簡易數(shù)字電子秤設(shè)計

1、數(shù)字電子秤摘要本課程設(shè)計制作的電子稱以89c52單片機(jī)為控制器，利用電阻應(yīng)變式稱重傳感器的全橋式稱重原理，及通過受力改變內(nèi)部應(yīng)變片的阻值使，電路的輸出電壓與傳感器所受壓力成線性關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計思路為將傳感器所測得的電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將此轉(zhuǎn)換數(shù)值與具體重量相對應(yīng)，再將最終數(shù)值通過1602液晶屏顯示。由于此稱重傳感器在受壓時形變量小，使輸出電壓信號十分微弱，于是本設(shè)計采用運放連接成差分放大電路將其微弱的信號進(jìn)行放大處理，再通過AD0809將此模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，輸送給單片機(jī)，由單片機(jī)來控制其重量的顯示。關(guān)鍵詞：89c52，全橋式稱重傳感器，AD0809。The Digital E

2、lectronic ScaleAbstract：The design of digital electronic scale uses the chip 89c52 as its monitor, and sets up the mathematical model that bases the principles of Full Bridge system weighing sensor, whose characteristic is the output voltage change is linearity with the pressure on the foil gage .Th

3、e design thought is making the analog output of voltage into digital quantity ,then make it match with the weight specific ,finally display the data through the 1602LCD .As the change of the resistance value on foil gage is very small so as the original output voltage ,so uses the operational amplif

4、ier to amplify the signal and then input to the AD0809 chip to transform it into digital quantity , which finally inputted into 89c52 microcontroller ,and the 89c52 microcontrollers task is manipulating the date and making the LCD display the number.Key words： 89c52 microprocessor , semi-bridge syst

5、em weighing sensor, AD0809 chip.目 錄1 系統(tǒng)設(shè)計31.1 設(shè)計要求31.2 總體設(shè)計方案31.2.1 設(shè)計思路31.2.2 方案論證與比較31.2.3 模塊組成52 硬件電路設(shè)計62.1 模擬信號處理部分62.1.1 信號采集部分62.1.2 信號的放大處理72.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換102.3 數(shù)字信號的處理部分112.3.1 單片機(jī)控制LCD顯示123 軟件設(shè)計144系統(tǒng)測試154.1 測試使用的儀器及工具154.2 指標(biāo)測試及測試結(jié)果154.3 結(jié)果分析155結(jié)論16參考文獻(xiàn)17附錄1元器件清單:18附錄二 電路原理圖及印制板圖191信號放大部分電路原理圖及PCB

6、圖192信號處理部分電路原理圖及PCB圖21附錄三 程序清單231 系統(tǒng)設(shè)計1.1 設(shè)計要求設(shè)計制作一個電子稱的電路，稱重范圍分為三檔，0-1.999kg、0-19.99kg、0-199.9kg。用三位半數(shù)字表頭顯示稱重結(jié)果。具有量程自動轉(zhuǎn)換功能。1.2 總體設(shè)計方案1.2.1 設(shè)計思路應(yīng)變式稱重傳感器是將電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，但電阻因受力變化很小，使傳感器輸出的信號較小，需要先進(jìn)行放大處理，并且輸出的信號是電壓量，為模擬信號，而單片機(jī)能處理的信號是數(shù)字信號，因此需先將信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換再輸入單片機(jī)中進(jìn)行處理并控制1602LCD顯示其重量。1.2.2 方案論證與比較（一）控制部分的方案論證與

7、選擇方案一：采用89C52作為控制核心。51單片機(jī)具有主頻12M,三十二個I/O引腳，8K flash程序存儲空間，256 byte RAM , 三個定時、計數(shù)器，五個中斷源，且價格低廉，C語言程序編寫容易，控制方便。方案二：采用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高。由于其集成度高，使其成本偏高，同時其芯片引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。方案三：采用ARM7芯片LPC2148，具有512K flash程序存儲空間、主頻達(dá)48M、三個定時器、四個外部中斷、內(nèi)部RTC、采用三級流水線模式運行程序，擁有I2

8、C、SPI、UART等通信接口。同時其芯片引腳也較多，不便控制。且價格較貴。方案選擇：本系統(tǒng)可以采取89C52 、FPGA、ARM三種控制器。ARM比89C51單片機(jī)具有更強(qiáng)大的控制功能、更快的運行速度，可更快捷地進(jìn)行高精度的測量，但本設(shè)計運行速度要求不高，89C52就能滿足所需要的功能。因此綜合考慮選擇89C52作為控制部件。（二）模數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示部分的方案論證與選擇方案一 ：將放大后的信號輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片TCL2573進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由于此芯片可直接用于數(shù)字顯示，故轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量直接用數(shù)碼顯示器進(jìn)行顯示。此方案的優(yōu)點是外部電路非常簡單，能實現(xiàn)較高的精度。缺點是無法對A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制。其方

9、案圖如圖1.1?；赥CL2573的AD轉(zhuǎn)換數(shù)碼管顯示圖1.1 方案一方框圖方案二：將放大后的信號輸入到AD0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將得到的數(shù)字信號送至單片機(jī)進(jìn)行處理并送入液晶顯示。此方案的優(yōu)點是可控制性好，可通過軟件的編程實現(xiàn)換擋，電路簡單，液晶的硬件電路也比數(shù)碼管的簡單，且技術(shù)領(lǐng)先于數(shù)碼管，可顯示的內(nèi)容也比數(shù)碼管多。采用單片機(jī)對數(shù)據(jù)稍加處理，能通過軟件在一定程度上彌補(bǔ)與調(diào)試硬件所無法避免的數(shù)據(jù)抖動，使最終所測得的數(shù)據(jù)更可靠、參考性更強(qiáng)，而且價格也不貴。其方案圖如圖1.2。基于AD0809的模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機(jī)液晶屏顯示換擋控制圖1.2 方案二方框圖1.2.3 模塊組成本設(shè)計模塊主要分為三個部分，

10、信號采集放大部分與模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號的處理顯示部分。其中信號采集部分主要是運算放大器對信號的放大，數(shù)據(jù)處理及顯示部分主要是用AD進(jìn)行對模擬數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及用液晶對數(shù)據(jù)的顯示。其模塊方框圖如圖1.3稱重傳感器信號采集放大模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機(jī)控制液晶屏顯示圖1.3 模塊框圖2 硬件電路設(shè)計2.1 模擬信號處理部分2.1.1 信號采集部分 電阻應(yīng)變式傳感器是把電阻應(yīng)變計粘貼在彈性敏感元件上，然后以適當(dāng)?shù)姆绞浇M成電橋的一種將力（重量）轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。電阻應(yīng)變式稱重傳感器包括兩個主要部分，一個是彈性敏感元件：利用它將被測的重量轉(zhuǎn)化為彈性體的應(yīng)變值；另一個是電阻應(yīng)變計：它作為傳感元件將彈性體的應(yīng)變同步的轉(zhuǎn)換為電阻

11、的變化。電阻應(yīng)變片的電阻變化率大約在10e-6到10e-2數(shù)量級之間。這樣小的電阻變化用一般測量電阻的儀表很難測出，必須用一定形式的測量電路將微小的電阻變化率轉(zhuǎn)變成電壓或電流的變化，才能用二次儀表顯示出來，在電阻應(yīng)變式稱重傳感器中，通過橋式電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理框圖如圖2.1應(yīng)變片測量電橋敏感元件載荷P 應(yīng)變x 電阻變化 輸出圖2.1 電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理框圖因為單個稱重傳感器的量程是50KG，如果要達(dá)到設(shè)計要求，就要用四個稱重傳感器構(gòu)成全橋測量，其連接后的電路等效圖見圖2.2圖2.2 稱重傳感器全橋式連接上圖中，B傳感器紅色引線接電源正，D傳感器紅

12、色引線接電源負(fù)，為此傳感器提供工作電源。A傳感器紅色引線輸出正信號，B傳感器紅色引線輸出負(fù)信號。作為原始輸出信號。2.1.2 信號的放大處理鑒于用示波器測得稱重傳感器輸出電壓信號非常小，為毫伏級，不便于處理，需加外部放大電路來獲得足夠的增益，綜合考慮一些常用運放電路的特點，差動放大電路具有輸入阻抗為無窮大，對小信號的放大影響小，因此，選擇差動放大器進(jìn)行前級放大，然后，再用兩級放大提高放大倍數(shù)，以便進(jìn)行量程切換。差動放大電路的連接電路圖如圖2.3 圖2.3 前級差動放大根據(jù)理想運算放大虛短、虛斷的特點，可推出此差動放大電路的放大倍數(shù)為：A=-R6/R4*(1+2R1/R3)圖2.4 后級放大前一

13、部分的放大倍數(shù)A1=10，后一部分的放大倍數(shù)也為10。OUT1是作為20kg200kg量程的模擬信號輸出，OUT2作為2kg20kg量程的模擬信號輸出，OUT3作為0kg2kg量程的模擬信號輸出。仿真圖如2.5。圖2.5 信號放大仿真圖 2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模擬量要輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，首先要進(jìn)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)才能接收，處理。在此，采用AD0809。ADC0809 是8 位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道,允許8 路模擬量分時輸入，共用A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存

14、A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。ADC0809 要求輸入模擬量的信號為單極性的，電壓范圍是05V，若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。其引腳圖2.6圖2.6 AD0809引腳圖其中IN0IN7為8 條模擬量輸入通道 ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE 線為高電平時，地址鎖存譯碼器將A， B，C 三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，將譯碼后被選中的通道的模擬量輸入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B 和C 為地址輸入線，用于選通IN0IN7 上的一路模擬量輸入。通道選擇

15、表如下表所示： C B A 選擇的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 ST 為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)ST為上升沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST 應(yīng)保持低電平。EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC 為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 D7D0為數(shù)字量輸出線。 CLK為時鐘輸入信號線。因A

16、DC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ， VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。鑒于AD0809的特點及工作原理，其所需的時鐘信號可通過將從單片機(jī)的31腳輸出的2MHz的信號經(jīng)74ls290進(jìn)行4分頻來獲取。由于ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51 單片機(jī)直接相連。此外，由于傳感器部分只有三路信號的輸出，因此只需將三路模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，只需兩根地址輸入線來控制所需數(shù)量的通道的開啟，在此選用A、B地址線分別與單片機(jī)引腳P10和P11相連，而C地址線始終接地電平，此時由通道選擇表可知，只有IN0IN4會循環(huán)開啟。編程實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)

17、換功能時應(yīng)注意：初始化時使ST 和OE信號全為低電平，將要轉(zhuǎn)換的通道的地址送到A，B，C端口上，在ST 端給出一個至少有100ns 寬的正脈沖信號。根據(jù)EOC 信號來判斷是否轉(zhuǎn)換完畢，當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE 為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。其實際電路的連接，及程序的編寫請見后文附錄。 2.3 數(shù)字信號的處理部分將AD0809的DOD7引腳與單片機(jī)的片P3口相連，將由AD0809轉(zhuǎn)換后的信號輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)接收到信號后，在內(nèi)部程序的控制下，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。單片機(jī)與AD0809引腳之間的連接如2.7所示：圖2.7 單片機(jī)與AD芯片引腳連接圖由于ST引腳與ALE引腳的控制信號在

18、此是同步的，因而可以將其連接在一起，由一路信號控制。 2.3.1 單片機(jī)控制LCD顯示1602可顯示16*2的內(nèi)容，即可以顯示兩行，每行16個字符。其指令代碼的操作如下：基本操作時序：1 讀狀態(tài)：輸入：RS=L,RW=H,E=H 輸出：D0D7=狀態(tài)字2 寫指令：輸入：RS=L,RW=L, D0D7=指令碼，E=高脈沖 輸出：無3 讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=H,RW=H,E=H 輸出：D0D7=數(shù)據(jù)4 寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=H,RW=L, D0D7=數(shù)據(jù),E=高脈沖 輸出：無初始化過程：1 延時 15ms2 寫指令 38H（不檢測忙信號）3 延時5ms4寫指令 38H（不檢測忙信號）5延時5ms6寫指

19、令 38H（不檢測忙信號）7（以后每次寫指令、讀/寫數(shù)據(jù)操作之前均需檢測忙信號）8 寫指令 38H；顯示模式設(shè)置9 寫指令 08H；顯示關(guān)閉10 寫指令 01H；顯示清屏11 寫指令 06H;顯示光標(biāo)移動設(shè)置12 寫指令0CH；顯示開及光標(biāo)設(shè)置3 軟件設(shè)計 基于調(diào)試的方便性和可靠性，程序采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，把總的編程過程逐步細(xì)分，分解成一個個功能子模塊，每個功能模塊相互獨立，每個模塊都能實現(xiàn)某個具體的功能。本設(shè)計按任務(wù)模塊劃分的程序主要有LCD初始化程序，主程序，A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序。程序流程圖如下：開始初始化測量AD0通道數(shù)據(jù)是否大于20kg 否 是采樣AD0通道數(shù)據(jù)5

20、0次采樣AD1通道數(shù)據(jù)50次取平均值顯示圖3.1程序設(shè)計流程圖4系統(tǒng)測試 4.1 測試使用的儀器及工具 標(biāo)準(zhǔn)電子秤 4.2 指標(biāo)測試及測試結(jié)果采用電子秤模塊測物體體重，所得數(shù)據(jù)結(jié)果如表4.1所示。表4.1 測試結(jié)果實際重量（kg）0.813.128.0033.2056.01測量重量（kg）00.803.208.0033057測量誤差（kg）0.010.0800.201.01 4.3 結(jié)果分析基本達(dá)到所要求的指標(biāo)，但測量的精度不是很高，測量值與實際值有一定的誤差。誤差分析：1.受傳感器本身的影響，因此是利用應(yīng)變片受力發(fā)生形變而將電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出，其形變量與所受力不可能完全成線性關(guān)系，且其

21、彈性形恢復(fù)慢，受壓后可能無法恢復(fù)到原來狀態(tài)，這就可能引入很大的誤差，所以使用一段時間后必須調(diào)零。2受AD轉(zhuǎn)換芯片的影響，8位的AD0809的分辨率有限，對于小的電壓變化無法分辨出來，導(dǎo)致最終結(jié)果有一定的偏差。5結(jié)論本設(shè)計實現(xiàn)了用電阻應(yīng)變式稱重傳感器測量物體重量的功能，能將所測物體的重量通過液晶屏明了的顯示，并可實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換量程的功能，比較理想的實現(xiàn)了設(shè)計指標(biāo)的要求，除此之外，該模塊還可以實現(xiàn)手動調(diào)零的功能。心得體會：通過設(shè)計該課程設(shè)計學(xué)到了很多東西，除了對軟件、硬件的設(shè)計還包括對電子稱的安裝設(shè)計。因為量程達(dá)到200kg，所以電子稱本身要結(jié)實，反反復(fù)復(fù)找了幾次材料，最終總算是做出個簡易電子稱。考

22、慮到傳感器本身的性能，在自動切換量程方面，大量程（0-200.0kg）的設(shè)計難度不算太大，小量程（0-2.000kg）最為困難,因為傳感器本身就不是很靈敏，在受到很大壓力時形變也很小，對于小的壓力感應(yīng)不出來。再說如果真把AD采樣精確到0.001kg，則相應(yīng)的AD芯片的轉(zhuǎn)換的頻率就要達(dá)到19位，尚且不說有無19位的AD，即使有也因直流放大后的信號也沒那么穩(wěn)定，才用高轉(zhuǎn)換頻率的AD也無多大的意義，所以采用了八位AD,且只利用其3路放大信號輸出，這也是本設(shè)計精髓的地方。參考文獻(xiàn)（1） 黃智偉全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽制作實訓(xùn)北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007（2） 黃智偉全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)

23、計北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006（3） 黃智偉全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電路設(shè)計北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006（4） 黃智偉等.基于multisim2001的電子電路計算機(jī)仿真設(shè)計與分析.北京：電子工業(yè)出版社，2004（5） 黃智偉.印制電路板（PCB）設(shè)計技術(shù)與實踐. 北京：電子工業(yè)出版社，2009（6） 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ).數(shù)字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社，2006（7） 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分（第五版）.北京：高等教育出版社，2006（8） 黃智偉單片無線收發(fā)集成電路原理與應(yīng)用北京：人民郵電出版社，2005（9） 楊寶清.實用電路手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版

24、社.2002 （10） 集成電路查詢網(wǎng)：（11） 電子電路查詢網(wǎng)：附錄1元器件清單: 附錄二 電路原理圖及印制板圖1信號放大部分電路原理圖及PCB圖原理圖圖1.1 信號放大部分原理圖PCB圖圖1.2 信號放大部分 底層PCB圖圖1.3信號放大部分 頂層PCB圖2信號處理部分電路原理圖及PCB圖 原理圖圖1.4 信號處理部分原理圖PCB圖圖1.5 信號處理部分 底層PCB圖圖1.6 信號處理部分 頂層PCB圖附錄三 程序清單/電子秤.c#include 1602.hsbit st=P12;sbit eoc=P13;sbit oe=P14;uchar mydat50,dat0=0;uint dat

25、1=0;void delayms(uint t)uint i=0,j=0;for(i=0;i110;i+)for(j=0;j=23)for(i=0;i50;i+)ad(2);mydati=dat0;dat1+=dat0;dat0=dat1/60;dat1=0;lcd_pos(0); /在液晶屏上顯示位置lcd_wdat(0x30+dat0/100);/在液晶屏上顯示數(shù)據(jù)lcd_pos(1); lcd_wdat(0x30+dat0/10%10);lcd_pos(2);lcd_wdat(0x30+dat0%10);lcd_pos(3);lcd_wdat(k);lcd_pos(4);lcd_wdat

26、(g);elsefor(i=0;i50;i+)ad(1);mydati=dat0;dat1+=dat0;dat0=dat1/54;dat1=0;lcd_pos(0);lcd_wdat(0x30+dat0/100);lcd_pos(1);lcd_wdat(0x30+dat0/10%10);lcd_pos(2);lcd_wdat(.);lcd_pos(3);lcd_wdat(0x30+dat0%10);lcd_pos(4);lcd_wdat(k);lcd_pos(5);lcd_wdat(g);delayms(200);/1602c#include 1602.hsbit LCD_RS = P37;

27、sbit LCD_RW = P36;sbit LCD_EN = P15;void delay1(int ms) unsigned char y; while(ms-) for(y = 0; y250; y+) _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /*/* */*檢查LCD忙狀態(tài) */*lcd_busy為1時，忙，等待。lcd-busy為0時,閑，可寫指令與數(shù)據(jù)。 */* */*/ bit lcd_busy() bit result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EN = 1; delayNOP(); result = (bit)(P0&0x80); LCD_EN = 0; return(result); /*/* */*寫指令數(shù)據(jù)到LCD */*RS=L，RW=L，E=高脈沖，D0-D7=指令碼。 */* */*/void lcd_wcmd(uchar cmd) while(lcd_busy(); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; _nop_()