簡易電子稱設(shè)計(jì)報(bào)告

1、-摘要本簡易電子秤由數(shù)據(jù)采集、控制器和人機(jī)交互界面三局部構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)采集局部由測量電路、差動(dòng)放大電路與電壓采集電路組成；測量電路采用4片電阻應(yīng)變片組成的全橋電路。差動(dòng)放大把傳感器輸出的微弱模擬信號(hào)放大275倍，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求；A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，控制器把數(shù)字信號(hào)輸送到顯示電路中去。控制器選用IAP15F2K61S2單片機(jī)，用按鍵來選擇、確定功能，最后所有結(jié)果由OLED進(jìn)展顯示。電子秤自帶電源，并具有稱重、設(shè)置單價(jià)、金額累計(jì)、去皮、超量程報(bào)警與語音播報(bào)等功能。當(dāng)電子秤稱重圍為5.00g500g。當(dāng)重量小于50g時(shí)，稱重誤差小于0.5g；重量在50g及以

2、上，稱重誤差小于1g。整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定，界面友好，轉(zhuǎn)換精度高，人性化。關(guān)鍵詞：電子秤傳感器 A/D 控制器. z-目錄第1章方案比擬論證與選擇21.1整體設(shè)計(jì)思路21.2數(shù)據(jù)采集局部2測量電路2放大電路2電壓采集電路21.3控制器局部21.4人機(jī)交互界面2按鍵2顯示界面21.5系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖2第2章系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)22.1數(shù)據(jù)采集局部2測量電路2放大電路2電壓采集電路22.2控制器局部22.3人機(jī)交互界面2按鍵2顯示界面22.4其他2系統(tǒng)電源2語音播報(bào)局部2固件升級(jí)接口2第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)23.1軟件設(shè)計(jì)工具與平臺(tái)23.2軟件設(shè)計(jì)思想23.3軟件設(shè)計(jì)流程圖2第4章系統(tǒng)調(diào)試與測試24.1調(diào)試與測試所用

3、儀器24.2調(diào)試過程24.3測試過程24.4測試結(jié)果24.5結(jié)果分析2第5章設(shè)計(jì)總結(jié)2參考文獻(xiàn)2附錄2. z-第1章方案比擬論證與選擇1.1整體設(shè)計(jì)思路此設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)采集局部、控制器局部和人機(jī)交互界面三局部。從整體上看，數(shù)據(jù)采集局部由測量電路、放大電路和電壓采集電路三大局部組成。測量電路即在懸梁臂上使用電阻應(yīng)變片構(gòu)成全橋電路。當(dāng)有物體稱重時(shí)，懸梁臂發(fā)生變形，然后由電阻應(yīng)變片將此變形轉(zhuǎn)化為電阻的變化，再通過全橋電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。輸出電壓經(jīng)過放大電路后被采集，通過A/D轉(zhuǎn)換電路把電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)?？刂破骶植縿t是通過單片機(jī)把A/D電路轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字信號(hào)傳送到顯示電路，由OLED顯

4、示出來。人機(jī)交互界面分為按鍵局部與顯示界面局部。我們可以通過按鍵來選擇相應(yīng)的功能，比方單價(jià)的加減、價(jià)錢的累計(jì)等。最后，所有結(jié)果都由OLED顯示出來。1.2數(shù)據(jù)采集局部測量電路測量電路需要測得機(jī)械臂的形變，以此來計(jì)算物體的重量，所以我們選擇用電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程構(gòu)造件的部形變轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過一定的機(jī)械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈性元件的形變，然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換為電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化信號(hào)輸出。為了得到電壓變化信號(hào)的輸出，我們采用電

5、橋電路作為測量電路。方案一：測量電路使用單臂電路，如圖1-1a所示。方案二：測量電路使用半橋電路，如圖1-1b所示。方案三：測量電路使用全橋電路，如圖1-1c所示。圖1-1 應(yīng)變片測試電路方案論證與選擇:由計(jì)算可得:單臂中;半橋中;全橋中K為靈敏度系數(shù)、為電阻絲長度相對(duì)變化。由此可看出單臂工作輸出信號(hào)最小、線性、穩(wěn)定性較差；半橋輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時(shí)的輸出是單臂時(shí)的四倍，性能最好。因?yàn)?，為了得到較大輸出電壓信號(hào)我們采用方案三。放大電路方案一：利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器。方案二：直接利用H*711模塊，可把輸出電壓放大到32128倍。方案三：由高精度低漂移運(yùn)

6、算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大電路。方案論證與選擇：方案一中普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)引入大量噪聲。由于A/D轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號(hào)就會(huì)直接影響最后的測量精度。方案二只能把電壓放大到128倍，而這里的設(shè)計(jì)需要根據(jù)應(yīng)變片的應(yīng)變大小來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，如我們需要把電壓放大275倍左右，所以不采用方案二。方案三中差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，我們可以把電路先放大11倍，再放大5倍，最后再放大5倍，從而到達(dá)要求。因此選擇方案三，該方案本錢低，直接使用實(shí)驗(yàn)室常規(guī)元件實(shí)現(xiàn)，放大倍數(shù)可以根據(jù)懸臂梁上應(yīng)變片的實(shí)際應(yīng)變情況進(jìn)展調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)靈活。電壓采集電路方案一：利用H*711高精度24

7、位A/D轉(zhuǎn)換器芯片方案二：利用ADC0832芯片。方案三：利用ADS1286芯片。方案論證與選擇：方案一中的H*711芯片雖然位數(shù)高，但轉(zhuǎn)換頻率太低，并且對(duì)微弱信號(hào)的處理達(dá)不到要求。方案二中ADC0832為8位ADC芯片，所以分辨率不夠，達(dá)不到題目精度。方案三中ADS1286為12位高速ADC芯片，具有低溫漂、微功耗的特點(diǎn)，且分辨率能夠滿足題目要求。因此選擇方案三，該方案完全根據(jù)題目測量精度進(jìn)展選擇，既能夠滿足題目精度，本錢也比擬低。1.3控制器局部方案一：FPGA +彩色液晶+按鍵，程序執(zhí)行率很高，運(yùn)行速度很快。方案二：ARM單片機(jī)+OLED，功能強(qiáng)大，功耗低。方案三：采用IAP15F2K6

8、1S2單片機(jī)做為控制器，OLED作為顯示器。本錢低，操作簡單。方案論證與選擇：方案一雖然程序執(zhí)行率高，運(yùn)行速度快，但本錢較高，對(duì)硬件要求很高，程序相對(duì)復(fù)雜。方案二控制能力強(qiáng)，速度快。但相比于方案三來說，方案三操作方便、用法簡單，并且價(jià)格更廉價(jià)。因此選擇方案三，該控制、顯示方案本錢低、編程簡單，完全滿足電子稱之類的簡單應(yīng)用。1.4人機(jī)交互界面按鍵方案一：利用專用芯片式設(shè)計(jì)。專用鍵盤處理芯片一般功能比擬完善，芯片本身能完成對(duì)按鍵的編碼、掃描、消抖等問題的處理，甚至還集成了顯示接口功能，可靠性高，口簡單，使用方便，適合處理按鍵較多的情況。方案二：利用44矩陣鍵盤。用I/O口線組成行、列構(gòu)造，按鍵設(shè)置

9、在行列的交點(diǎn)上。例如，用22的行列構(gòu)造可構(gòu)成4個(gè)鍵的鍵盤，44行列構(gòu)造可構(gòu)成16個(gè)鍵的鍵盤。方案三：利用5個(gè)獨(dú)立按鍵，分別選擇功能。方案論證與選擇：方案一雖然功能強(qiáng)大，但本錢比擬高，所以不選擇。方案二中按鍵較多，相對(duì)于專用芯片式可以節(jié)省本錢，且更為靈活，但根據(jù)實(shí)際情況，我們只需要5個(gè)按鍵就足夠了。因此選擇方案三。顯示界面方案一：采用七段LED數(shù)碼管顯示。LED顯示器由八個(gè)發(fā)光二極管中的七個(gè)二極管按a、b、c、d、e、f、g順序組成8字形，另一個(gè)點(diǎn)形二極管放在右下方，用來顯示小數(shù)點(diǎn)。用數(shù)碼管來顯示重量、價(jià)格等數(shù)字。方案二：采用LCD1602液晶顯示。LCD1602可以顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等字符，

10、顯示的容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符。方案三：采用OLED顯示。OLED分辨率高、功耗低，采用有機(jī)發(fā)光原理，所需材料很少，本錢大幅降低方案論證與選擇：方案一只可以顯示數(shù)字，不能顯示字符，所以當(dāng)電子秤的功能變化時(shí)可能會(huì)讓人不知所顯示的是重量還是價(jià)錢等其他項(xiàng)。方案二中LCD1602顯示屏可顯示的容為32個(gè)字符，但我們需要把四種功能同時(shí)顯示出來，所以方案二的字符不夠用，不能采用此方案。方案三可以完成以上要求，且操作簡單、本錢低。因此選擇方案三。1.5系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖圖1-2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖第2章系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)2.1數(shù)據(jù)采集局部測量電路圖2-1 全橋測量電路圖2-1為全橋測量電路，此電路由四

11、個(gè)電阻應(yīng)變式傳感器、電阻與滑動(dòng)變阻器組成。電橋的一個(gè)對(duì)角線接入工作電壓E-4V4V，另一個(gè)對(duì)角線為輸出電壓Uo。其特點(diǎn)是：當(dāng)四個(gè)橋臂電阻到達(dá)相應(yīng)的關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計(jì)來測量，所以電橋能夠準(zhǔn)確地測量微小的電阻變化。在加上Rw1，就可以調(diào)節(jié)零點(diǎn)漂移，到達(dá)溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?。在測量時(shí)，當(dāng)物體的重量不同，電橋不平衡程度不同，指針式電表指示的數(shù)值也不同?；瑒?dòng)電阻器Rw1作為物體重量彈性應(yīng)變的傳感器，組成零調(diào)整電路，當(dāng)載荷為0時(shí)，調(diào)節(jié)Rw1使數(shù)碼顯示屏顯示零。但在調(diào)好后，在稱重時(shí)不能再改變它，以免產(chǎn)生誤差。當(dāng)給電路輸入-4V4V時(shí)，可以計(jì)算出輸出電壓為：2-1當(dāng)應(yīng)變片初始值

12、R1=R2=R3=R4，其變化值R1=R2=R3=R4時(shí)，其電橋輸出電壓為：2-2其中R/R為電阻絲電阻的相對(duì)變化、K為靈敏度系數(shù)、為電阻絲長度相對(duì)變化。本次設(shè)計(jì)中，我們采用4個(gè)根底電阻均為1000的電阻應(yīng)變片構(gòu)成如圖2-1所示的全橋測量電路。并且在全橋電路中串聯(lián)一個(gè)5000的滑動(dòng)變阻器，在滑動(dòng)端再串聯(lián)一個(gè)10k的電阻用來電路調(diào)零。選擇1000的電阻應(yīng)變片是因?yàn)楫?dāng)電橋產(chǎn)生形變時(shí)，電橋輸出端的壓差會(huì)更大，便于采集。放大電路圖2-2 放大電路圖2-2為差動(dòng)放大電路，其輸入阻抗大，增益倍數(shù)高。IN+、IN-是電橋的輸出端，即輸入U(xiǎn)o的值。OUT+、OUT-為電路的輸出端，即輸出放大后的Uo的值。此電

13、路由三級(jí)放大電路組成，第一級(jí)增益倍數(shù)：2-3第二級(jí)增益倍數(shù)：2-4第三級(jí)增益倍數(shù)：2-5計(jì)算可得第一級(jí)增益為11，第二級(jí)增益與第三級(jí)增益均為5。所以，整個(gè)系統(tǒng)的增益：2-6即整個(gè)差動(dòng)電路的增益倍數(shù)為275。電壓采集電路圖2-3 電壓采集電路圖2-3是電壓采集電路，+IN為同向輸入端，輸入模擬信號(hào)。時(shí)鐘輸入端、數(shù)據(jù)輸出端、片選端/低功耗模式選擇端分別連接單片機(jī)的P3.7、P4.1、P4.2口。ADS1286則把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)做處理。ADS1286為12位分辨率的微功耗A/D轉(zhuǎn)換芯片，通過TL431穩(wěn)壓電路得到4.096V的基準(zhǔn)電壓：2-72-8 A/D轉(zhuǎn)化的數(shù)字量為：2-9其中

14、為TL431的基準(zhǔn)電壓2.5V，為A/D的基準(zhǔn)的電壓，為A/D的采集電壓。2.2控制器局部圖2-4 主體控制電路如圖2-4所示，此電路核心IAP15F2K61S2單片機(jī)，控制LED和蜂鳴器實(shí)時(shí)聲光指示系統(tǒng)工作狀態(tài)，控制OLED實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，I/O端口控制A/D的轉(zhuǎn)換。按鍵輸入選擇不同的工作模式。2.3人機(jī)交互界面按鍵五個(gè)獨(dú)立按鍵K1、K2、K3、K4、K5分別連接單片機(jī)的P4.7、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5口。K1用來選擇步進(jìn)量程，即單價(jià)中的十位、個(gè)位與分位；K2為步進(jìn)加一；K3為步進(jìn)減一；K4為累計(jì)，即可以累計(jì)價(jià)錢；K5為去皮功能。顯示界面圖2-5 OLED接口電路圖圖2-5

15、為OLED接口電路圖，其1腳和2腳分別接地和電源，3腳為時(shí)鐘信號(hào)輸入端，4腳為數(shù)據(jù)傳輸口。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)到來時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給液晶屏。2.4其他系統(tǒng)電源圖2-6 系統(tǒng)電源圖2-6為系統(tǒng)電源電路圖，其電壓經(jīng)過變壓器變壓之后再通過整流濾波變成一個(gè)直流電源，利用三段穩(wěn)壓集成模塊LM78*系列對(duì)電壓進(jìn)展穩(wěn)壓。如圖2-7所示，78L12是一個(gè)+12V的穩(wěn)壓芯片，78L05是一個(gè)+5V的穩(wěn)壓芯片，79L12是一個(gè)-12V的穩(wěn)壓芯片，79L05是一個(gè)-5V穩(wěn)壓芯片。經(jīng)過上面的三端穩(wěn)壓之后可得到一組+/-12V和一組+/-5V的電壓。+/-12V給運(yùn)放電路供電，+5V給最小系統(tǒng)供電。語音播報(bào)局部語音播報(bào)局部由控制器模

16、塊、SYN6658語音合成芯片、功放模塊、電源和喇叭五局部構(gòu)成。主控制器和SYN6658語音合成芯片之間通過UART接口連接，控制器可通過通訊接口向SYN6658語音合成芯片發(fā)送控制命令和文本，SYN6658芯片把接收到的文本合成為語音信號(hào)輸出，輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大器進(jìn)展放大后連接到喇叭進(jìn)展播放。當(dāng)電子秤稱重時(shí)，按下K4按鍵，則語音播報(bào)出物品總金額；按下K5鍵，則語音提示去皮功能開場工作。固件升級(jí)接口圖2-7 固件升級(jí)接口圖2-7是基于PL2303的USB轉(zhuǎn)串口，用于單片機(jī)程序下載，支持軟件更新。PL2303H*采用28腳貼片SOIC封裝，工作頻率為12MHz，符合USB 1.1通信協(xié)議，可以

17、直接將USB信號(hào)轉(zhuǎn)換成串口信號(hào)，波特率從751228800，有22種波特率可以選擇，并支持5、6、7、8、16共5種數(shù)據(jù)比特位。整個(gè)電路由USB接口與USB轉(zhuǎn)串口主芯片構(gòu)成。USB接口部電路主要由三局部組成，分別是USB接頭、USB供電和USB數(shù)據(jù)收發(fā)。USB接頭提供USB的物理接口，通過USB線可與USB設(shè)備連接，其電路圖為圖2-5中USB處。USB供電局部為整個(gè)USB供電，其電路圖為圖2-5中USB的+5V電路與GND。數(shù)據(jù)收發(fā)局部負(fù)責(zé)USB接口與USB轉(zhuǎn)串口主芯片PL2303的通訊，其電路圖在UD-與UD+處。USB轉(zhuǎn)串口主芯片模塊是電路的核心局部，提供USB和串口的橋轉(zhuǎn)換。它主要由三局

18、部組成，分別是USB轉(zhuǎn)串口主芯片PL2303、PL2303工作晶振與PL2303外圍電路。第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1軟件設(shè)計(jì)工具與平臺(tái)開發(fā)平臺(tái)建立在具有微控制信號(hào)處理的IAP15F2K61S2單片機(jī)上。KeilVision4軟件是IAP15F2K61S2單片機(jī)的程序開發(fā)環(huán)境，此軟件支持IAP15F2K61S2單片機(jī)在線調(diào)試功能，極大的方便了程序員的程序編寫工作。3.2軟件設(shè)計(jì)思想本次軟件設(shè)計(jì)采用C語言，利用單片機(jī)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)展控制，以及數(shù)據(jù)的處理，輸出并顯示。1利用單片機(jī)控制A/D模塊采集放大后的微弱電信號(hào)。2將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展處理后通過OLED顯示屏顯示出來。3通過檢測按鍵來實(shí)現(xiàn)設(shè)置稱重物品單價(jià)

19、，累計(jì)以及去皮功能。由于放大電路將微弱的電壓信號(hào)放大后同時(shí)也放大了誤差以及信號(hào)的波動(dòng)，在程序上需要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)展濾波，這里采用平均值濾波法，屢次取平均值后得到較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。3.3軟件設(shè)計(jì)流程圖圖3-1 軟件設(shè)計(jì)流程圖第4章系統(tǒng)調(diào)試與測試4.1調(diào)試與測試所用儀器1.臺(tái)式萬用表UT8022.直流穩(wěn)壓電源UTP37023.100MHZ示波器DS1102E4.2調(diào)試過程系統(tǒng)調(diào)試先分模塊調(diào)試，最后進(jìn)展系統(tǒng)調(diào)試。分模塊調(diào)試時(shí)先測定全橋電路與差動(dòng)放大電路的輸出電壓，然后再給A/D電路輸入電壓并測出其電路的輸出電壓，最后計(jì)算出其理論的輸出值與誤差。電路上電前檢查電路是否有虛焊、短路等情況。然后加電檢查芯片插

20、槽電源,看電壓是否正確。斷電后安裝芯片，然后再開電,從電路前端到后端分別測試，測試前端電路各點(diǎn)電壓時(shí)注意盡量防止后端電路對(duì)其造成對(duì)影響。如果發(fā)現(xiàn)異常電壓或者電流等情況一定用嚴(yán)格對(duì)理論分析發(fā)生異常的原因，最后排除異常。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)，一個(gè)一個(gè)模塊電路的增加，最后所有模塊連接好，軟硬件聯(lián)調(diào)。一定要注意各個(gè)模塊之間電平匹配及供電問題。4.3測試過程1. 電壓采集電路A/D轉(zhuǎn)換電路測試，見表一所示。表一電壓采集電路測試數(shù)據(jù)記錄表序號(hào)實(shí)際輸入電壓單位：mV實(shí)際測量電壓單位：mV絕對(duì)誤差相對(duì)誤差單位：%120420041.96240339671.74360259481.33480980091.11510089

21、98100.99612071197100.8371400139190.6481597158980.5091797178890.501020142004100.50112205219780.36122396238790.38132603259490.35142806279880.291530183008100.331632093199100.31173401339380.24183609360090.25193800379280.212039993986130.332.全橋電路測試，見表二所示。表二全橋電路測試數(shù)據(jù)記錄表序號(hào)砝碼重量單位：g理論電壓單位：mv實(shí)測電壓單位：mv絕對(duì)誤差相對(duì)誤差(單

22、位：%102.612.610.000.00252.712.710.000.003102.812.800.010.364203.012.990.020.665303.213.170.041.256403.413.360.051.477503.613.540.071.948704.013.910.102.499904.414.290.122.72101004.614.480.132.82111505.615.400.213.74122006.616.330.284.24132507.617.250.364.73143008.618.190.424.881540010.6110.050.565.28

23、1650012.6111.910.705.553.系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試，見表三所示。表三系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試數(shù)據(jù)記錄表序號(hào)砝碼重量單位：g測量重量單位：g絕對(duì)誤差相對(duì)誤差 (單位：%15.04.70.36.0026.05.70.35.0038.07.70.33.75410.09.70.33.00512.011.70.32.50615.014.80.21.33720.019.80.21.00825.025.00.00.00950.049.90.10.201070.070.00.00.0011100.0100.60.60.6012150.0149.50.50.3313200.0200.20.20.1014250.

24、0250.20.20.0815300.0299.01.00.3316350.0350.30.30.0917400.0399.01.00.2518450.0449.20.80.1819500.0499.10.90.184.4測試結(jié)果1. 重量測試，見表四所示。表四重量測試數(shù)據(jù)記錄表序號(hào)砝碼重量單位：g測量重量單位：g絕對(duì)誤差15.04.70.326.05.70.338.07.70.3410.09.70.3512.011.70.3615.014.80.2720.019.80.2825.025.00.0950.049.90.11070.070.00.011100.0100.50.512150.014

25、9.50.513200.0200.20.214250.0250.20.215300.0299.40.616350.0350.30.317400.0399.40.618450.0449.20.819500.0499.30.74.5結(jié)果分析題目任務(wù)完成情況及分析設(shè)計(jì)并制作一個(gè)以電阻應(yīng)變片為稱重傳感器的簡易電子秤，電子秤的構(gòu)造需鐵質(zhì)懸臂梁固定在支架上，支架高度不大于40cm，支架及秤盤的形狀與材質(zhì)不限。懸臂梁上粘貼電阻應(yīng)變片作為稱重傳感器。完全實(shí)現(xiàn)：手工制作了一臺(tái)鐵質(zhì)懸梁臂、木質(zhì)支架的簡易電子秤，其支架高度為20厘米，懸梁臂上粘貼4片電阻應(yīng)變片構(gòu)成全橋測量電路。電子秤可以數(shù)字顯示被稱物體的重量，單位克g。實(shí)