電子秤設計與制作

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1設計的任務與要求 21.1設計基本概述 21.2設計要求 2方案論證與選擇 22.1電子稱的系統(tǒng)方案 2\o"CurrentDocument"3壓力傳感器 31應變片 42惠斯通電橋 4\o"CurrentDocument"放大電路 6A/D轉(zhuǎn)換模塊 7\o"CurrentDocument"LCD12864顯示電路 87系統(tǒng)電路總圖及原理 88總結(jié) 8創(chuàng)新創(chuàng)意設計以及后續(xù)開發(fā)\o"CurrentDocument"參考文獻 9附錄入：元器件清單 101設計的任務與要求1.1任務的基本概述設計并制作一個以電阻應變片為稱重傳感器的簡易電子秤，電子秤的結(jié)構(gòu)如右圖所示。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變片作為稱重傳感器。應變片1.2要求（1）電子秤可以數(shù)字顯示被稱物體的重量，單位克（g）；（10分）（2）電子秤稱重范圍5.00g~500g；重量小于50g，稱重誤差小于0.5g；重量在50g及以上，稱重誤差小于1g；（50分）(3)電子秤可以設置單價（元/克），可計算物品金額并實現(xiàn)幾種物品金額的累加;(15分)(4)電子秤具有去皮功能，去皮范圍不超過100g;(15分)(5)其他。（10分）(6)設計報告:（20分）滿分主要內(nèi)容滿分萬案論證比較與選擇，方案描述3理論分析與計算系統(tǒng)相關參數(shù)設計5電路與程序設計系統(tǒng)組成，原理框圖與各部分的電路圖，系統(tǒng)軟件與流程圖5測試方案與測試結(jié)果測試結(jié)果完整性，測試結(jié)果分析5設計報告結(jié)構(gòu)及規(guī)范性摘要，正文結(jié)構(gòu)規(guī)范，圖表的完整與準確性。2總分20*說明鐵質(zhì)懸臂梁可用磁鐵檢驗，懸臂梁上所用電阻應變片的種類、型號、數(shù)量自定。測試時以符合稱重誤差的砝碼為重量標準。方案論證2.1電子稱的系統(tǒng)方案電子秤系統(tǒng)方案：電子秤的系統(tǒng)流程圖：被測物體f壓力傳感器f放大電路一AD轉(zhuǎn)換模塊一51單片機（算法）一鍵盤!LCD12864顯示模塊基本思路：所測重量經(jīng)過應變片變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，再經(jīng)過測量電路轉(zhuǎn)化為電壓變化，經(jīng)過放大電路放大調(diào)節(jié)后輸出顯示得到所需信號。經(jīng)過對51單片機的編譯，對所得信號進行運算處理，得到需要的結(jié)果并在LCD12864上顯示。MCU的選擇：基于對成本的考慮，我們采用了價格低廉的編譯空間大的STC12C5A60S2芯片。以便保存較多的中文字符組。使用C52將會出現(xiàn)ROM口空間不夠的情況。3壓力傳感器測量電路電阻應變片把機械應變信號轉(zhuǎn)換成電阻變化后，由于應變量及其應變電阻變化一般都很微小，既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應變計的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，以便于測量。具有這種轉(zhuǎn)換功能的電路稱為測量電路。

電橋電路是目前廣泛采用的測量電路，常見的直流電橋電路如圖2,Uo=U （式1）R1、R2、R3、R4為四個橋臂，當一個臂、兩個臂或四個臂接入應變片時，就相應構(gòu)成了單臂、雙臂和全臂工作電橋。下面分別就單臂、半橋和全橋電路進行討論。(1)單臂工作電橋如圖3所示，R1為電阻應變片，R2、R3、R4為固定電阻。應變片未受力時電橋處于平衡狀態(tài)，R1R3=R2R4,輸出電壓U0=0，當承受應變時，R1阻值發(fā)生變化，設為R1+AR，電橋不平衡，產(chǎn)生輸出電壓為Uo=((R1+AR)R3-R2R4)/((R1+AR+R2)(R3+R4))設R1=R2=R3=R4=R,又ZR<<R1則Uo電/4AR/R(2)雙臂工作電橋若在兩個橋臂上計入電阻應變片，其他橋臂為固定電阻，則構(gòu)成雙臂工作電橋，如圖4,R1、R2為電阻應變片，R3、R4為固定電阻。當應變片承受應變時，R1電阻增大甌，R2電阻減小甌，這種電橋成為差動電橋。圖4雙臂工作電橋此時電橋不再平衡，輸出電壓為Uo=U/22R/R由式知半橋的輸出是線性的沒有非線性誤差問題，而且靈敏度比單臂提高了一倍。全臂工作電橋若四個橋臂上全為電阻應變片，則構(gòu)成全橋工作電路，如圖5所示，R1、R2、R3、R4全為電阻應變片。承受應變時，R1、R3電阻增大ZR，R2、R4電阻減小&圖5全臂工作電橋Uo=UAR/R由式知，全橋的電壓輸出是線性的，沒有非線性誤差問題，而且其靈敏度是單臂的4倍，是半橋的2倍。電子秤實驗采用的是全橋測量電路，我們選取直流電源電壓為8V。所取的應變片未承受應變時阻值R1=R2=R3=R4=1000Q，當測量滿量程200g物體時，測得應變片阻值變化及大約在0.1?0.30之間（參見文章最后實驗數(shù)據(jù)記錄表1、表2）。我們?nèi)R=0.2n,U=5V，則測量電路的輸出電壓為Uo=UAR/R吟.0010V。由于所選的AD模塊AD7705處理小于50mV以下的電壓變化線性狀態(tài)不理想，所以需要對電橋信號進行放大。放大電路、放大電路的討論以及決定：LM324參數(shù)：LM324系列運算放大器是價格便宜的帶差動輸入功能的四運算放大器?？晒ぷ髟趩坞娫聪拢妷悍秶?.0V-32V或+16V.LM324的特點：短跑保護輸出2.真差動輸入級3.可單電源工作：3V-32V應用：LM324主要應用于一般精度的放大電路。OP07參數(shù)：OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25成），所以OP07在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。特點：超低偏移：150pV最大。低輸入偏置電流：1.8nA。低失調(diào)電壓漂移：0.5應/°C。超穩(wěn)定，時間：2pV/month最大高電源電壓范圍：±3V至±22VOP07管腳圖應用：OP07是一個高精度，低噪音，低失調(diào)，低溫漂的放大器，一般用于微信號放大的儀表電路或傳感器電路。經(jīng)過討論，這個電子秤的輸出信號很微弱，所以應該采用相對比較高精度的OP07放大器。通過對電橋的調(diào)試，輸出的信號大概只有幾毫伏的變化，所以我們需要把這個輸出信號放大，為了達到設計要求，我們需要放大60多倍，為了有更好的精準度，決定采用二級放大，也就是采用差動放大。OP07兩級放大模塊該電路由三個運算放大器組成，Vol、Vo2和Vo分別為三運放的輸出電壓。分析電路知流過R2、R1的電流相等，設為I，可以計算出理想的輸出電壓Vo.TOC\o"1-5"\h\zI=(Vi1-Vi2)/R1 (式7)Vo1=Vi1+R2i (式8)Vo2=Vi2-R2i (式9)Vo=R4/R3(Vo1-Vo2)=R4/R3(1+2R2/R1)(Vi1-Vi2) (式10)下面就各電阻應取阻值大小進行分析：前面已經(jīng)計算過，差動放大電路的差模輸入只有幾毫伏的變化,而要求的最終輸出電壓為幾百毫伏（700mV左右），故需將Uo放大60多倍。由式（10）知差分放大電路的放大倍數(shù)為R4/R3（1+2R2/R1），主要由R4/R3及R2/R1的值決定，但R1、R3太小會從集成運放中獲取太大的電流，太大的R4、R2會增加電阻產(chǎn)生的噪聲，故其放大倍數(shù)不宜太大，我們可先通過差分放大電路將電壓信號放大至300mV左右，再通過后續(xù)的放大電路將其進一步放大以達到所要求值。實驗中取R2=15kQ，R3=10kQR4=20kQ,而將R1用一個1kQ固定電阻，即放大倍數(shù)為2（1+2*15/1）=62。差動放大電路具有以下優(yōu)點：1） 高輸入阻抗。被提取的信號是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號，為了減少信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。2） 高共模抑制比。電路對共模信號幾乎沒有放大作用，共模電壓增益接近零。3） 低噪聲、低漂移。主要作用是對信號源的影響小，拾取信號的能力強，以及能夠使輸出穩(wěn)定。4） 電路的增益可以通過改變電阻R1阻值來調(diào)節(jié)。4.AD轉(zhuǎn)換模塊結(jié)合題目要求，要求中需要制作一個精度精確到0.5，量程為0-500g的電子秤。我們選用了AD7705芯片作為AD轉(zhuǎn)換芯片。

AD7705是美國模擬器件公司（其在中國注冊公司為：亞德諾半導體技術有限公司）生產(chǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7705為完整16位、低成本、》照ADC,適合直流和低頻交流測量應用。AD7705采用SPIQSPI兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器和DSP連接，也比并行接口方式大大節(jié)省了CPU的IO口。下應用電路中，采用80C51控制AD7705,對橋式傳感信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。此方案采用二線連接收發(fā)數(shù)據(jù)。AD7705的CS接到低電平。DRDY的狀態(tài)通過監(jiān)視與DRDY線相編程數(shù)字濾波器等部件。能直接將傳感器測量到的多路微小信號進行AD轉(zhuǎn)換。這種器件還具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、自校準、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點，非常適合儀表測量、工業(yè)控制等領域的應用。AIN2HAHALO&+5VSUPPLYDIFFERENTIALANALOG*INPUT■o VlNVoljtQiiqiFDIFFERENTIAL「AMALO<3-INPWTi|QREFiM(-r)ADT?(WDAmREADYAIN2HAHALO&+5VSUPPLYDIFFERENTIALANALOG*INPUT■o VlNVoljtQiiqiFDIFFERENTIAL「AMALO<3-INPWTi|QREFiM(-r)ADT?(WDAmREADYRECEIVE(READ)SERIALDATARE3EMCLKIMMCLKOUTCRYSTALORCERAMICRESOMAJOR國1』 AD7705的基奉連接電路國參數(shù)特點:兩個全差分輸入通道ADC可編程增益前端增益范圍從1至128三線串行接口SPI,QSPI,MICROWIRE,DSP兼容SCLK上可接受施密特觸發(fā)器輸入提供模擬輸入緩沖工作電壓：2.7V至3.3V或4.75V至5.25V功耗：最大1mW(3V)待機電流：最大8A我們選擇了安富萊的TM7705模塊代替AD7705,TM7705與AD7705的整體構(gòu)造結(jié)構(gòu)相同，且已經(jīng)集成了AD7705的最小工作系統(tǒng)圖，節(jié)省了大量的工作量。LCD12864顯示模塊考慮到設計要求中有基于重量的計算，需要顯示重量，單價，總價，名稱等較多數(shù)據(jù)，單獨用數(shù)碼管和1602難以滿足需求，我們采用可以顯示中文的LCD12864來做顯示模塊。液晶顯示模塊是128>64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16X16點陣）、128個字符（8X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM）?？膳cCPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機：8位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標顯示、畫面移位、睡眠模式等。在設計中我們采用了占用單片機I/0口較少的串行連接方式與單片機連接。串行連接時序圖串口連接方式與并口的最大區(qū)別在于傳輸速度上，然而實在實際使用過程中，肉眼基本

h是察覺不到速度的快慢的。所以筆者建議日后對51單片機進行開發(fā)，特別是多功能多模塊開發(fā)的時候，可以選擇采用串口接線的方式連接MCU,這樣可以節(jié)約單片機的資源。由于模塊中自帶中文字符，在編譯中可以直接調(diào)用中文字符庫中的中文，非常方便。省去了大量的取模時間。關于LCD12864的工作原理與程序，這里不做多述。7系統(tǒng)電路的總圖以及原理8總結(jié)在本次任務完成的過程中，我們團隊收獲了許多寶貴的經(jīng)驗，無論是從軟件編譯上還是從硬件制作上。1.硬件部分傳感器的制作：在最初我們打算用應變片做半橋自制傳感器，在制作的過程中存在著各自各樣的問題，例如，在用350歐姆的應變片時，由于應變片長度太短，加上貼片的技術不過關，導致變化不穩(wěn)定，沒辦法取合適的初值給單片機作為參考0點。在用120歐姆的應變片做全橋電路時，由于供給的是5V的穩(wěn)壓直流電壓，電阻較小電流偏大，導致發(fā)熱現(xiàn)象比較嚴重。數(shù)值跳變嚴重，散熱不好處理。一直沒有辦法做出滿意的傳感器。最后采用了性能良好，散熱穩(wěn)定金屬懸臂梁全橋應變片，才取得較為滿意的效果。放大電路的選擇：由于在量程范圍內(nèi)的壓力對電橋電阻變化有限，導致實際變化量在毫伏級，因為電子秤的量程內(nèi)精確值需要到達0.5g，所以對放大電路的穩(wěn)定性以及噪音要求比較高，考慮到常見的基本放大芯片的參數(shù)。最終決定采用低噪音精確差分放大模塊OP07芯片，并由3塊OP07組成的差動放大電路，又叫儀表放大器，來減少對噪音以及溫度升高帶來的影響，達到AD采樣信號穩(wěn)定的目地。軟件部分：在編譯軟件的時候，第一次接觸AD7705的編譯以及12864串口程序，通過學習前輩的程序收益良多。掌握了對AD7705的工作原理后相信對日后其他AD模塊的使用有一定的基礎。通過對AD7705的數(shù)據(jù)進行處理，達到開機置0，去皮的目地。程序總共分LCD12864顯示模塊，鍵盤模塊，AD7705模塊與計算部分。9.創(chuàng)新創(chuàng)意設計以及后續(xù)開發(fā)睡著人們的生活質(zhì)量日益提高，人們有意識的更加注重飲食的質(zhì)量，卡路里的攝入以及身