实用电子秤的设计与制作.doc

JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 综合实训论文(实用电子秤的设计与制作) 学院名称： 电气信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 05自控（1） 姓 名： 姜 中 娟 学 号： 05312205 指导教师： 朱 品 伟 2009年1月实用电子秤的设计与制作摘要：本系统利用应变式称重台，将四片应变片采用全桥形式接入测量电路，经过运放OP07组成的仪表放大器放大，再由串行模数转换芯片TLC549进行A/D转换，转换结果送入单片机AT89C51，通过同向门7407驱动四位数码管显示。关键词: 应变片；仪表放大器；TLC549；AT89C51Abstract: The system uses strain weighing units, four strain gauges with the form of full bridge accessed to the measurement circuit, after the composition of OP07 instrumentation amplifier. Then by serial analog-to-digital conversion chip TLC549 for A / D conversion, the conversion results are given to the single-chip microcomputer AT89C51, then through the 7407 drive to four digital tube display.Key words: Strain gauge；Measuring appliance amplifier；TLC549；AT89C51目 录1 概述1.1 引言1.2 系统原理概述 1.3 组成及框图 2 硬件电路设计2.1 应变电桥电路 2.2 仪表放大器电路2.3 A/D转换电路2.4 显示电路3 软件设计3.1 程序流程图3.2 源程序清单 4 系统调试与分析4.1 硬件调试 4.2 软件调试 4.3 综合调试 4.4 故障分析与解决方案 5 功能测试及结果分析5.1 测试仪器5.2 测试结果与分析6 结束语 参考文献 附 录1 概述1.1 引言随着科技的进步，对电子秤的应用越来越广泛。传统机械秤是杠杆放大系统，系统中载重架上比较小的垂直偏移经过放大后在秤的刻度上形成很大的指针偏转。然而载重架的偏移量通常很大，所以不允许机械秤安装在工业过程的设备中，相反，用于电子秤的称重传感器的压缩量通常可以忽略不计，可以安装在工业过程设备中。本系统是基于单片机控制的电子秤，控制精度较高，实时性较强，同时采用LED显示，既美观又实用。1.2 系统原理概述本系统利用应变式称重台，将四片应变片采用全桥形式接入测量电路，经过运放OP07组成的仪表放大器放大，再由串行模数转换芯片TLC549进行A/D转换，转换结果送入单片机AT89C51，通过同向门7407驱动四位数码管显示。由称重传感器来的电信号经过放大和处理后，通过模/数转换后在LED上显示。仪表放大器的输出需经采集卡采集，经过CSY9.0虚拟仪器软件分析，得到较好的线性度和灵敏度后，才能再送入A/D芯片进行转换。1.3 组成及框图15V供电电图1 系统框图2 硬件电路设计2.1 应变电桥电路电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转换成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。其主要缺点是输出信号小、线性范围窄，而且动态响应较差。但由于应变片的体积小，商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中仍有非常广泛的应用。应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化R/R。在一定应变范围内R/R与的关系满足下式：，为应变片的轴向应变。 定义K=(R/R)/为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化R/R与其单向应力引起的试件表面轴向应变之比。 电阻应变片计把机械应变转换成R/R后，应变电阻变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120，灵敏系数K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000，应变电阻相对变化量为：R/R = K*= 2*1000*106 =0.002 可以看出电阻变化只有120*0.002=0.24，其电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变片计的R/R变化转换成电压或电流变化。通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。若将电桥四臂接入四片应变片，如图2所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。在接入四片应变片时，需满足以下条件：相邻桥臂应变片应变状态应相反，相对桥臂应变片应变状态应相同。可简称为：“相邻相反，相对相同”。 此时 全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度 图2 全桥电路为单片工作时的4倍，同时具有温度补偿作用。当E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。2.2 仪表放大器电路2.2.1 仪表放大器工作原理由于传感器的输出信号往往较小，必须经过放大电路进行调理放大，再进行测量。常用的放大电路可以由单运放放大器、双运放放大器、三运放放大器或直接由集成仪表放大器（如AD620、AD623）等构成。下面以三运放构成的仪表放大器为例说明仪表放大器的工作原理及性能指标，运算放大器选择高精度运放OP07。2.2.2 集成运算放大器OP-07OP-07有A、D、C、E各档，它是高精度运算放大器，具有极低的失调电压（10V）和偏置电流（0.7nA），它的温漂系数为0.5V/，OP-07具有较高的共模输入范围（14V），共模抑制比CMRR=126dB，以及极宽的供电电流范围（从3V到18V），双电源供电。AD OP-07的封装、管脚排列以及基本连接方式如下图所示，OP07一般不需要调零，如需调零，可在1和8管脚之间接一个电位器，阻值可为20k，参见基本接法图。 图3 OP-07封装图 管脚功能图 基本接法 图4 运算放大器引脚图2.2.3 仪表放大器工作电路图5，图6是压力传感器的测量电路，由两个部分组成。前一部分是采用三个运放构成的仪表放大器，后面的放大器将仪表放大器的输出电压进一步放大。R28是电桥的调零电阻，R42是整个放大电路的调零电阻，R29，R40调整运放增益。仪表放大器因为输入阻抗高，共模抑制能力好而作为电桥的接口电路。其增益可用下式表示：A11+2R30/R29；反相放大器部分的增益可用下式表示：A2（R38+R40）/R37；图5 仪表放大器图6 反相放大器2.3 A/D转换电路一般电子秤的A/D转换精度越高越好，A/D精度越高，电子秤的灵敏度越高。但12的A/D芯片价格比较贵，考虑到实验室条件，本次设计采用8位串行A/D芯片TLC549。TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器通过SDO、SCLK、CS三条口线进行串行接口 具有4MHz片内系统时钟和软硬件控制电路，转换时间最长17微秒。允许的最高转换速率为40000次/秒。总失调误差最大为0.5LSB（最低有效位）。可用于较小信号的采样。与AT89C51的具体连接线路如图7所示。REF+接5V电源，REF-接地，图中输入电压为3.35V，TLC549的AIN引脚接仪表放大器的输出端。SDO、CS 、SCLK分别接AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2 引脚。图7 TLC549电路连接TLC549在读出前一次数据后，马上进行电压采样，ADC转换，转换完后就进入HOLD模式，直到再次读取数据时，芯片才会进行下一次A/D转换。也就是说，本次读出的数据是前一次转换的值，读操作后就会再启动一次转换，一次转换所用的时间最长为17uS。2.4 显示电路采用4个共阴数码管，以动态扫描方式显示电压值。图8 显示电路3 软件设计3.1 程序流程图开 始程序初始化A/D转换拆 数显 示结束图9 程序流程图3.2 源程序清单#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char sbit cs=P11; /*片选*/sbit clk_adc=P12; /*TLC549 的时钟信号*/sbit dout_adc=P10; /*TLC549的数据输出*/float volt;uint b;uchar LED0_data,LED1_data,LED2_data,LED3_data;uchar code Segcode10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;void display();void delay(uint v);/*1ms延时子函数*/void delay(unsigned int c)unsigned int i,j;for(i=0;ic;i+)for(j=0;j120;j+);/*TLC549转换数据读出程序*/uchar tlc549_read()uchar i,adcdata;adcdata=0;cs=1;clk_adc=0;cs=0;_nop_();_nop_();_nop_();for(i=0;i8;i+) clk_adc=1;adcdata=adcdata0;b-) display(); 4 系统调试与分析4.1 硬件调试硬件调试是整个调试步骤中第一步，硬件电路的正确性，是其它各部分正常工作的先决条件。(1) 首先判断购买的各个元器件本身是否已经损坏，再则根据电路原理图仔细检查元器件是否有组装上的错误，诸如极性电容、集成块安装方向错误等。再利用万用表检测各个焊点是否存在虚焊等问题，并且按照原理图一部分一部分的检测，着重注意走线、接点之间是否存在相互间的短路、开路或接错等。(2) 根据图10所示，应变式传感器已经装在传感器试验台上。传感器中各应变片上的R1、R2、R3、R4接线颜色分别为黄色、蓝色、红色、白色，可用万用表测量同一种颜色的两端判别，R1=R2=R3=R4=350。图10 应变式传感器安装示意图(3) 接入电源，拨通电源开关，将实验板调节增益电位器R29（参考图7和图8）顺时针调节大致到中间位置，再进行仪表放大器调零，方法为将仪表放大器的正、负输入端（在做板时要预留插孔）与地短接，调节电路板上调零电位器R42，输出的电压读数为零，关闭电源。（注意：当R29、R42的位置一旦确定，就不能改变）(4) 电路板上的R25、R26、R27接入350电阻，接成直流全桥。检查接线无误后，接通电源。调节电桥调零电位器R28，使电路板的输出电压压降为零。4.2 软件调试软件调试主要应用Keil软件进行程序的调试，Keil软件全面支持汇编语言，C51语言的编译/连接、调试。(1) A/D转换程序的调试 (2) 显示程序的调试4.3 综合调试在完成了硬件和软件调试工作以后，便可进行系统的综合调试。综合调试一般采用全速断点调试运行方式，在这个阶段的主要工作是排除系统中遗留的错误以提高系统的动态性能和精度。4.4 故障分析与解决方案4.4.1 故障出现情况(1) 数码管显示数值不稳定；(2) 数码管显示数值为零；4.4.2 解决方案（针对上述故障一一对应的解决方案）(1) 在主程序调用显示程序之前加了一个循环，实现循环调用显示程序，便实现了数值的稳定显示。(2) 一开始显示数值始终为零，然后将程序中volt=volt*5.0/255*1000改成volt=1234，编译下载后可以稳定的显示1234，说明显示部分的硬件电路和程序没有问题。再测TLC549的输入电压，测出一个负值，由于此处的TLC549的REF+为+5V,REF-为0，所以TLC549的输入电压须为正值。然后调节应变电桥电阻的位置，便实现了TLC549的输入电压为正值，数码管便可正常显示。5 功能测试及结果分析5.1 测试仪器 (1) 应变式称重台(2) 直流稳压电源(3) 数字万用表5.2 测试结果在托盘上放置一只砝码，读取电压数值，依次增加砝码和读取相应的电压值。记下实验结果填入表1中。表1 测试数据重量（g）20406080100120140160180200电压（mv）20406181101120141161181202 从表中的数据可以看出，没增加20g的砝码，电压就增大20mv左右，线性度较好，测量效果较好。6 结束语系统架构设计合理，系统性能优良、稳定。这次的综合实训让我感受颇多的就是模拟电路的调试，模拟电路相对于数字电路，干扰很大，电路的抗干扰措施很难把握。在此要感谢朱品伟老师，在电路的调试过程中，朱老师给予了我很大的帮助。当然，现在的设计还存在着一些缺陷，有待于在将来的设计中进一步提高。参考文献1杨拴科.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2003.2夏红钗,施晓钟.议晶体三极管的工作状态J. 科技经济市场,2007,(08).3冯博琴.微型计算机硬件技术基础M.北京：高等教育出版社，2003.4张俊谟.单片机中级教程M. 北京：北京航空航天大学出版社，2000.5张友德，赵志英等单片微型机原理、应用与实验M.上海：复旦大学出版社，2000.6卢艳军.单片机基本原理及应用系统M.北京：机械工业出版社，2005.7陈永真等.全国大学生电子设计竞赛试题精解选M.北京：电子工业出版社，2007.8崔玮.PROTEL 99SE 电路原理图与电路板设计教程M.北京：海洋出版社，2005.9郁有文等.传感器原理及工程应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2007.10张齐，杜群贵.单片机应用系统设计技术M.北京：电子工业出版社，2004.附录(1) 元器件明细表单片机AT89C51运放OP07A/D转换器TLC549数码管SM420564同向驱动器SN7407N(2) 实物图