电子秤课程设计实验报告.doc

课程设计报告华 南 农 业 大 学理 学 院 应 用 物 理 系 设计题目： 电子称 学 院： 理学院 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 学 号： 姓 名： 电子邮 时 间： 成 绩： 指导教师： 课 程 设 计（报告）任 务 书学生姓名 指导教师 王念萍 职称 讲师 学生学号 专业 题目 任务与要求 电子称是常见的测力装置，一般采用双复梁式结构，黏贴应变片作为测力传感器，本系统是一个完整的数显式电子秤。 受力时实时显示压力大小（数码管或液晶显示不限）; 零点可调 温度补偿 学生提交用WORD编辑的设计报告和制做的实物提高要求：1. 超量程报警。2. 提供语音报警。开始日期 2012年1 月 2 日 完成日期 2012 年1 月 11日电子秤第一节 绪论摘要：随着科技的进步，在日常生活以及工业运用上，对电子秤的要求越来越高。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。影响其精度的因素主要有:机械结构、传感器和数显仪表。在机械结构方面,因材料结构强度和刚度的限制,会使力的传递出现误差,而传感器输出特性存在非线性,加上信号放大、模数转换等环节存在的非线性,使得整个系统的非线性误差变得不容忽视。因此,在高精度的称重场合,迫切需要电子秤能在线自动校正系统的非线性。此外,为了保证准确、稳定地显示,仪器内部分辨率(主要是ADC的分辨率)一般要比外部显示分辨率高4倍以上,这就要求所采用的ADC具有足够的转换位数,而采用高精度的ADC,自然增加了系统的成本。基于电子秤的现状,本文提出了一种简单实用并且精度高的智能电子秤设计方案。通过运用很好的集成电路,使测量精度得到了大大提高,由于采用数字滤波技术,使稳态测量的稳定性和动态测量的跟随性都相当好。并取得了令人满意的效果。关键词：压阻式应变片，LM741放大电路，ADC0804数模转换，AT89S52单片机， 电子秤，重力传感器。1. 1引言 本课程设计的电子秤以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，是系统产生的误差更小。输出的数据更精确。而LM741放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。ADC0804 A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行魔术转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。 1.2系统的设计与理论分析1.2.1系统设计根据设计要求，设计的主要内容如下：1） 利用电阻应变式传感器，并采用全桥测量电路2） 设计一款电子秤，利用数码管显示被称物体的重量3） 电路分成以下几个部分： a.全桥测量电路 b.调零电路 c.运放电路 d.A/ D转换电路 e.单片机数据处理及控制电路 f.数码管显示电路 1.2.2 基本工作原理及原理框图 LM741信号放大电路调零数码管显示重量单片机数据处理及控制ADC0804A/D模数转换全桥电阻应变式传感器输出信号 电源图一：系统硬件结构图 全桥电阻应变式传感器输入电压，当标准重物放置在传感器之上时，电阻值发生改变，使加载到全桥电路上的输出电压发生变化，运用LM741信号放大电路将微弱模拟信号放大，再经过A/D数模转换，将模拟信号转变成AT89C52单片机能够识别的数字信号，并且利用AT89C52单片机控制整个电路的同时，处理数字信号，并且控制在数码管中显示实时结果。 第二节 硬件电路的设计与选择2.1传感器的选择2.1.1 电阻应变式传感器的组成与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形变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，本设计中采用的时电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成栅状，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。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主要原因是：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。 图1. 全桥电路 因此，本设计采用全桥测量电路，即电桥的四个电阻均为应变片，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1=R2=R3=R4,其变化值R1=R2=R3=R4时，其桥路输出电压=KE。其输出灵敏度比半桥电路提高了一倍，非线性误差和温度误差得到改善。2.1.2 电阻应变式传感器的输出数据经测量，电阻应变式传感器的输入输出关系如下： 重量/g电压/mV 02040608010043.144.345.646.848.149.2表1. 全桥电阻应变式传感器的输出(注：由于测量时，由于实际操作误差，悬梁的力臂不同，因此各组数据不同，本设计采用此组数据作为参考数据。)2.2调零电路的设计2.2.1偏位电压的产生 由于在工艺上的限制，应变片电阻值不可能达到绝对的相等，因此，在电桥输出端BD间的电压不可能是绝对为零。由表1数据可知，在本次设计实际电路中，当传感器上受体重力为零时，输出为43.1mV。称此电压为偏位电压。2.2.2偏位电压的消除，调零电路 为消除偏位电压的影响，可采取两种方法：1）软件消除：软件消除利用单片机中的算法，将偏位电压设置参考电压，可将偏位电压消除。但是此方法收到放大电路输出最高电压、A/D数模转换分辨率与最大量程等的限制（在后文将会介绍）。因此，本设计不采用此方法。2）硬件消除：硬件消除可利用电阻的分压作用，消除偏位电压。如图。图2. 调零电路经过调零电路之后，偏位电压可完全消除。2.3信号放大电路的设计与选择 从表1可看出，当受体增加20g时，输出电压变化约为1.2mV，即受体每增加2g，电桥输出信号改变0.12mV。在此设计中，我们采用ADC0804作为A/D数模转换芯片，它的分辨率是：=19.5320mV，因此，我们设定放大倍数为：20/0.12=166.6，取整数200倍。放大电路为： 图3 运算放大器电路LM741是一种应用非常广泛的通用型运算放大器。由于采用了有源负载，所以只要两级放大就可以达到很高的电压增益和很宽的共模及差模输入电压范围。本电路采用内部补偿，电路比较简单不易自激，工作点稳定，使用方便，而且设计了完善的保护电路，不易损坏。LM741可应用于各种数字仪表及工业自动控制设备中。图4. LM741引脚图此次试验中，我们分别尝试了LM358、OP07等运放芯片，但是实验结果均不理想，零漂非常严重，又由于成本的控制需要，最后采用相对稳定的LM741。2.4模数信号转换电路的设计2.4.1 A/D模数转换器的选用原则 1、A/D转换器的位数。A/D转换器决定分辨率的高低。 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，转换时间从几毫秒到几十毫秒，只能构成低速A/D转换器，一般不用于压力、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。 3、是否加采样/保持器。 4、A/D转换器的有关量引脚。有的A/D转换器提供两个输入引脚，不同量程范围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，这一启动信号可由单片机提供。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。在此次设计中，由于一开始未充分了解所选芯片，因此由于此原因，烧坏数个A/D转换器。为防止这种现象，可采取如下措施：（1）加强电源稳压措施。（2）在A/D转换器的电源端接入限流电阻。因此，对传感器量程和精度分析可知：A/D转换器误差应该在24mV以下。8位A/D精度：=19.5320mV此次试验采用ADC0804模数转换芯片，ADC0804是8位COMS依次逼近型的 A/D 转换器.。三态锁定输出存取时间:135US分辨率：8 位转换时间：100US总误差：正负 1LSB工作温度：ADC0804LCN-070 度图5. ADC0804引脚图 2.5单片机数据处理及控制电路2.5.1 单片机AT89S52 AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS -51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个 全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。图6. AT89S52单片机引脚图 此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断 系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三 种封装形式，以适应不同产品的需求。 主要功能特性： 兼容MCS-51指令系统 8k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM 32个双向I/O口 4.5-5.5V工作电压 3个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33MHz 全双工UART串行中断口线 256x8bit内部RAM 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的ISP字节和分页编程 双数据寄存器指针 2.5.2单片机与ADC0804电路原理图图7. 单片机电路图2.6 数码管显示电路数码管显示我们采用了四位八段数码管。图8. 4位数码管引脚图 其中，单片机AT89S52的P2.02.7连接数码管段选位：adp。P3.0、P3.1、P3.3、P3.4连接数码管的位选位。又由于单片机P0P3口高电平时输出电流太小，如果直接驱动数码管，数码管不能正常工作，显示较暗，因此应当接入三极管，使流经数码管电流增大，数码管正常工作。图9、数码管接线图第三节 软件程序的设计与选择3.1软件程序计算 电压重量初始信号调零放大后043.10.002044.3244.54045.6492.76046.8732.48048.1970.810049.21318.2 3.2流程图上电延迟 初始化程序数据发送A/D转换指令转换完毕？读取并转换重量值送显示器显示 图10：系统流程图最终程序单片机AT89S52程序： ORG 0000H AJMP START ORG 0003H AJMP ADC ORG 0030H START:SETB EX0 SETB IT0 SETB EA SETB P3.4 CLR P3.6 NOP SETB P3.6 ;上升沿开始转换 HEAR:SJMP HEAR ;等待中断 ADC:MOV P2,#0FFH CLR P3.7 ;低电平将转换完数据下载到DB口 NOP NOP MOV A,P2 ;记录数据 SETB P3.7 CJNE A,#94H,REL1 ;判断是否超量程 D1:CJNE A,#89H,REL2 ;判断是否100G以下 D2:MOV B,#0EH DIV AB MOV R0,#00H ;记百位 MOV R1,A ;记十位 MOV R2,B ;记个位 CJNE R2,#0AH,REL3 D3:MOV R2,#09H AJMP XIANSHI REL1:JC D1 CLR P3.4 ;超量程，蜂鸣响 ACALL DELAY1 SETB P3.4 AJMP D10 REL2:JC D2 MOV R0,#01H MOV R1,#00H MOV R2,#00H AJMP XIANSHI REL3:JNC D3 XIANSHI:MOV R3,#3 ;循环显示使输出延时，约3秒 D7:MOV R4,#250 D8:SETB P3.0 ;显示程序 CLR P3.3 MOV DPTR,#TAB ACALL PART1 SETB P3.3 CLR P3.1 MOV DPTR,#TAC ACALL PART2 SETB P3.1 CLR P3.0 MOV DPTR,#TAD ACALL PART3 DJNZ R4,D8 DJNZ R3,D7 D10:CLR P3.6 NOP SETB P3.6 RETI PART1:MOV A,R0 ;显示百位输入值 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DELAY RET PART2:MOV A,R1 ;显示十位输入值 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DELAY RET ART3:MOV A,R2 ;显示个位输入值 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DELAY RET DELAY:MOV R5,#2 D4:MOV R6,#250 D5:DJNZ R6,D5 DJNZ R5,D4 RETDELAY1:MOV R7,#255 D9:LCALL DELAY NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ R7,D9 RET TAB:DB 3FH,06H TAC:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH TAD:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH END 第四节 结论与分析4.1 系统硬件图 根据以上分析，画出硬件电路图如图所示：图11：硬件电路图4.2实验、调试及测试结果与分析确定设计方案后，在调试阶段经过电桥连接，调零电路、运放模拟、A/D模数转换器电路、单片机控制电路、数码管显示电路的实物模拟，各个部分工作正常。然后进行电路焊接，但是由于人为原因，电路存在虚焊、短接等错误，导致整个电路无法正常工作。经过反复检查调试，电路还是不能正常工作。后来本小组又将整块电路分成四个小模块分别进行测量，发现运算放大器工作不稳定，在我们的设计中运放的增益是一级增益200倍，查询资料后发现，LM741的增益过大会导致电路非线性误差增大。造成系统准确度降低。在解决运算放大器增益问题后，系统正常工作，且电子秤输出与受体重量呈线性变化，能较为精确的测量出受体重量。4.3总结 在此次课程设计中，我们遇到了以下问题： 1、电桥偏位电压过大。由于偏位电压过大，使电子秤量程大大降低。因此，我们通过分压调零电路，消除偏位