電子秤課程設計

1、惠州學院課程設計目錄摘要本文設計的電子秤以單片機為主要部件，用 C 語言進行軟件設計，硬件則以全橋傳感器為 主 ,測量 0 500g 電子秤，隨時可改變上限閾值，并達到閾值報警的功能。本課程設計的電 子秤以單片機為主要部件， 利用單臂電橋測量原理， 通過對電路輸出電壓和標準重量的線性 關系，建立具體的數(shù)學模型，將電壓量綱（V ）改為重量綱（ g）即成為一臺原始電子秤。其中測量電路中最主要的元器件就是電阻應變式傳感器。 電阻應變式傳感器是傳感器中應用 最多的一種。 ADC0809 A/D 轉(zhuǎn)換的作用是把模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然 后把數(shù)字信號輸送到顯示電路中去，最后由顯示電路顯示出

2、測量結果 。關鍵字：電子秤、電子應變片、 A/D 轉(zhuǎn)換器，顯示電路目錄惠州學院課程設計目錄摘要 1目 錄 2一、系統(tǒng)整體描述 3二、 系統(tǒng)模塊描述 42.1 電阻應變式傳感器的組成以及原理 42.2 直流電橋檢測電路 52.3 放大電路 72.4 A/D 轉(zhuǎn)換： 82.5 單片機系統(tǒng) 92.6 顯示電路 102.7 報警電路： 11三：數(shù)據(jù)處理及程序的設計 113.1 數(shù)據(jù)處理及程序的設計 113.2 參數(shù)整定 123.2.1 測量數(shù)據(jù)及誤差分析 123.2.2 曲線擬合及參數(shù)整定 133.3 顯示子程序的設計 16參考文獻 17總結 17附錄 1 仿真圖 18附錄 2 程序 18目錄惠州學院

3、課程設計、系統(tǒng)整體描述系統(tǒng)由敏感元件、電橋測量電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機最小系統(tǒng)、顯示電路和 報警電路構成。敏感元件產(chǎn)生物理量變化，由測量電路將信號轉(zhuǎn)換為電信號，并放大輸出。 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后將信號輸入單片機中， 經(jīng)過處理后由顯示電路顯示。 若變量超過限定值， 則 激活報警電路，由蜂鳴器發(fā)出報警信號。電 橋 測 量 電 路放 大 電 路顯 示 電 路報 警 電 路目錄惠州學院課程設計、系統(tǒng)模塊描述2.1 電阻應變式傳感器的組成以及原理電阻應變式傳感器是將被測量的力， 通過它產(chǎn)生的金屬彈性變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的元件。 由 電阻應變片和測量線路兩部分組成。 常用的電阻應變片有兩種： 電阻絲應

4、變片和半導體應變 片，本設計中采用的是電阻絲應變片，為獲得高電阻值， 電阻絲排成網(wǎng)狀， 并貼在絕緣的基 片上，電阻絲兩端引出導線，線柵上面粘有覆蓋層，起保護作用。電阻應變片也會有誤差， 產(chǎn)生的因素很多， 所以測量時我們一定要注意， 其中溫度的影響最 重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：A. 電阻絲溫度系數(shù)引起的。B. 電阻絲與被測元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。 對于因溫度變化對橋接零點和輸出， 靈敏度的影響， 即使采用同一批應變片， 也會因應變片 之間稍有溫度特性之差而引起誤差， 所以對要求精度較高的傳感器， 必須進行溫度補償， 解 決的方法是在被粘貼的基片上采用適當溫度系數(shù)的自動補

5、償片， 并從外部對它加以適當?shù)难a 償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。 產(chǎn)生非線性誤差的原因很多， 一般來說主要 是由結構設計決定，通過線性補償，也可得到改善。 滯后和蠕變是關于應變片及粘合劑的 誤差。 由于粘合劑為高分子材料， 其特性隨溫度變化較大， 所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫 度范圍內(nèi)使用。圖 1 原理應變式傳感器安裝示意圖惠州學院課程設計目錄2.2 直流電橋檢測電路單臂電橋轉(zhuǎn)換電路圖 1-4 電橋平衡條件和調(diào)零直流電橋轉(zhuǎn)換電路如U o E ( R1R3 )oR1 R2 R3 R4圖 2-5(a)所示。 當 RL= 時，輸出電壓為 (2-15)電橋達到平衡時，輸出電壓為零，令R1

6、R3R2 R4式(2-16)即為直流電橋的平衡條件Uo=0，由式 (2-15)得(2-16)圖 2-5 直流電橋轉(zhuǎn)換電路和調(diào)零電路當式(2-16)不滿足時，輸出電壓 U0 不為零，此時需要調(diào)零電路完成調(diào)零。圖 2-5(b)是典型的直流Rr 可以補償 R1、R2、R3、R4 間的不平衡。 電橋的電壓靈敏度 單臂電橋的電壓靈敏度單臂電橋是將電阻應變片接入電橋的一個橋臂，如 圖 2-4 的 R1 位 置，其余橋臂為固定電阻，則其輸出電壓為惠州學院課程設計R4 R2 R4 R1 E ( R1R1R3 ) ER3 R1 R3 R1E(R1R1R2R3R4 )E (1R1R2)(1R4)R1R1R3目錄(

7、2-17)因為電橋初始狀態(tài)時是平衡的，有 R2/R1=R4/R3，令 n=R2/R1= R4/R3(1 n)R1R1(2-18)為橋比。由于 R1/R1 很小，則定義直流電橋電路的靈敏度系數(shù)為KUUoR1/ R1n(1 n)2(2-19)欲使電路的靈敏度最大，令 KnU 0，得 (1+n)2-2n(1+n)=0(2-20)即 n=1 。所以，選擇橋臂電阻阻值， 使橋比為 1，電路靈敏度達到最大此時的輸出電壓為Uo電路的靈敏度系數(shù)為E R14 R1KU(2-21)(2-22)從前面的推導得知， 式 (2-21)的輸出電壓是式 (2-17)略去分母中 R1/R1項得到的結果，簡化后的輸出電壓 Uo

8、 與電阻相對變化 R1/R1之間是線性的。如果不作簡化，實際輸出電壓為U0 EnR1R1(2-23)令 n=1 ，這一線性化引起的非線性誤差為Uo11Uo2 R1R1R1R12 R1R1(2-24)例如，測量過程中電阻的相對變化 R1/R1 1，當采用單臂電橋作 為轉(zhuǎn)換電路時， 由式 (2-24)計算后，得到的非線性誤差為 L=4.8% 。它表明 電阻的相對變化較大時，這種簡化帶來的非線性誤差將變得非常嚴重。 半橋、全橋的電壓靈敏度 在試件上粘貼兩個工作應變片，一個為受拉應變片，一個為受壓 應變片，大小相等，方向相反，接入電橋相鄰橋臂，將構成半橋電路，如 圖 2-6(a)所示；在試件上粘貼四個

9、工作應變片，兩個為受拉應變片，兩個為 受壓應變片，分別接入對邊橋臂，構成全橋電路，如 圖 2-6(b)所示。目錄圖 2-6 差動電橋轉(zhuǎn)換電路惠州學院課程設計Uo ER1 R1R3oR1 R1 R2 R2R3 R4若R1=R2，R1=R2=R3=R4，則E RU o 2R112-26)半橋電路的靈敏度系數(shù)為：KU E2(2-27)對于 圖 2-6(a)所示的半橋電路，輸出電壓為(2-25)(2-28)對于圖 4-6(b)所示的全橋電路，輸出電壓為 Uo E RR11全橋電路的靈敏度系數(shù)為KU=E (2-29)2.3 放大電路目前的電子稱重裝置大都使用電阻應變橋式傳感器 ,其核心是由電阻應 變計(

10、應變片 )構成的電橋電路 ,這類傳感器具有成本低、精度高且溫度穩(wěn)定 性好的特點。但其檢測原理決定該類傳感器輸出電壓低 ,要經(jīng)過差分放大電 路放大數(shù)百倍才能用于 A/D 轉(zhuǎn)換。一般說來，傳感器輸出的電壓值都非常 小，基本上都是毫伏級甚至微伏級。在設計高精度電子秤時，需要外部放 大電路來獲得足夠的增益。差動放大電路：(1) 原理： 本次設計中，要求用一個放大電路，即差動放大電路，主要的元 件就是差動放大器。在許多需要用 A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機系統(tǒng)中，多數(shù) 情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱， 必須通過一個模擬放大器對其進行一 定倍數(shù)的放大，才能滿足 A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求，在

11、此情況下，就 必須選擇一種符合要求的放大器。 儀表儀器放大器的選型很多， 我們這里使用一目錄惠州學院課程設計種用途非常廣泛的放大器， 就是典型的差動放大器 ina114ap。它只需高精度和幾 只電阻器， 即可構成性能優(yōu)越的儀表用放大器。 廣泛應用于工業(yè)自動控制、 儀器 儀表、電氣測量等數(shù)字采集的系統(tǒng)中。本設計中差動放大電路結構圖如下：放大倍數(shù)的推導過程：2.4 A/D 轉(zhuǎn)換：A/D 轉(zhuǎn)換的作用是進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出 由于輸入電源為直流，電橋經(jīng)放大后輸出電壓為直流電壓，為模擬信號。經(jīng)過 ADC0809 芯片轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，便于下一步單片機的處理和顯示。ADC0809

12、內(nèi)部邏輯結果和芯片引腳如下圖所示?；葜輰W院課程設計目錄ADC0809 芯片實物圖2.5 單片機系統(tǒng)使用的單片機芯片為 8 位 STC89C52 芯片，外部晶振頻率為 12MHz 。STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲 器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入 式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM ， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置 4KB EEPROM ， MAX810 復

13、位電路， 2 個 16 位 定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口。另外 STC89X52 可降 至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM 、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率 35MHz ， 6T/12T 可選。惠州學院課程設計目錄(10)圖所示。單片機最小系統(tǒng)由晶振、復位電路和單片機芯片構成，電路如百位 十位和個位數(shù)據(jù)。顯示電路有 4 位 7段共陽極數(shù)碼管組成，可顯示千位2.6 顯示電路單片

14、機處理數(shù)據(jù)后， 將個數(shù)據(jù)段碼送入數(shù)碼管， 數(shù)碼管即可顯示相應的數(shù)值。 方 便安裝、調(diào)試和觀察。且成本很低。電路圖如圖( 11)所示。目錄惠州學院課程設計圖（ 11）2.7 報警電路：當所稱量質(zhì)量大于稱量上限 303g 時，由于已經(jīng)達到放大電壓上限，所以顯示電路無法顯示 更大的值。 為了提醒使用者，需要設定報警電路。 報警電路由三極管和蜂鳴器組成。因為單 片機 P2 口輸出電流較小，不足以驅(qū)動蜂鳴器。所以使用三極管 9013 進行電流放大。電路 連接如圖（ 12）所示。圖（ 12）三：數(shù)據(jù)處理及程序的設計3.1 數(shù)據(jù)處理及程序的設計數(shù)據(jù)處理子程序是整個程序的核心。 主要用來調(diào)整輸入值系數(shù)， 使輸

15、出滿足量程要求。 另外目錄惠州學院課程設計完成 A/D 的采樣結果從十六進制數(shù)向十進制數(shù)形式轉(zhuǎn)化。 對于重量與傳感器的電壓之間的關系， 為了確保測量的準確度， 用 MA TLAB 軟件編程。Lsline 指令實現(xiàn)了對多組測量數(shù)據(jù)的最小二乘擬合， 得到了比較理想的線性關系， 又運用回歸函數(shù) polyfit(x,y,1) 得到壓力與電壓的函數(shù)關系，使壓力的測量的精度進一步提高。數(shù)據(jù)采集由 ADC0809 芯片來完成，主要分為啟動、讀取數(shù)據(jù)、延時等待轉(zhuǎn)換結束、讀出轉(zhuǎn) 換結果、存入指定內(nèi)存單元、繼續(xù)轉(zhuǎn)換(退出)幾個步驟。 ADC0809 初始化后，就具有了 將某一通道輸入的 05V 模擬信號轉(zhuǎn)換成對應

16、的數(shù)字量 00H FFH，然后再存入 8051 內(nèi)部 RAM 的指定單元中。其轉(zhuǎn)換方式可以采用程序查詢方式，延時等待方式和中斷方式三種。 本設計采用的是延時等待方式，具體程序流程圖如圖13 所示。圖 13 實驗數(shù)據(jù)采集流程圖3.2 參數(shù)整定3.2.1測量數(shù)據(jù)及誤差分析在 IN0 輸入的數(shù)最大為 5V ，要求的質(zhì)量 303g 對應的是 4.8V ，為十六進制向十進制轉(zhuǎn)換方目錄惠州學院課程設計便，將系數(shù)放大 100 倍。并用小數(shù)點位置的變化體現(xiàn)這一過程。 數(shù)據(jù)處理子程序是整個程序的核心。 主要用來調(diào)整輸入值系數(shù)， 使輸出滿足量程要求。 另外 完成 A/D 的采樣結果從十六進制數(shù)向十進制數(shù)形式轉(zhuǎn)化。

17、在硬件調(diào)試過程中重量與電壓的 關系如下表所示：重量（g）020406080100120140160180200303電壓0-0.025-0.054-0.082-0.10-0.13-0.16-0.19-0.22-0.25-0.29-0.48（ mv）9879891根據(jù)實驗過程的情況以及實驗時所使用的器材， 分析實驗所帶的誤差原因有：1、作為應變梁的鋼尺實驗時所產(chǎn)生的應變彎曲不一定是線性的，也就是說實驗的重物每增加單位重量時，鋼尺所產(chǎn)生的應變大小并不一樣；2、應變片所粘貼的位置并不一定對稱；3、重物所掛在應變鋼尺的位置會直接影響電子秤的輸出，這是由于杠桿原理的 關系；4、設計電子秤時其中需要用到的

18、器件是模數(shù)轉(zhuǎn)換元件，把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號時所帶來的量化誤差也在一定程度上影響電子秤的輸出；5、測量開始時需要進行調(diào)零，調(diào)節(jié)電位器使到電橋測量電路的輸出為零，再調(diào) 節(jié)相關的電位器調(diào)節(jié)差動放大器的放大倍數(shù)，可能是兩個電位器的調(diào)節(jié)并不理 想，才使得輸出發(fā)生偏差。由于測得實驗電壓數(shù)據(jù)太過于小， 需經(jīng)過放大器放大十倍后才能更準確的被 A/D 采集，進行數(shù)據(jù)處理。所得擬合曲線如下圖所示：3.2.2曲線擬合及參數(shù)整定惠州學院課程設計目錄經(jīng) MA TLAB 軟件編程，得擬合函數(shù)為：(其中 a1= -68.5907 ， a0= 3.22476 )數(shù)據(jù)處理過程是對 A/D 轉(zhuǎn)換結果的數(shù)字量的處理，即目

19、錄惠州學院課程設計數(shù)據(jù)采集由 ADC0809 芯片來完成，主要分為啟動、讀取數(shù)據(jù)、延時等待轉(zhuǎn)換結束、讀出轉(zhuǎn) 換結果、存入指定內(nèi)存單元、繼續(xù)轉(zhuǎn)換（退出）幾個步驟。 ADC0809 初始化后，就具有了 將某一通道輸入的 05V 模擬信號轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字量 00H FFH，然后再存入 8051 內(nèi)部 RAM 的指定單元中。其轉(zhuǎn)換方式可以采用程序查詢方式，延時等待方式和中斷方式三種。 本設計采用的是延時等待方式，具體程序流程圖如圖14 所示。目錄乘以 a1惠州學院課程設計圖 14 A/D 接口設計流程圖3.3 顯示子程序的設計顯示程序是用來實時顯示所測質(zhì)量值，該部分程序是將顯緩單元數(shù)據(jù)進行實時顯示。目

20、錄惠州學院課程設計參考文獻1 楊新榮 .智能儀器原理、設計與發(fā)展 .中南大學出版社， 20032 張毅剛 .MCS-51 單片機應用設計 .哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，20033 賈伯年，俞樸 .傳感器技術 .南京：東南大學出版社， 20004 徐仁貴等 .單片微型計算機應用技術 .機械工業(yè)出版社， 20015 李道華，李玲，朱艷 .傳感器電路分析與設計 .武漢大學出版社， 20006 李剛，林凌，姜葦單片機系統(tǒng)設計與應用技巧北京航空航天大學出版社， 2004總結隨著集成電路和計算機技術的迅速發(fā)展， 使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大變化， 傳統(tǒng)的儀 器 逐步的被智能儀器所取代。智能儀器的核心部件

21、是單片機，因其極高的性價比得到廣泛的 應 用與發(fā)展，從而加快了智能儀器的發(fā)展。而傳感器作為測控系統(tǒng)中對象信息的入口，越 來越受 到人們的關注。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物，它是一種能將特定的被測 量信息（物理 量、化學量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置 本次設計中的電阻應變片電子稱就是在以上儀器的基礎上設計而成的。因此，只有充分了解有關智能儀器、單片機、傳感器以及各部分之間的關系才能達到要求。 經(jīng)過幾周的努力， 終于按照設計進度要求如期完成了電子秤系統(tǒng)的設計任務。 在做課程設計的過程中， 雖然碰 到了不少的困難，但是在老師的指導以及共同的努力下，終于取得了一定成果

22、。在此次課程設計中 ,雖然順利完成了電子稱的設計和制作 ,但也存在一定的不足 ,如電子稱的 的精度不夠高。 同時也有很多的收獲， 對電阻式應變片的工作原理及性能指標有了更加直觀 和深入的認識。通過對數(shù)據(jù)采集的分析 , 放大器及 A/D 轉(zhuǎn)換器對信號的轉(zhuǎn)換、傳輸和處理有 了更深的認識。熟悉 AT89C52 單片機功能及工作特性，掌握其接口擴展方法。這些都為我 今后學習和工作留下了積極的影響。目錄惠州學院課程設計附錄 1 仿真圖附錄 2 程序#include#define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit st=P30;sbit eoc=P32;sbit clk=P33;sbit a=P34;sbit b=P35;sbit c=P36;sbit OE=P31;sbit dian=P17;目錄惠州學院課程設計uchar code dt=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e;uint data1,disi,disan,dier,diyi;延時函數(shù) *void delay(uint ms)uint i,j;for(i=ms;i