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1、电子秤 课程设计. 摘要 本文设计的电子秤以单片机为主要部件，用C语言进行软件设计，硬件则以全桥传感器为主,测量0500g电子秤，随时可改变上限阈值，并达到阈值报警的功能。本课程设计的电子秤以单片机为主要部件，利用单臂电桥测量原理，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。ADC0809 A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，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。 关键字：电子秤、电子应
2、变片、A/D转换器，显示电路 目录 摘要 (1) 目录 (2) 一、系统整体描述 (3) 二、系统模块描述 (4) 2.1 电阻应变式传感器的组成以及原理 (4) 2.2 直流电桥检测电路 (5) 2.3放大电路 (7) 2.4 A/D转换： (8) 2.5单片机系统 (9) 2.6显示电路 (10) 2.7报警电路： (11) 三：数据处理及程序的设计 (11) 3.1数据处理及程序的设计 (11) 3.2参数整定 (12) 3.2.1测量数据及误差分析 (12) 3.2.2曲线拟合及参数整定 (13) 3.3 显示子程序的设计 (16) 参考文献 (17) 总结 (17) 附录1仿真图 (
3、18) 附录2程序 (18) 一、系统整体描述 系统由敏感元件、电桥测量电路、放大电路、模数转换电路、单片机最小系统、显示电路和报警电路构成。敏感元件产生物理量变化，由测量电路将信号转换为电信号，并放大输出。通过模数转换后将信号输入单片机中，经过处理后由显示电路显示。若变量超过限定值，则激活报警电路，由蜂鸣器发出报警信号。 应变片 电桥测量电路 放 大电 路 模数转换电 路 单片机最小系统 显 示 电路 报 警 电 路 二、系统模块描述 2.1 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
4、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。 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
5、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1原理应变式传感器安装示意图 2.2 直流电桥检测电路 图1-4 单臂电桥转换电路 电桥平衡条件和调零 直流电桥转换电路如图2-5(a )所示。 当R L=时，输出电压为 (2-15) 电桥达到平衡时，输出电压为零，令U o=0，由式(2-15)得 (2-16) 式(2-16)即为直流电桥的平衡条件。 图 2-5
6、 直流电桥转换电路和调零电路 当式(2-16)不满足时，输出电压U 0不为零，此时需要调零电路完成调零。图2-5(b )是典型的直流R r 可以补偿R 1、 R 2、R 3、R 4间的不平衡。 电桥的电压灵敏度 单臂电桥的电压灵敏度 单臂电桥是将电阻应变片接入电桥的一个桥臂，如图2-4的R 1位置，其余桥臂为固定电阻，则其输出电压为 ) ( 4 33211 o R R R R R R E U +-+?=4 3 2 1R R R R = (2-17) 因为电桥初始状态时是平衡的，有R2/R1=R4/R3，令n=R2/R1= R4/R3为桥比。由于R1/R1很小，则 (2-18) 定义直流电桥电路
7、的灵敏度系数为 (2-19) 欲使电路的灵敏度最大，令 0U =?n K ，得(1+n )2-2n (1+n )=0 (2-20) 即n =1。所以，选择桥臂电阻阻值，使桥比为1，电路灵敏度达到最大。此时的输出电压为 (2-21) 电路的灵敏度系数为 (2-22) 从前面的推导得知，式(2-21)的输出电压是式(2-17)略去分母中R1/R1项得到的结果，简化后的输出电压Uo 与电阻相对变化R1/R1之间是线性的。如果不作简化，实际输出电压为 (2-23) 令n=1，这一线性化引起的非线性误差为 (2-24) 例如，测量过程中电阻的相对变化R1/R11，当采用单臂电桥作为转换电路时，由式(2-
8、24)计算后，得到的非线性误差为L=4.8%。它表明电阻的相对变化较大时，这种简化带来的非线性误差将变得非常严重。 半桥、全桥的电压灵敏度 在试件上粘贴两个工作应变片，一个为受拉应变片，一个为受压应变片，大小相等，方向相反，接入电桥相邻桥臂，将构成半桥电路，如图2-6(a)所示；在试件上粘贴四个工作应变片，两个为受拉应变片，两个为受压应变片，分别接入对边桥臂，构成全桥电路，如图2-6(b)所示。 42413313111 12411234 113( )(1)(1) o R R R R R R R R R R R U E E R R R R R R R R R R R ?-+? +?=?-=?+?
9、+112 o )1(R R n n E U ?+?211o U )1(/n n E R R U K +=? 1 1o 4 R R E U ?=4 U E K =1 1 111(1) R n R U E R n n R ?=?+ ? 1 1 11 11o o o o o 22211R R R R R R U U U U U L +=+-=-=-= 图2-6 差动电桥转换电路 对于图2-6(a)所示的半桥电路，输出电压为 (2-25) 若R 1=R 2，R 1=R 2=R 3=R 4，则 （2-26） 半桥电路的灵敏度系数为： (2-27) 对于图4-6(b )所示的全桥电路，输出电压为 (2-2
10、8) 全桥电路的灵敏度系数为 KU=E (2-29) 2.3放大电路 目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D 转换。一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。 差动放大电路： (1) 原理： 本次设计中，要求用一个放大电路，即差动放大电路，主要的元件就是差动放大器。在许多需要用A/D 转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输
11、出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D 转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。仪表仪器放大器的选型很多，我们这里使用一 ? ? ?+-+=433 2211 1 1o R R R R R R R R R E U 11 o 2R R E U ?= 2U E K = 11o R R E U ?= 种用途非常广泛的放大器，就是典型的差动放大器ina114ap。它只需高精度和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。本设计中差动放大电路结构图如下： 放大倍数的推导
12、过程： 2.4 A/D转换： A/D转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。由于输入电源为直流，电桥经放大后输出电压为直流电压，为模拟信号。经过ADC0809芯片转为数字信号，便于下一步单片机的处理和显示。 ADC0809 内部逻辑结果和芯片引脚如下图所示。 ADC0809芯片实物图 2.5单片机系统 使用的单片机芯片为8位STC89C52芯片，外部晶振频率为12MHz。 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制
13、应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，2个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。 单片机最小系统由晶振、复位电路和单片机芯片构成，电路
14、如(10)图所示。 显示电路有4位7段共阳极数码管组成，可显示千位百位十位和个位数据。 2.6显示电路 单片机处理数据后，将个数据段码送入数码管，数码管即可显示相应的数值。方便安装、调试和观察。且成本很低。电路图如图（11）所示。 图（11） 2.7报警电路： 当所称量质量大于称量上限303g时，由于已经达到放大电压上限，所以显示电路无法显示更大的值。为了提醒使用者，需要设定报警电路。报警电路由三极管和蜂鸣器组成。因为单片机P2口输出电流较小，不足以驱动蜂鸣器。所以使用三极管9013进行电流放大。电路 连接如图（12）所示。 图（12） 三：数据处理及程序的设计 3.1数据处理及程序的设计 数据处理子程序是整个程序的核心。主要用来调整输入值系数，使输出满足量程要求。另外