無線電子秤設計報告

PAGEPAGE17無線電子體重計制作摘要本文設計一種利用采用NRF24L01無線收發(fā)器和應變式壓力傳感器和STC-51單片機等器件制作的無線電子計價秤。該秤可以對15Kg量程范圍內的物體進行稱量，能實現稱重、數碼顯示、計價等功能。同時該多功能電子計價秤具有調用清單、預存商品信息、掉電數據保護、SD卡存儲、溫度顯示等功能。在精度方面采用非線性的補償技術及數字濾波技術,提高了電子計價秤測量的穩(wěn)定性和動態(tài)測量跟隨性。系統(tǒng)運行良好,達到了較高的性能指標。關鍵字：無線；NRF24L01無線收發(fā)器；應變式壓力傳感器；STC-51單片機目錄TOC\o"1-3"\h\u第一章前言 41.1基本要求 41.2發(fā)揮部分 5第二章設計思路 52.1方案選擇 52.1.1系統(tǒng)方案 52.1.2顯示器方案選擇 72.1.3無線收發(fā)芯片選擇 72.1.4溫度傳感器方案選擇 82.1.5壓力傳感器方案選擇 8第三章硬件設計 93.1電阻應變式傳感器電路 93.2低通濾波電路 103.3放大器電路 103.4A/D轉換器 113.5按鍵模塊 123.6溫度顯示模塊 123.7液晶顯示模塊 133.8直流電源模塊 163.9單片機最小系統(tǒng)模塊 16第四章軟件設計 18第五章總結 19第一章前言稱重技術自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應用于工農業(yè)、科研、交通、內外貿易等各個領域，與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設、科學研究、內外貿易不可缺少的計量設備，衡器產品技術水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現代化水平和社會經濟效益的提高。稱重裝置不僅是提供重量數據的單體儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個組成部分，推進了工業(yè)生產的自動化和管理的現代化，它起到了縮短作業(yè)時間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產品質量以及加強企業(yè)管理、改善經營管理等多方面的作用。稱重裝置的應用已遍及到國民經濟各領域，取得了顯著的經濟效益。因此，稱重技術的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國都非常重視。50年代中期電子技術的滲入推動了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現機電結合式電子衡器以來，經過40多年的不斷改進與完善，我國電子衡器從最初的機電結合型發(fā)展到現在的全電子型和數字智能型?，F今電子衡器制造技術及應用得到了新發(fā)展。電子稱重技術從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展：計量方法從模擬測量向數字測量發(fā)展；測量特點從單參數測量向多參數測量發(fā)展，特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應用。通過分析近年來電子衡器產品的發(fā)展情況及國內外市場的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術性能趨向是速率高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應用性能趨向于綜合性和組合性。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設、科學研究、內外貿易不可缺少的計量設備，衡器產品技術水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現代化水平和社會經濟效益的提高。而本設計無線體重計正是當下比較適用的一款“智能”稱重設備。

1.1基本要求

（1）體重測量范圍40kg～80kg，誤差<0.5kg；

（2）顯示位數3位，分辨率0.1kg；

（3）測溫點到接收點距離>2米；（4）可設置體重上限報警；（5）接收點顯示測重點數據及聲光上限報警信號；1.2發(fā)揮部分（1）遙測距離>5米；

（2）誤差<0.2kg；（3）具有特色與創(chuàng)新；（4）測量體重傳輸時間小于5秒；可存儲5個人的體重信息并實現查詢第二章設計思路本設計要制作一臺無線電子體重計。要實現電子體重計的所要求的功能，我們需要選擇合適的傳感器，此傳感器是將壓力信號轉化為電信號，傳感器精度越高，轉換的模擬電壓穩(wěn)定性越高，在此需要用低通濾波電路模塊，對電信號進行整流濾波，再由放大器放大成滿足A/D轉換的電壓條件，將轉換后的數字量傳至單片機中控制液晶顯示，然后數據信號經無線電或紅外線形式發(fā)送出去；接收器，接收到信號后，解調出原始信號并存儲和顯示體重值。SD存儲卡SD存儲卡液晶顯示濾波放大電路AD傳感器壓力信號液晶顯示濾波放大電路AD傳感器壓力信號單片機單片機語音語音無線模塊無線模塊無線數字電子體重計系統(tǒng)框圖無線數字電子體重計系統(tǒng)框圖2.1方案選擇2.1.1系統(tǒng)方案方案一：采用STC89C52單片機作為系統(tǒng)主控制器。STC89C52單片機是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8KB的內存空間。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和系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52單片機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40個引腳，其中有32個I/O引腳。具有以下標準功能：8KB字節(jié)Flash、512字節(jié)RAM、32位I/O口線內置4KBEEPROMMAX810復位電路等等。通過把通用的8位CPU與可在線下載的Flash集成在一個芯片上，STC89C52單片機便成為一個高效的微型計算機。系統(tǒng)原理圖如下圖所示：STC89C52單片機傳感器低放通大濾電STC89C52單片機傳感器低放通大濾電波路A/D轉換顯示按鍵按鍵語音語音SD存儲卡SD存儲卡方案二：采用ATmega16單片機作為系統(tǒng)主控制器。Atmel公司的ATmega16單片機具有先進的RISC(精簡指令集計算機)結構、非易失性程序和數據存儲器，16kB可編程Flash存儲器、512B的EEPROM和1kB片內SRAM，具有豐富的外設接口，其USART(通用同步和異步接收器和轉發(fā)器)是一個高度靈活的串行通信設備，SPI(串行外設接口)允許ATmega16與外設或其他AVR器件進行高速的同步數據傳輸。內部集成高精度10位A/D轉換器。系統(tǒng)原理框圖如下圖所示：顯示顯示低放通大濾電波路A/D低放通大濾電波路A/D轉換ATmega16單片機傳感器按鍵按鍵語音語音方案一中STC89C52單片機的應用范圍廣，可用于解決復雜的控制問題，且成本較低，性價比高。由于其內部沒有集成A/D器，因此它需要外接A/D轉換電路，相對比較復雜，但是成本低，性價比高。方案二中ATmega16單片機作為主控制系統(tǒng)，其內部集成了A/D轉換器，可以節(jié)省外部器件，簡化外部電路，但是ATmega16單片機價格較貴，平時不怎么接觸這種單片機，運用技術不夠成熟。綜合比較，考慮到成本和設計需要，10位A/D能夠滿足題目需求，因此采用方案一。2.1.2顯示器方案選擇方案一：采用LCD12864液晶顯示。12864是一種圖形點陣液晶顯示器,它主要由行驅動器/列驅動器及128×64全點陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示8×4個(16×16點陣)漢字。具有很好的人機界面。方案二：采用七段數碼管顯示。數碼管，顯示大亮度高，驅動部份的軟件簡單，但是耗電和功耗比較大。題目要求最高顯示6位數碼，對數碼管而言硬件電路較復雜，還要顯示萬年歷，如果使用數碼管的話，要使用至少4組1*8的數碼管，會造成單片機I/O接口資源不夠用，連接復雜等問題。因此數碼管不適合完成此功能。方案三：采用LCD1602液晶顯示。1602液晶為5V電壓驅動，帶背光，可顯示2行字符，每行顯示16個字符，不能顯示漢字，內置含128個字符的ASCII字符集字庫，只有并行接口，無串行接口。我們需要用顯示器主要顯示被稱物體的重量、單價、總價、時間和當前檢測的溫度。由于要顯示的內容比較多，具體采用哪種液晶顯示比較合適？綜合上面的內容進行分析我們準備采用方案一和方案三。用一個LCD12864用來顯示被稱物體的重量、單價、總價和當前溫度，由于這幾項的顯示都需要漢字，所以顯示這幾項內容的時候只有用LCD12864。用一個LCD1602來做一個萬年歷來顯示當前的時間，顯示時間可以不出現漢字，只用字符來表示，所以采用LCD1602是最合適的。2.1.3無線收發(fā)芯片選擇方案一：選用nRF401無線收發(fā)芯片。它采用FSK調制解調技術，抗干擾能力強，并采用PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好，發(fā)射功率最大可達10dBm，接收靈敏度最大為－105dBm，數據傳輸速率可達20Kbps，工作電壓在+3～5V之間。nRF401無線收發(fā)芯片所需外圍元件較少，并可直接與單片機串口。方案二：選用nRF24L01無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI接口進行設置。幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數據傳送工作。極低的電流消耗；寬電壓工作范圍，1.9V-3.6V；輸入引腳可承受5V電壓輸入；工作溫度范圍，-40℃-+80℃。方案三：選用nRF903無線收發(fā)芯片。它采用優(yōu)化的GFSK調制解調技術，抗干擾能力強，采用DDS＋PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好，靈敏度高達－104dBm，發(fā)射功率可以調整，最大發(fā)射功率是+10dBm。nRF903的工作電壓范圍可以從2.7～3.3V，接收待機狀電流消耗為600μA，低功耗模式電流消耗僅為1μA，可滿足低功耗設備的要求。nRF903具有多個頻道（最多170個以上），特別滿足需要多信道工作的特殊場合，適合采用跳頻協(xié)議。 方案四：選用CC1000無線收發(fā)芯片。CC1000集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、FSK調制解調、可編程控制等多種功能。它的主要工作參數可由一個串行接口編程設定，使用非常方便并且具有靈活性。CC1000芯片的外圍元件較少，且對精度要求不高，并提供三種編碼方式與微控制器接口。所以CC1000與一個微控制器和少數幾個外接元件便可組成一個完整的RF收發(fā)系統(tǒng)。上述三款無線收發(fā)芯片nRF401、nRF903、nRF24L01和CC1000在無線短距離數傳中得到的大量的應用，可以實現要求，所以可以任意的選擇一種。2.1.4溫度傳感器方案選擇 采用DS18B20溫度傳感器。DS18B20是一種數字化溫度傳感器，DS18B20具有適應電壓范圍寬、支持多點組網功能、獨特的單線接口方式、測溫范圍-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃時的精度為±0.5℃、可編程分辨率9~12位、測量結果直接輸出數字溫度信號、極強的抗干擾糾錯能力、負壓特性，性價比高等優(yōu)點。并且DS18B20溫度傳感器很容易買到，并且我們手中有這種溫度傳感器，市場的行情比較穩(wěn)定。2.1.5壓力傳感器方案選擇方案一：采用雙孔懸壁梁式（電阻應變式）稱重傳感器?？讘冶哿菏椒Q重傳感器是電子計價秤中廣泛使用的傳感器。這種傳感器的彈性體具有上下兩個平行梁，它的最大特點就是具有抗偏載的力學特性。它的稱量范圍為300g至數千kg，準確度達1/1000～1/10000，結構較簡單，可靠性較好。方案二：采用電磁力式傳感器。它利用承重臺上的負荷與電磁力相平衡的原理工作。當承重臺上放有被測物時，杠桿的一端向上傾斜;光電件檢測出傾斜度信號，經放大后流入線圈，產生電磁力，使杠桿恢復至平衡狀態(tài)。對產生電磁平衡力的電流進行數字轉換，即可確定被測物質量。電磁力式傳感器準確度高，可達1/2000～1/60000，但稱量范圍僅在幾十毫克至10千克之間。綜合比較兩種傳感器的結構、力學特性和稱重范圍等，我們采用方案一。第三章硬件設計3.1電阻應變式傳感器電路電阻應變式傳感器是將被測量的力，通過它產生的金屬彈性變形轉換成電阻變化的元件。電阻應變式傳感器是由電阻應變片和測量線路兩部分組成。電阻應變片產生的誤差，主要來源于溫度的影響，本設計主要在實驗室內進行，溫度的影響可不考慮。而用電阻應變式傳感器制成的電子秤平剖圖如右圖所示：1、臺面殼體2、均壓框架3、電阻應變片4、彈性體5、補償電阻7、底座當貼有電阻應變片的彈性平衡梁受到載荷Ｆ作用時，電阻應變片Ｒ1和Ｒ3受到拉伸作用，阻值增加；Ｒ2和Ｒ4受到壓縮作用，阻值減小，電橋失去平衡，產生的不平衡電壓Ｕ的大小與所受作用力Ｆ成正比。電橋的輸出電壓反映了電阻應變片相應的受力狀態(tài)。電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻R1、R2、R3、R4中，電阻的相對變化率分別為△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，當使用一個應變片時，；當二個應變片組成差動狀態(tài)工作，則有；用四個應變片組成二個差動對工作，且R1=R2=R3=R4=R，。當電橋后面接放大器時，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋的輸出電阻大很多，因此可以把電橋輸出端看成是開路。若電橋不平衡時，即R1R3≠R2R4時，電橋輸出：恰好選擇各橋臂電阻，可消除電橋的恒定輸出，使輸出電壓只與應變片輸出有關。令R1=R2,R3=R4,在應變片工作時，其電阻R1變化△R,此時電橋的靈敏度為：ku=U/4電壓輸出為:UO=(U/4)(△R1/R1)。3.2低通濾波電路傳感器過來的信號經常帶有各種各樣的干擾，因此要采用濾波電路來去除干擾。濾波器的功能就是允許某一范圍頻率的信號順的通過，而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制，它實質上是一個選頻電路。在濾波器中，把信號能夠通過的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶；反之，信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；理想濾波器在通帶內的電壓增益為常數，在阻帶內的電壓增益為零；實際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過渡帶。并且可以濾除噪聲，提高有用信號的純潔度。所謂低通就是因為從傳感器傳過來的信號強度很弱，頻率很低，要保證低頻率信號可以順利的進入低通濾波電路中，就必須采用低通濾波電路。其原理圖如下圖所示：低通濾波電路原理圖低通濾波電路原理圖傳感器輸出信號非常小，因此設置低通截止頻率為fc=100Hz。選擇電容為100nF，根據公式計算電阻得二階巴特沃思低通濾波器的增益為，設置R3=100K，R4=50K。3.3放大器電路濾波電路中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的放大，才能滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求，這種儀用放大器已有多種型號的單片集成電路產品，在測量系統(tǒng)中應用很廣。這里選擇常用的儀用放大器，放大電路原理圖如下圖所示：儀用放大器原理圖儀用放大器原理圖其中：，，如圖所示，輸入分別為、，輸出為。儀用放大器的電壓增益為3.4A/D轉換器A/D轉換的作用是進行模數轉換，把接收到的模擬信號轉換成數字信號輸出。題目要求稱重數值位數為5位，因此對A/D轉換器的精度要求高。該設計運用的是STC89C52單片機與外部連接A/D轉換器，A/D轉換器的位數確定與整個測量控制系統(tǒng)所需測量控制的范圍和精度有關，系統(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)很多，包括信號預處理電路精度A/D轉換器、傳感器的變換精度以及輸出電路等。A/D轉換器的原理圖如下圖所示。A/D轉換器原理圖A/D轉換器原理圖3.5按鍵模塊按鍵采用4*4矩陣式鍵盤。將I/O口線的一部分作為行線，一部分作為列線，按鍵設置在行線和列線的交叉點上，這樣就構成了矩陣鍵盤。矩陣鍵盤越多越節(jié)省I/O口資源?？梢詫?6個按鍵與8個I/O口相連接，構成低4位和高4位。其工作原理很簡單，實現將4行看作是低4位，列看作高4位。檢測按鍵時，首先將某一行全部置低電平，其余3行全部置高電平（此時我們確定了行數），這時我們輪流檢測各列是否有低電平，若檢測到某一列為低電平（這時我們又確定了列數），有了行數和列數我們便可以確定是哪個按鍵被按下。用相同的原理可以檢測其他的按鍵，檢測原理簡單可行。4*4矩陣式鍵盤其原理圖如下圖所示：4*4矩陣鍵盤原理圖4*4矩陣鍵盤原理圖3.6溫度顯示模塊本設計溫度檢測采用DS18B20數字溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同的是，使用集成芯片，采用單總線技術，其能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，同時，它可以直接將被測溫度轉化成串行數字信號供微機處理，接口簡單，使數據傳輸和處理簡單化。部分功能電路的集成，使總體硬件設計更簡潔，能有效地降低成本，搭建電路和焊接電路時更快，調試也更方便簡單化，這也就縮短了開發(fā)的周期。其有以下獨特優(yōu)點：采用單總線的接口方式與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。單總線具有經濟性好，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境的現場溫度測量，使用方便等優(yōu)點，使用戶可輕松地組建傳感器網絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。測量溫度范圍寬，測量精度高DS18B20的測量范圍為-55℃+125℃；在-10+85°C范圍內，精度為±0.5°C。在使用中不需要任何外圍元件。持多點組網功能多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上,實現多點測溫。供電方式靈活DS18B20可以通過內部寄生電路從數據線上獲取電源。因此，當數據線上的時序滿足一定的要求時,可以不接外部電源，從而使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高。量參數可配置DS18B20的測量分辨率可通過程序設定912位。負壓特性電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。掉電保護功能DS18B20內部含有EEPROM，在系統(tǒng)掉電以后，它仍可保存分辨率及報警溫度的設定值。本設計用一個DS18B20測量溫度，具體內部結構及其外接電路如下圖所示：DS18B20外接電路DS18B20外接電路DS18B20內部原理圖DS18B20內部原理圖3.7液晶顯示模塊顯示采用LCD12864和LCD1602液晶顯示，采用并口方式。LCD1602液晶為5V電壓驅動，帶背光，可顯示2行字符，每行顯示16個字符，不能顯示漢字，內置含128個字符的ASCII字符集字庫，只有并行接口，無串行接口。LCD12864液晶，帶中文字庫的128*64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64,內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字.也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。LCD1602和LCD12864的原理圖如下圖所示：LCD1602與單片機接口原理圖LCD1602與單