力；2.树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性的设计思想，以及解决实际问题的能力；3.正确设计电路的能力和应用计算机的能力；4.用简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：技术指标： 测量范围：01.999kg、019.99kg、0199.9kg、01999kg； 用数字显示被测重量，小数点位置对应不同的量程显示。设计要求： 计算参数，给出设计方案； 画出完整电路图，写出设计总结报告。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1) 论文符合规定要求；2) 器件的工作原理及应用；3) 电路原理图；4) 必要的仿真结果； 5）参考文献（不少于5篇）。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1.黄智伟，全国大学生电子设计竞赛制作实训.北京：北京航天航空大学出版社，20072.黄智伟等.基于Mlutusim2001的电子电路计算机仿真设计与分析.北京：电子工业出版社，20043.黄智伟.单片无线收发集成电路原理与应用.北京：人民邮电出版社，20054.高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.湖南：国防科技大学出版社5.王雯东.基于单片机的数字电子秤设计.数码世界,，20176.吴玉林，方鹏斌，陆鹏.数字电子秤设计.数字技术与应用，20127.张海霞.新型便携式电子秤研究.湖南大学，20055设计成果形式及要求：课程设计说明书仿真结果6工作计划及进度：2017年6月5日2017年6月9 日：查资料，上机仿真电路图 2017年6月12 日 2017年6月 16日：调试电路2017年6月19日2017年6月23日：写报告 2017年6月28日：答辩学科部副主任审查意见： 签字： 年 月 日目 录一.绪论21.1引言21.2设计目的31.3本设计的任务和主要内容3二.系统设计32.1设计要求32.2总设计方案32.2.1设计思路32.2.2方案论证与比较42.3模块组成5三.电路设计63.1 传感器的选择63.1.1 电阻应变式传感器的组成以及原理63.1.2 电阻应变式传感器的测量电路73.2电路电压分压及量程选择83.3模数转换93.4数字信号的处理部分123.4.1显示模块12四.系统测试134.1输入电压的运行结果134.2输出部分的运行结果14五.结论15六参考文献15附录 数字电子秤原理图16一.绪论1.1引言在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性1.2设计目的1） 熟悉集成运算放大器，A/D转换器的原理；2） 熟悉压力传感器的工作原理，并会选择合适的传感器。1.3本设计的任务和主要内容设计一数字电子秤，其技术要求如下：1） 测量范围：0-1.999kg;0-19.99kg;0-199.9kg;0-1999kg；2） 用数字显示被测重量，小数点位置对应不同量程显示。 二.系统设计2.1设计要求设计制作一个电子秤的电路，其技术要求如下：1）测量称重范围0-1.999kg;0-19.99kg;0-199.9kg;0-1999kg；2）用数字显示被测重量，小数点位置对应不同量程显示。2.2总设计方案2.2.1设计思路1)用电子称称重的过程是把被测物体的重量通过传感器转换成电压信号。由于这一信号通常都非常小，需要进行放大，放大后的模拟信号经模/数变换转变成数字量，再通过译码显示器显示出重量。由于被测物体的重量相差很大，根据不同的测量范围要求，可由电路自由切换量程，同时，显示器的小数点数位对应不同量程而变化，即可实现电子称的要求。2）称重的准确程度首先取决于传感器输出的信号，电子称的传感器通常使用电桥，它将应变电阻转变成电压信号或电流信号。 3）输入端要进行判断量程，选择合适的档位，输入的是模拟信号，而单片机能处理的信号是数字信号，因此需先将信号进行模数转换再输入单片机中进行处理并控制LCD显示其重量。2.2.2方案论证与比较(一)控制部分的方案论证与选择方案一:采用ADC16作为控制核心。二十二个I/O引脚。方案二：采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高。由于其集成度高，使其成本偏高，同时其芯片引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际的焊接工作。方案三：采用ARM7芯片LPC2148，具有512Kflash程序储存空间，主频达48M，三个定时器，四个外部中断，内部RTC，采用三级流水线模式运行程序，拥有I2C,SPI,UART等通信接口。同时其芯片引脚也较多，不便控制。且价格较贵。方案选择：本系统可以采取89C52、FPGA、ARM三种控制器。ARM比89C52单片机具有更强大的控制功能、更快的运行速度，可更快捷地进行高精度的测量，但本设计运行速度要求不高，89C52就能满足所需要的功能。因此综合考虑选择89C52作为控制部件。(二)数模转换及显示部分的方案选择方案一：将放大后的信号输入A/D转化芯片TCL2573进行A/D转换，由于此芯片可直接用于数字显示，故转化后的数字量直接用数码显示管进行显示。此方案的优点是外部电路非常简单，能实现较高的精度。缺点是无法对A/D转化进行控制。其方案图如图1.1。图1.1方案一框图方案二：将放大后的信号输入到ADC16进行模数转化，再将得到的数字信号送至单片机进行处理，再通过加法器运算并将二进制转化为十进制数并送入液晶显示。此方案的优点是可控制性好，可实现量程换挡，电路简单。采用单片机对数据稍加处理，能通过软件在一定程度上弥补与调试硬件所无法避免的数据抖动，使最重所测得的数据更可靠，参考性更强，而且价格也不贵，其方案图如下所示图1.2方案二框图2.3模块组成本设计模块主要分为三个部分，信号采集放大部分与模数转换和信号的处理显示部分。其中信号采集部分主要是运算放大器对信号的放大，数据处理及显示部分主要是用AD进行对模拟数据的转换及用液晶对数据的显示。其模块方框图如图1.3图1.3模块框图三.电路设计3.1 传感器的选择 3.1.1 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。应变片式传感器有如下特点：1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。2）分辨力和灵敏度高，精度较高。3）结构轻小，对试件影响对复杂环境适应性强。4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量 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3.1应变式传感器安装示意图3.1.2 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0.0000010.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.00050.1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。如图3.2所示 图 3.2 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，R1R2R3R4350，加热丝阻值为50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R W4（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3.2电路电压分压及量程选择鉴于用示波器测得称重传感器输出电压信号有四个量程，为毫伏级，不便于处理，所以对电路进行分压处理进行量程的选择。其中选择档有四个不同的量程，根据电压的大小进行合理的选择，分压电路及量程选择如图3.3图3.3电压分压及量程选择3.3模数转换（1）A/D转换原理：3.3.1、逐次逼近法 逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。 采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为 o，与送入比较器的待转换的模拟量i进行比较，若oi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的 o再与i比较，若oi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。3.3.2、双积分法采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量i，i采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间的正向积分，时间到后，开关再接通与i极性相反的基准电压F，将F输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。i越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压i所对应的数字量，实现了A/D转换。（2）A/D转换器选用的原则：1、A/D转换器的位数。A/D转换器决定分辨率的高低。在系统中，A/D转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。2、A/D转换器的转换速率。不同类型的A/D转换器的转换速率大不相同。积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速A/D转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速A/D转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。3、是否加采样/保持器。4、A/D转换器的有关量程引脚。有的A/D转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。5、A/D 转换器的启动转换和转换结束。一般A/D 转换器可由外部控制信号启动转换，这一启动信号可由CPU提供。转换结束后A/D 转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平。通知微处理器读取转换结果。 6、A/D 转换器的晶闸管现象。其现象是在正常使用时，A/D 转换器芯片电流骤增，时间一长就会烧坏芯片。为防止这种现象，可采取如下措施： （1）加强抗干扰措施，尽量避免较大的干扰电流进入电路； （2）加强电源稳压滤波措施，在A/D 转换器电源入口处加退耦滤波电路，为防止窄脉冲波窜入在电解电容上再接一高频滤波电容； （3）在A/D 转换器的电源端接一限流电阻，可在出现晶闸管现象时，有效地把电流限定在允许范围内，以防止烧坏器件。 选择A/D 转换器除考虑上述要点外，为防止对A/D 转换器的技术指标的影响，还要注意以下几个问题： 工作电源电压是否稳定； 外接时钟信号的频率是否合适； 工作环境温度是否符合器件要求； 与其它器件是否匹配； 外接是否有强的电磁干扰。由上面对传感器量程和精度的分析可知：A/D转换器误差应在3g以下。考虑到其他部分所带来的干扰，12位A/D转换器无法满足系统精度要求。所以我们需要选择14位或者精度更高的A/D转换器，采用ADC16，如图3.4图3.4 ADC16引脚图其中vin为模拟量输入通道，vref+是电压正极，vref-是电压负极，SOC是时钟信号输入端，DO-D15为输出端。3.4数字信号的处理部分3.4.1显示模块 方案一 LED显示 LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。 LED显示器结构： 基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。可实现09的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等 LED显示器与显示方式: LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。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。在设计中使用LED显示块构成N位LED显示器。N位LED显示器有N根位选线和8*N根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮、暗。LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示方式。在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。其中两片74LS244分别用于段信号和位信号的驱动，74LS273用于段信号的锁存，其锁存地址为7FFFH将ADC16的D0-D15引脚与74HC85AD的A、B端输入相连，将由74HC85AD数值比较器和74L161芯片转换后的二进制数通过74L161芯片转化为十进制数。最后通过七数码显示管显示出来。如图3.5所示。图3.5数字信号的处理部分四.系统测试4.1输入电压的运行结果图4.1 输入电压的运行结果调节滑动变阻器的滑块改变输入电压的大小（即物体的重量大小）4.2输出部分的运行结果 图4.2为输出部分的运行结果：图4.2 输出电压的运行结果五.结论随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。智能仪器的核心