手提电子秤的设计与实现.doc

传感器及应用系统课程设计郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书手提电子秤电路设计姓 名： 专业班级： 学 号： 指导老师： 时 间： 郑州轻工业学院课程设计任务书题目 手提电子秤电路设计 专业、班级 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：一、设计内容：（1）整体电路设计（画出电路组成框图）；（2）信号检测电路设计；（3）信号放大电路设计，电路参数选取、数据计算；（4） / 转换电路设计；（5）显示电路设计。二、设计要求：（1）采用电阻应变式传感器组成测量电桥；（2）电路组成：测量电桥、运算放大电路、 / 转换、显示电路；（3）称重范围为：2kg；（4）假设在实验装置上进行模拟实验，测量出需经实验确定的参数或系数；（5） 写出5000字左右的工作原理说明，附系统图一张。三、主要参考资料：完 成 期 限：2012年 6月11 日2012年 6月15日指导教师签章： 专业负责人签章： 2012年 6 月 8 日传感器及应用系统课程设计手提电子秤电路设计电子信息工程 级 班 指导老师： 摘要：本文在查阅、分析了现有的几种不同的测量原理分析了电阻应变式传感器，并对基于电阻应变式传感器的手提电子秤电路进行了深入探讨和研究。该系统分为称重传感器模块、放大电路模块、AD转换模块、单片机控制模块和显示模块。经过分析，最终确定了采用S型称重传感器来设计手提电子秤电路。在硬件电路中，详细的阐释了各个模块的实现原理，分析了以AT89S52单片机为主控单元的系统硬件和软件设计，并对该系统进行误差分析，使我们对于系统的各种性能有了进一步认识。分析和仿真效果显示，该系统对量程以内的物品称量达到了精度，其主要技术指标达到了系统设计要求。关键词：S型称重传感器 ；放大电路 ；AD转换；称重 1概述随着生活水平的提高，商品的种类和数目越来越多。我们出去买东西或者自己在家称量东西都会用到电子秤，电子秤在我们的日常生活中成为了必不可少的工具。手提式电子秤便携式手提电子秤具有称重精度高、简单实用、携带方便、成本低、制作简单、测量准确、分辨率高、不易损坏和价格便宜等优点，是家庭生活必备的产品。本系统采用以电阻应变式传感器作为称量核心，然后经过放大电路对信号进行放大，再经过AD转换，最后交由单片机进行数据处理，并由液晶显示。系统硬件原理图如下图：系统硬件原理图由S型称重传感器称重，然后产生的微弱信号经过差动放大器放大，经过AD转换，经单片机处理显示。它的各部分电路的说明如下。(1) S型称重传感器；它属于电阻应变式传感器。S型称重传感器是传感器中最为常见的一种传感器。弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 (2) 差动放大电路；芯片采用的是OP07放大器。微弱电压信号经过第一级差分式电路；此电路是具有深度电压串联负反馈电路。然后再经过第二级同向比例放大器，最后得到AD芯片可采集到的电压信号。(3) AD转换电路；电压信号经过AD芯片转化为数字信号输入到单片机。 (4)单片机处理电路；单片机采用的是AT89C52，；利用烧进片子里的程序，来对AD芯片得到的数字信号进行处理。(5) 显示电路；显示采用的是LCD1602，把重量信息显示出来。2 手提电子秤硬件电路设计系统由五大部分组成：（1）S型称重传感器采集电路（2）差分放大电路（3）AD转换电路（4）单片机控制电路（5）液晶显示电路控制单元由单片机AT89S52和周围器件构成。AT89S52是一个8k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。在这个系统里，它的作用是对AD芯片进行控制，形成必要的时序、控制LCD字符的显示、以及对采集到的数据进行运算。2.1 控制电路AT89S52单片机最小系统由AT89S52单片机及其外围电路组成。AT89S52单片机在高温环境中稳定性好，支持在线编程ISP，无需专用的编程器，方便调试.AT89S52单片机对很多嵌入式控制应用提供了一个高灵活有效的解决方案。它的作用是对AD芯片进行控制、形成必要的时序、控制LCD字符的显示。AT89S52单片机各个引脚分布如下图，20和40管脚分别是地和电源；9管脚接的是复位电路；18和19管脚接的是晶振电路；P0口接上拉电阻，并和LCD1602相连驱动液晶；1，2，3和4管脚和AD芯片（SPI总线）的管脚相连，用以对AD芯片进行控制。 2.2 S型称重传感器采集电路 本设计采用的电阻应变式传感器；具体采用的是S型称重传感器。S型称重传感器是传感器中最为常见的一种传感器,主要用于测固体间的拉力和压力,通用也人们也称之为拉压力传感器,因为它的外形像S形状,所以习惯上也称S型称重传感器,此传感器采用合金钢材质,胶密封防护处理,安装容易,使用方便,适用于吊秤,配料秤,机改秤等电子测力称重系统。对于测量电路采用的是电阻应变片组成的全桥测量电路。因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销。电阻应变式传感器的工作原理：电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。它的一个重要参数是灵敏系数K。设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作，这种材料的泊松系数是。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R： R=L/S（） （21）当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长L，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少r。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作。对式（21）求全微分，即求出电阻丝伸长后，它的电阻值改变了多少。我们有： R=L/S+L/SSL/S2 （22）用式（21）去除式（22）得到： R/R=/+L/LS/S （23）另外，我们知道导线的横截面积S=r2，则s=2r*r，所以 S/S=2r/r （24）从力学知识我们知道： r/r=-L/L （25）其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。是表示材料横向效应泊松系数。把式（24）（25）代入（23），有R/R=/+L/L+2L/L =（1+2（/）/（L/L）*L/L =K*L/L （26）其中， K=1+2+（/）/（L/L） （27）式（26）说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.73.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。桥式测量电路有四个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压E，另一个对角线为输出电压Uo。当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出。硬件原理图如下图：本设计用的是S型称重传感器，全桥测量。当有重物放到手提电子秤上的挂钩时，Rd和Rb受到拉伸，Ra和Rb受到挤压。导致电阻上的应变片产生了应变，Ra电阻值会变小，Rd电阻值会变大，进而会引起电压的变化；Ra变小，分压小；Rd变大，分压大；进而输出电压会变化而且两路输出电压存在压差。Ra输出端电压大于Rd输出端电压。两路输出后，再接差分式放大电路。电路中加入电位器的作用是调零。因为在未加重物时，电子秤上的挂钩也会使应变片产生应变，桥路输出电压为零。而这个是我们不想要的；所以加上电位器对电路进行调零补偿。本设计中，由于S型传感器网上详细资料很少，所以对于相关参数，比如灵敏度系数就按书上一般范围取值进行估算。一般为1.4-1.8；对于又全桥时U=EK，可以根据公式求得最大应变。2.3 放大电路由于桥路输出的电压很是微弱，所以我们采用了放大电路对其放大，以便后面AD电路的转换。传感器输出的模拟信号比较微弱，所以需要外部放大电路来获得足够的增益。对于放大器有很多，我们采用的是比较常用的，模电书上介绍过的具有高输入阻抗，高共模抑制比的差动放大器。差动放大器能有效的减小由于电源波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移。本设计采用了两级放大，第一级为差动放大器，由U2，U3组成；它常被用作多级放大器的前置级。第二级采用的也是差动放大器，由U3组成。电路图如下：根据运算放大器的虚短虚断得，第一级放大倍数为1+(R4+R3)/R5；第二级放大倍数为R8/R7。放大器的型号选的为OP07。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。下面是OP07管脚分布图以及它的一些参数。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同时我也对OP07进行了PROTEUS仿真测试。画的是第二级放大的电路，其放大倍数约为82倍。输入压差为50mV，经过放大，得到输出电压为4.1V；基本实现了预想的放大效果。本设计第一级放大倍数为13倍；由书上得知，当为满量程5Kg时，桥路输出电压为4.6mV；如果近似看成线性的，那么当满量程为4Kg时，桥路输出电压为3.68 mV进而得到第一级输出压差；由后面AD转换芯片分辨率及基准电压，可求得最大二级放大电压值，进而可求的第二级放大倍数。经过计算可得相应的阻值。2.4 AD转换电路经过放大后的模拟量就作为AD电路的输入端，经过AD转换得到相应数字量传至单片机处理。本设计AD芯片我选的是TCL2543。TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。TLC2543具有SPI(串行外设端口)总线结构。有四个控制管脚：,DATA_INRUT,CS端，DATA_OUTPUT和时钟脉冲端。11个模拟输入通道。12位分辨率也就是相当于对应4096个数字量。而本设计最大称重为4Kg；所以可以实现1g精度。下图为AD转换电路；引出的四个管脚直接与单片机相连，通过程序的编写可以使单片机对芯片进行控制。把电压信号转换为数字信号，传入单片机进行数据处理。2.5 液晶显示电路单片机处理后的数据最终要还原成重量信息，显示出来。显示电路选用的是LCD1602。它显示内容相对比较丰富，而且体积小，价格便宜，功耗低。1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口功能说明如下:第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接3.3 V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。需要注意，P0口驱动液晶需加上拉电阻。还有三个控制端口，比如数据/命令选择端等接的是单片机P2口上的三个引脚。下图为液晶显示的电路原理图：2.6 电源模块 电源模块在电路中是不可缺少的，不管是数字电路还是模拟电路，都需要电源来提供能量。下图为电源模块电路图。9V的直流电源可以直接提供。经过LM7805稳压芯片稳压到5V左右。9V是给放大器供电，5V是给数字电路提供电源。电容起到滤波作用。同时，我还加入了电源指示灯和开关按键，使设计更人性化。3 手提电子秤系统软件设计3.1软件总体流程设计软件设计采用c语言编程，运用模块化程序设计思想，对不同功能模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软件的调试修改。3.2系统软件实现原理单片机控制AD转换和LCD1602显示。单片机通过程序可向TCL2543写入命令字，对于液晶显示部分，单片机程序通过三个控制端可以使液晶显示结果。3.3 系统程序构建软件系统的主程序实现流程：4 总结与展望 本设计通过对电阻应变式传感器的了解，设计出了一款小巧的手提式电子秤的方案。同时对放大电路也有了一定的了解。通过这个设计，我的确学到了不少专业基础的知识，比如运放等，而且对各种传感器，尤其是电阻式应变传感器有了更深入的了解。本文设计应用中，主要进行了以下几方面的工作: (1) 本文在每一个硬件部分对传感器和芯片的选型都做了介绍和对比，这使我们更加了解本设计的设计目的及要求。(2) 完成手提电子秤系统的硬件选型和电路设计；(3) 完成手提电子秤系统的软件流程图设计；(5) 对倒车雷达预警系统进行了测距试验和误差分析，并针对相关误差给出了解释；本文通过对倒车雷达预警系统的设计过程及计算得出如