电子称设计指导书

电子称的设计与制作直流全桥的应用电子称设计与制作一、实验目的了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、双臂、半桥和全桥工作原理和性能，利用这些原理设计与制作电子秤。二、实验仪器应变传感器、托盘、砝码、数显电压表、15V、4V电源、万用表（自备），各种元器件。三、实验原理电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为R/RK，式中R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，L/L为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图11所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。图11四、设计的主要内容系统总体结构系统总体基本框图如图12所示称重传感器放大电路A/D转换器单片机数码管显示键盘控制附属电路图12数字电子秤的基本组成系统总体框图说明（A）物品放在称重传感器上，显示电信号，此信号数值很小。（B）信号接入放大电路，经过运放放大形成几伏的电压量，供A/D转换器识别。（C）经过A/D转换器，使得模拟信号转换成数字信号。（D）数字信号接入单片机。（E）单片机接至数码管显示，单片机令由键盘控制。（F）附属电路电源基准电路，报警电路等。五、设计要求完成的工作1器件的选择，包括称重传感器、放大器、A/D转换器等等相关元器件的选择。2根据课题的研究内容和目的，分析设计出能实现其功能的各部分原理图。3完成电路板的焊制，对系统进行调试。4完成对重量信号的采样及报警电路功能的使用。5相干参数及指标的测试。系统设计功能和技术指标本文主要是介绍了基于AT89S52单片机的数字电子秤的设计过程。对其硬件电路、软件算法以及各模块作了详细介绍，其主要功能和性能指标如下系统功能能测量一定重量范围的物品，并且能在数码管显示。技术指标工作温度060OC重量测量范围0500G最小分辨率05G误差05G报警重量值510G机械凋零、电路调零电路放大倍数可调设计思路称重传感器放大电路A/D转换器单片机电路数码管显示键盘控制基准电源电路报警电路图13整体硬件电路框图复位电路时钟电路单片机图14单片机相关电路框图六、软件设计电子秤系统的功能是对物件能正确的测量并显示其重量。软件部分采用C语言编写代码，系统的软件部分需要包含以下几个部分主程序、数据显示子程序、读出数据子程序、数据转换子程序、延时子程序以及一些内部函数程序等。程序框图如图15。开始单片机初始化有键按下启动ADS1100YN重量采样计算重量信号读出重量子程序输出重量信号重量显示等待图15软件总体框图设计七、软硬件调试方案1硬件调试方案硬件调试主要以检查电路是否有虚焊错焊为主，具体步骤如下1检测元器件是否完好；2对电路图仔细检查并对接线板上的元器件合理布局；3焊接完元器件后认真检查焊接点是否有虚焊和错焊；4对单独电路模块进行调用，利用以前检测相关信号是否达到要求；5将每个模块进行整合后结合软件进行测试观察系统是否正常工作。2软件调试方案软件的调试主要是以设置断点模块单独调试为主，具体步骤如下1编写模块程序，设置断点进行程序单模块调试，并及时处理出现的错误；2优化单模块程序，对对模块程序中冗余繁杂的程序进行优化处理提高程序执行效率；3结合硬件模块检测程序是否能正常运行；4整合各个程序模块，运用仿真软件将程序整合成一个完整的程序，结合设置断点处理程序间的错误和冗余；5结合硬件运行程序，观察硬件是否能够正常工作。八、传感器模块原理及方案要达到设计的性能要求，传感器的精度起着决定性的作用，本设计选用应用于称重系统90以上的高精度电阻应变式传感器。电阻应变传感器是将被测量的力通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。电阻应变式称重传感器的原理弹性体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也随同发生变形，电阻应变片变形后，它的阻值发生变化增大或者减小，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。电阻应变式称重传感器的结构有多种形式，使用最多的形式为全桥式（见图16）图16全桥式压力传感器内部结构图放大电路设计原理及方案称重传感器检测到被测物品的重量，然后将重量信号转换成电信号。在这个过程中通常传感器转成的电信号很小，不满足ADC转换器转换的要求，所以在传感器和ADC转换器之间需要增加一个放大电路。设计采用的放大芯片是OP07芯片。基于OP07放大器的放大电路设计OP07芯片一共有8个引脚，其中2、3引脚是接输入的电压之差。4、7脚接电源正负12V，6脚接输出。本次设计采用两个OP07芯片进行二级放大，并且能调节相关变阻器从而调节放大的倍数。总体放大电路图见图17。图17放大电路图图中RW1变阻器的功用调节系统零点，使得当传感器没有物品时，输出端也没有为零。RW2变阻器的功用调节放大倍数，使得微小的信号能放大成合宜大小的信号。R1、R2是分压电阻。C1、C3、E1、E2等是起到过滤去耦的作用。这里还需要解释的是Z1的稳压管的作用，它的作用是保护输出电压过大的时强制使得输出为稳压管的电压。稳压管的具体介绍如下稳压管是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。如图画出了稳压管的伏安特性及其符号。稳压管反向击穿后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。其伏安特性见稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。下表是不同型号的稳压管的电压值。数码管显示电路图设计数码管显示电路采用共阳极LED共阳极数码管显示，从左到右分别为百位、十位、个位和小数位。并且电路中有三极管8050和电阻连接电路作为附属电路。电路图如图18。图18数码管电路图图中左下方八个脚分别对应三极管8050的基极端，连接至单片机的P00P07管脚。由P0的八个管脚来控制三极管8050的基极导通与否，若导通，则使得三极管8050的集电极和发射极导通，使原本为低电平的发射极变为高电平，从而连接至数码管，使得LED亮。图中的电阻为保护作用。基准电源电路设计及方案由于本设计中用到了OP07芯片，而这个芯片采用的电压为12V。故此设计中增加了基准电源电路的设计。采用了MC34063芯片进行设计。MC34063本身包含了DCDC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，RS触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DCDC变换器仅用少量的外部元器件。设计的电路图如图19和图110。图19DCDC5V12V电路图图110DCDC5V12V电路图AD转换电路设计图111是AD转换电路图。其中1脚接从放大电路出来的信号，也就是模拟信号。3脚SCL是时钟信号，4脚是输出的数字信号，接至单片机。图111基于ADS1100的模数转换电路图报警电路设计及方案报警电路的在作用是当物品的重量超过范围时，启动该电路使得蜂鸣器鸣叫，二极管灯亮来提示用户注意。图112报警电路图图中的Q1和Q2为8050的三极管。当PDETCET大于VCC时，通过比较器OP07输出端6为低，Q1不导通，使得Q2基极为高电平，Q2导通，使得指示灯亮，蜂鸣器鸣叫。反之，当PDETCET小于VCC时，通过比较器OP07输出端6为高，Q1导通，使得Q2基极为低电平，Q2不导通，这时指示灯不亮，蜂鸣器不鸣叫。这样达到报警的效果。另外稳压二极管为保护作用。主程序主程序如图113所示主要进行各个模块的整合与协调，在进行主控芯片的初始化后，判断是否有键按下来进行相关子程序的调用，从而显示相关数据。开始单片机初始化有键按下启动ADS1100YN重量采样计算重量信号读出重量子程序输出重量信号重量显示等待图113报警电路图读出重量子程序读出重量子程序的主要功能是从ADS1100读出转换后的重量信号数字量。开始AT89C52初始化ADC有重量信号YN单片机I/O口接收信号图114读出重量子程序框图读出重量子程序流程图如图114所示。数据转换子程序数据转换子程序的主要功能是接收从放大电路来的信号进入ADS1100进行模数转换。数据转换子程序流程图如图115所示。开始ADS1100初始化有重量信号YN进行模数转换图115数据转换子程序框图数据显示子程序数据显示子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图116。进行数据刷新时会将原来的数据区域进行覆盖，判断次高位是否为0，如果次高位为0则进行最高位的判断如果为数据0则表示最高位和次高位均无数据，那么次高位为符号位。然而，当最高位非0时最高位显示数据，次高位非0最高位0时，最高位显示符号。温度大于0时“”不显示，而以不点亮该位数码管表示。重量数据移入寄存器十位数0十位数显示符号百位数不显示百位数显示数据不显示符号结束百位数0NNYY图116数据显示子程序流程图延时子程序单片机在运行内部子函数的时候，诸如读数据时需要等待时间，此时调用延时子程序。程序流程图如图117。开始延时1US延时1US结束图117延时子程序流程图电子称实验原理同实验三的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（G）即成一台比较原始的电子称。八、测试数据要求1接好线并将电路调零2将10只砝码全部置于传感器的托盘上，