多功能電子計(jì)價(jià)秤

1、多功能數(shù)字電子計(jì)價(jià)秤摘 要本文設(shè)計(jì)一種利用電阻應(yīng)變式壓力傳感器和MCS-51單片機(jī)等器件制作的多功能數(shù)字電子計(jì)價(jià)秤。該秤可以對15Kg量程范圍內(nèi)的物體進(jìn)行稱量，能實(shí)現(xiàn)稱重、數(shù)碼顯示、計(jì)價(jià)等功能。該電子秤利用電橋測量原理，將壓力應(yīng)變傳感器阻值轉(zhuǎn)換為電壓值，再通過低通濾波，經(jīng)過兩級(jí)放大電路將電壓放大，通過確定輸出電壓和標(biāo)準(zhǔn)重量的關(guān)系，形成一臺(tái)原始電子秤。將此輸出電壓經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入MCS-51單片機(jī)處理，控制LCD液晶屏顯示稱量結(jié)果。關(guān)鍵字：電子秤 應(yīng)變式壓力傳感器 放大電路 單片機(jī)一、引言隨著科技的發(fā)展，檢測技術(shù)已經(jīng)深入各種領(lǐng)域。本題目要求制作一多功能數(shù)字電子計(jì)價(jià)秤。要求滿足如下功能：（1）能

2、用鍵盤設(shè)置單價(jià)，稱重后能同時(shí)顯示重量、單價(jià)和總額；電子計(jì)價(jià)秤的最大稱重為15.000公斤，重量誤差不大于0.1；（2）具有數(shù)碼顯示，顯示重量、單價(jià)、總額等信息。a.重量顯示為5位數(shù)碼，單位為公斤，最大重量顯示值為99.999公斤；b.單價(jià)金額顯示為5位數(shù)碼，單位為元，最大單價(jià)金額顯示值值為999.99元；c.總價(jià)金額顯示為6位數(shù)碼，單位為元，最大總價(jià)金額顯示值值為9999.99元，總價(jià)金額誤差不大于0.01元；（3）具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示并具有掉電保護(hù)，可顯示日歷時(shí)鐘（年、月、日、時(shí)、分、秒）；（4）擴(kuò)展高精度A/D轉(zhuǎn)換器，提高電子計(jì)價(jià)秤測量精度，測量誤差不大于0.01；（5）能預(yù)存10種商品的單價(jià)

3、；可以隨意調(diào)出使用。系統(tǒng)框圖如下圖1所示：圖1 多功能數(shù)字電子計(jì)價(jià)秤系統(tǒng)框圖二、方案設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)思路要實(shí)現(xiàn)電子計(jì)價(jià)秤需要選擇合適的傳感器，傳感器精度越高，轉(zhuǎn)換的模擬電壓穩(wěn)定性要求越高，因此添加一個(gè)低通濾波電路模塊，再由放大器放大成滿足A/D轉(zhuǎn)換的電壓，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量傳至單片機(jī)控制數(shù)碼顯示。2.方案論證與選擇（1）系統(tǒng)方案論證與選擇通過以上分析，擬定以下兩種方案：方案一：采用ATmega16單片機(jī)作為系統(tǒng)主控制器。Atmel公司的ATmega16單片機(jī)具有先進(jìn)的RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))結(jié)構(gòu)、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，16 kB可編程Flash存儲(chǔ)器、512 B的EEPROM和1 kB片內(nèi)S

4、RAM，具有豐富的外設(shè)接口，其USART(通用同步和異步接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器)是一個(gè)高度靈活的串行通信設(shè)備，SPI(串行外設(shè)接口)允許ATmega16與外設(shè)或其他AVR器件進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)部集成高精度10位A/D轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)原理框圖如下圖2所示：圖2 方案一原理框圖方案二：采用AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)主控制器。AT89S52單片機(jī)是一種低功耗高性能的CMOS8位微控制器，內(nèi)置8KB可在線編程閃存。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器允許重復(fù)在線編程，允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)內(nèi)通過SPI串行口改寫或用同用的非易失性存儲(chǔ)器改寫。通過把通用的8位CPU與可在線下載的Flash集成在一個(gè)芯片上，AT89S52便成為一個(gè)

5、高效的微型計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)原理框圖如下圖3所示：圖3 方案二原理框圖方案一主控制系統(tǒng)內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，可以節(jié)省外部器件，簡化外部電路，但是MEGA16單片機(jī)價(jià)格較貴，運(yùn)用技術(shù)不夠成熟。方案二AT89S52單片機(jī)的應(yīng)用范圍廣，可用于解決復(fù)雜的控制問題，且成本較低。它需要外接A/D轉(zhuǎn)換電路，相對比較復(fù)雜，但是成本低。綜合比較，考慮到成本和設(shè)計(jì)需要，10位A/D能夠滿足題目需求，因此采用方案二。（2）傳感器的論證與選擇方案一：采用雙孔懸壁梁式（電阻應(yīng)變式）稱重傳感器。孔懸臂梁式稱重傳感器是電子計(jì)價(jià)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(gè)平行梁，它的最大特點(diǎn)就是具有抗偏載的力學(xué)特性。它的

6、稱量范圍為300g至數(shù)千kg，計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)1/10001/10000，結(jié)構(gòu)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(tái)上的負(fù)荷與電磁力相平衡的原理工作。當(dāng)承重臺(tái)上放有被測物時(shí)，杠桿的一端向上傾斜;光電件檢測出傾斜度信號(hào)，經(jīng)放大后流入線圈，產(chǎn)生電磁力，使杠桿恢復(fù)至平衡狀態(tài)。對產(chǎn)生電磁平衡力的電流進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，即可確定被測物質(zhì)量。電磁力式傳感器準(zhǔn)確度高，可達(dá)1/20001/60000，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(jié)構(gòu)、力學(xué)特性和稱重范圍等，采用方案一。（3）顯示器的論證與選擇方案一：采用七段數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管，顯示大亮度高，驅(qū)動(dòng)部份的軟件簡單，但是耗電

7、和功耗比較大。題目要求最高顯示6位數(shù)碼，對數(shù)碼管而言硬件電路較復(fù)雜，還要顯示萬年歷，因此數(shù)碼管不適合完成此功能。方案二：采用LCD12864液晶顯示。12864是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及12864全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示84個(gè)(1616點(diǎn)陣)漢字。具有很好的人機(jī)界面。方案三：采用LCD320*240液晶顯示。該液晶屏具有更大的顯示界面，可以實(shí)現(xiàn)多層次顯示，更具人性化。綜合比較，考慮到需顯示的量比較多，因此同時(shí)采用方案二和方案三。12864主要顯示時(shí)間和時(shí)鐘，320*240大屏顯示重量價(jià)格、菜單等。3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（1）電阻應(yīng)變式傳感器電路

8、電阻應(yīng)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(yīng)變片和測量線路兩部分組成，其主要參數(shù)如附錄1所示。電阻應(yīng)變片產(chǎn)生的誤差，主要來源于溫度的影響，本設(shè)計(jì)主要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，溫度的影響可不考慮。內(nèi)部絲繞式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖如下圖4所示：當(dāng)貼有電阻應(yīng)變片的彈性平衡梁受到載荷作用時(shí)，電阻應(yīng)變片1和3受到拉伸作用，阻值增加；2和4受到壓縮作用，阻值減小，電橋失去平衡，產(chǎn)生的不平衡電壓 的大小與所受作用力成正比。電橋的輸出電壓反映了電阻應(yīng)變片相應(yīng)的受力狀態(tài)。電橋電路如圖5所示。電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當(dāng)電橋平衡時(shí)，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四

9、個(gè)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(dāng)使用一個(gè)應(yīng)變片時(shí)，；當(dāng)二個(gè)應(yīng)變片組成差動(dòng)狀態(tài)工作，則有；用四個(gè)應(yīng)變片組成二個(gè)差動(dòng)對工作，且R1= R2= R3= R4=R，。當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，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。應(yīng)變電橋電路如下圖6所示：圖6 電橋應(yīng)變電路原理圖若電橋不平衡時(shí)，即R1R3R2R4時(shí)，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(yīng)變片輸出有關(guān)。令R1=R2,R3=R4,在應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻R1變化R,此時(shí)電橋的靈敏度為：ku=

10、U/4電壓輸出為: UO=(U/4)(R1/R1)。（2）低通濾波電路 濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號(hào)的功能。傳感器過來的信號(hào)經(jīng)常帶有各種各樣的干擾，因此要采用濾波電路來去除干擾。綜合考慮，采用低通濾波器，運(yùn)放采用NE5532，電路原理如下圖7所示：圖7 低通濾波電路原理圖傳感器輸出信號(hào)非常小，因此設(shè)置低通截止頻率為fc=100Hz。選擇電容為100nF，根據(jù)公式計(jì)算電阻得 二階巴特沃思低通濾波器的增益為，設(shè)置R3=50K，R4=100K。（3）放大器電路 傳感器輸出的模擬信號(hào)都很微弱，必須通過一個(gè)模擬放大器對其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)

11、換器對輸入信號(hào)電平的要求，這里選擇常用的儀用放大器，原理圖如圖8所示。共模抑制比：來自傳感器的信號(hào)通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓）。一般采用差動(dòng)輸入集成運(yùn)算放大器來抑制它，但是必須要求外接電阻完全平衡對稱，運(yùn)算放大器才具有理想特性。否則，放大器將有共模誤差輸出，其大小既與外接電阻對稱精度有關(guān)，又與運(yùn)算放大器本身的共模抑制能力有關(guān)。一般運(yùn)算放大器共模抑制比可達(dá)80dB，而采用由幾個(gè)集成運(yùn)算放大器組成的測量放大電路，共模抑制比可達(dá)100120dB。因此，采用低漂移運(yùn)算放大器NE5532和op07構(gòu)成的雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路。電路原理如下圖9所示：圖9 儀用放大器電路原理圖如圖示，輸入

12、分別為、，輸出為。儀用放大器的電壓增益為調(diào)節(jié)R7可以調(diào)節(jié)增益范圍30dB80dB。末級(jí)放大采用OP07，控制末級(jí)增益為，R9設(shè)置可調(diào)，末級(jí)電路增益可調(diào)范圍00.56dB。（4）A/D轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換的作用是進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。題目要求稱重?cái)?shù)值位數(shù)為5位，因此對A/D轉(zhuǎn)換器的精度要求非常高。該設(shè)計(jì)運(yùn)用的是AVR MEGA16單片機(jī)內(nèi)部10位A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)確定與整個(gè)測量控制系統(tǒng)所需測量控制的范圍和精度有關(guān)，系統(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)很多，包括傳感器的變換精度，信號(hào)預(yù)處理電路精度A/D轉(zhuǎn)換器以及輸出電路等。A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖如附錄2所示。（5）按鍵/顯示

13、模塊按鍵采用4*4矩陣式鍵盤，鍵盤電路如附錄3所示；顯示采用LCD12864和320*240顯示，分別采用串行和并行方式。它們與單片機(jī)的連接圖如附錄4所示。（5）電源模塊 設(shè)計(jì)要求電源供給所有模塊15V電壓。電源電路原理圖如附錄5所示，三端穩(wěn)壓芯片LM317起穩(wěn)壓作用，2200uf電解電容、100uf和0.33uf瓷片電容起濾除紋波作用，輸出15V提供給各單元電路。4系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為主控制器，完成傳感器檢測數(shù)據(jù)的處理、鍵盤操作處理和顯示處理。AVR單片機(jī)提供A/D轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘顯示和EEPROM數(shù)據(jù)掉電保護(hù)。傳感器輸出模擬電壓放大后經(jīng)AVR單片機(jī)集成A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通

14、過UART串口通訊傳至AT89S52單片機(jī)進(jìn)行處理。系統(tǒng)程序流程圖如下圖10所示：圖10 系統(tǒng)程序流程圖三、系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)正常工作前須調(diào)試，調(diào)試根據(jù)以下程序進(jìn)行： 在秤體自然下垂無負(fù)載時(shí)調(diào)R6，顯示為零； 再調(diào)整R7，使秤體承擔(dān)滿量程15千克時(shí)顯示滿量程值； 然后在秤鉤下懸掛1千克的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，觀察顯示器是否顯示1.000，如有偏差，可調(diào)整R9值，使之準(zhǔn)確顯示1.000； 重新進(jìn)行2、3步驟，使之均滿足要求為止；四、系統(tǒng)測試1測試條件和測試儀器設(shè)備系統(tǒng)容易受到溫度的干擾，測試時(shí)必須在室溫下進(jìn)行，并要確保供電電源的穩(wěn)定性，測試儀器設(shè)備如下表1所示：表1 測試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注

15、出廠編號(hào)1Tektronix示波器1TektronixC2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 EE164281南京新聯(lián)電子設(shè)備有限公司3數(shù)字萬用表 UT58E1UNI-T4備用電子秤15秒表12測試方法和測試結(jié)果（1）掉電保護(hù)測試。系統(tǒng)運(yùn)行，當(dāng)顯示2010年7月23日10時(shí)30分15秒時(shí)迅速斷電，計(jì)時(shí)5秒并迅速上電，萬年歷顯示2010年7月23日10時(shí)30分21秒。由于人的反應(yīng)時(shí)間影響，允許誤差，說明掉電保護(hù)可行。（2）稱重范圍測試。傳感器參數(shù)顯示稱重范圍為0100kg，選取磅秤砝碼，從最小重量砝碼開始，無稱重，再逐個(gè)往上加，直到有稱重時(shí)停止，再換小砝碼細(xì)秤，測出稱重下限為100g。用15kg砝碼測試，計(jì)價(jià)秤能正

16、常工作。（3）電子計(jì)價(jià)秤精度測試。分別將重量為600g,2kg,8kg,12kg的砝碼放在電子秤上稱重，單價(jià)預(yù)置為10元/Kg。根據(jù)公式計(jì)算出重量的秤量精度；總額用公式計(jì)算；總額的誤差用公式來計(jì)算，將數(shù)據(jù)記錄于下表2中。分析得出結(jié)論，傳感器測量不夠靈敏，A/D轉(zhuǎn)換速度也是造成此結(jié)果的原因。 誤差 = 總額 = 重量 單價(jià) 表2 單價(jià)為10.00元/Kg下不同砝碼重量和總額的測量數(shù)據(jù)記錄表序號(hào)項(xiàng)目1234重量實(shí)際值（Kg）0.6002.0008.00012.000測量值（Kg）0.5621.9807.98511.955誤差（%）-6.333%-1.000%-0.187%-0.375%總額實(shí)際值（元）6.0020.0080.00120.00測量值（元）5.6219.8079.85119.55誤差-0.38-0.20-0.15-0.45五、結(jié)論綜合測試表明，我們的設(shè)計(jì)基本滿足了設(shè)計(jì)要求，成功制作出一臺(tái)多功能電子計(jì)價(jià)秤。該電子秤可以自動(dòng)計(jì)算物品價(jià)格，誤差在0.01內(nèi)。內(nèi)存多于十種菜單菜價(jià)，可以任意調(diào)用，采用LCD320*240大屏顯示，突顯人性效果。另外還能顯示標(biāo)準(zhǔn)萬年歷，采用LCD12864顯示。該設(shè)計(jì)具有良好的實(shí)用性，基本能夠滿足所用需求。六、參考文獻(xiàn)【1】郁有文,常健,程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用（第二版）.西安. 西安電子科技大學(xué)出版社.2004【2】康華光.電