電子秤 課程設(shè)計(jì)

惠州學(xué)院課程設(shè)計(jì)目錄摘要本文設(shè)計(jì)的電子秤以單片機(jī)為主要部件，用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，硬件則以全橋傳感器為主,測(cè)量0～500g電子秤，隨時(shí)可改變上限閾值，并達(dá)到閾值報(bào)警的功能。本課程設(shè)計(jì)的電子秤以單片機(jī)為主要部件，利用單臂電橋測(cè)量原理，通過(guò)對(duì)電路輸出電壓和標(biāo)準(zhǔn)重量的線(xiàn)性關(guān)系，建立具體的數(shù)學(xué)模型，將電壓量綱（V）改為重量綱（g）即成為一臺(tái)原始電子秤。其中測(cè)量電路中最主要的元器件就是電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器是傳感器中應(yīng)用最多的一種。ADC0809

A/D轉(zhuǎn)換的作用是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后把數(shù)字信號(hào)輸送到顯示電路中去，最后由顯示電路顯示出測(cè)量結(jié)果

。關(guān)鍵字：電子秤、電子應(yīng)變片、A/D轉(zhuǎn)換器，顯示電路目錄1402摘要 23501目錄 317961一、系統(tǒng)整體描述

411367二、系統(tǒng)模塊描述

5161352.1電阻應(yīng)變式傳感器的組成以及原理 566052.2直流電橋檢測(cè)電路 6270022.3放大電路 8211552.4A/D轉(zhuǎn)換： 9261222.5單片機(jī)系統(tǒng) 10309412.6顯示電路 1155692.7報(bào)警電路：

1214513三：數(shù)據(jù)處理及程序的設(shè)計(jì)

12128403.1數(shù)據(jù)處理及程序的設(shè)計(jì)

1273923.2參數(shù)整定 1375723.2.1測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差分析 13180003.2.2曲線(xiàn)擬合及參數(shù)整定 14172143.3

顯示子程序的設(shè)計(jì)

1716385參考文獻(xiàn) 189285總結(jié)

182113附錄1仿真圖 192212附錄2程序 19一、系統(tǒng)整體描述

系統(tǒng)由敏感元件、電橋測(cè)量電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示電路和報(bào)警電路構(gòu)成。敏感元件產(chǎn)生物理量變化，由測(cè)量電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并放大輸出。通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后將信號(hào)輸入單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)處理后由顯示電路顯示。若變量超過(guò)限定值，則激活報(bào)警電路，由蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。顯示電路單片機(jī)最小系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路電橋測(cè)量電路應(yīng)變片顯示電路單片機(jī)最小系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路電橋測(cè)量電路應(yīng)變片放大電路放大電路報(bào)警電路報(bào)警電路系統(tǒng)模塊描述

2.1電阻應(yīng)變式傳感器的組成以及原理電阻應(yīng)變式傳感器是將被測(cè)量的力，通過(guò)它產(chǎn)生的金屬?gòu)椥宰冃无D(zhuǎn)換成電阻變化的元件。由電阻應(yīng)變片和測(cè)量線(xiàn)路兩部分組成。常用的電阻應(yīng)變片有兩種：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，本設(shè)計(jì)中采用的是電阻絲應(yīng)變片，為獲得高電阻值，電阻絲排成網(wǎng)狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導(dǎo)線(xiàn)，線(xiàn)柵上面粘有覆蓋層，起保護(hù)作用。

電阻應(yīng)變片也會(huì)有誤差，產(chǎn)生的因素很多，所以測(cè)量時(shí)我們一定要注意，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：

A.

電阻絲溫度系數(shù)引起的。

B.

電阻絲與被測(cè)元件材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)的不同引起的。

對(duì)于因溫度變化對(duì)橋接零點(diǎn)和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會(huì)因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對(duì)要求精度較高的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償片，并從外部對(duì)它加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。非線(xiàn)性誤差是傳感器特性中最重要的一點(diǎn)。產(chǎn)生非線(xiàn)性誤差的原因很多，一般來(lái)說(shuō)主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，通過(guò)線(xiàn)性補(bǔ)償，也可得到改善。

滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱(chēng)重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。圖1原理應(yīng)變式傳感器安裝示意圖2.2直流電橋檢測(cè)電路圖1-4單臂電橋轉(zhuǎn)換電路⑴電橋平衡條件和調(diào)零直流電橋轉(zhuǎn)換電路如圖2-5(a)所示。當(dāng)RL=∞時(shí)，輸出電壓為(2-15)電橋達(dá)到平衡時(shí)，輸出電壓為零，令Uo=0，由式(2-15)得(2-16)式(2-16)即為直流電橋的平衡條件。圖2-5直流電橋轉(zhuǎn)換電路和調(diào)零電路當(dāng)式(2-16)不滿(mǎn)足時(shí)，輸出電壓U0不為零，此時(shí)需要調(diào)零電路完成調(diào)零。圖2-5(b)是典型的直流電橋調(diào)零電路，調(diào)節(jié)電位器Rr可以補(bǔ)償R1、R2、R3、R4間的不平衡。⑵電橋的電壓靈敏度①單臂電橋的電壓靈敏度單臂電橋是將電阻應(yīng)變片接入電橋的一個(gè)橋臂，如圖2-4的R1位置，其余橋臂為固定電阻，則其輸出電壓為(2-17)因?yàn)殡姌虺跏紶顟B(tài)時(shí)是平衡的，有R2/R1=R4/R3，令n=R2/R1=R4/R3為橋比。由于ΔR1/R1很小，則(2-18)定義直流電橋電路的靈敏度系數(shù)為(2-19)欲使電路的靈敏度最大，令，得(1+n)2-2n(1+n)=0(2-20)即n=1。所以，選擇橋臂電阻阻值，使橋比為1，電路靈敏度達(dá)到最大。此時(shí)的輸出電壓為(2-21)電路的靈敏度系數(shù)為(2-22)從前面的推導(dǎo)得知，式(2-21)的輸出電壓是式(2-17)略去分母中ΔR1/R1項(xiàng)得到的結(jié)果，簡(jiǎn)化后的輸出電壓Uo與電阻相對(duì)變化ΔR1/R1之間是線(xiàn)性的。如果不作簡(jiǎn)化，實(shí)際輸出電壓為(2-23)令n=1，這一線(xiàn)性化引起的非線(xiàn)性誤差為(2-24)例如，測(cè)量過(guò)程中電阻的相對(duì)變化ΔR1/R1＝1％，當(dāng)采用單臂電橋作為轉(zhuǎn)換電路時(shí)，由式(2-24)計(jì)算后，得到的非線(xiàn)性誤差為γL=4.8%。它表明電阻的相對(duì)變化較大時(shí)，這種簡(jiǎn)化帶來(lái)的非線(xiàn)性誤差將變得非常嚴(yán)重。②半橋、全橋的電壓靈敏度在試件上粘貼兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)為受拉應(yīng)變片，一個(gè)為受壓應(yīng)變片，大小相等，方向相反，接入電橋相鄰橋臂，將構(gòu)成半橋電路，如圖2-6(a)所示；在試件上粘貼四個(gè)工作應(yīng)變片，兩個(gè)為受拉應(yīng)變片，兩個(gè)為受壓應(yīng)變片，分別接入對(duì)邊橋臂，構(gòu)成全橋電路，如圖2-6(b)所示。圖2-6差動(dòng)電橋轉(zhuǎn)換電路對(duì)于圖2-6(a)所示的半橋電路，輸出電壓為(2-25)若ΔR1=ΔR2，R1=R2=R3=R4，則（2-26）半橋電路的靈敏度系數(shù)為：(2-27)對(duì)于圖4-6(b)所示的全橋電路，輸出電壓為(2-28)全橋電路的靈敏度系數(shù)為KU=E(2-29)2.3放大電路目前的電子稱(chēng)重裝置大都使用電阻應(yīng)變橋式傳感器,其核心是由電阻應(yīng)變計(jì)(應(yīng)變片)構(gòu)成的電橋電路,這類(lèi)傳感器具有成本低、精度高且溫度穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。但其檢測(cè)原理決定該類(lèi)傳感器輸出電壓低,要經(jīng)過(guò)差分放大電路放大數(shù)百倍才能用于A/D轉(zhuǎn)換。一般說(shuō)來(lái)，傳感器輸出的電壓值都非常小，基本上都是毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)。在設(shè)計(jì)高精度電子秤時(shí)，需要外部放大電路來(lái)獲得足夠的增益。差動(dòng)放大電路：(1)原理：本次設(shè)計(jì)中，要求用一個(gè)放大電路，即差動(dòng)放大電路，主要的元件就是差動(dòng)放大器。在許多需要用A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機(jī)系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號(hào)都很微弱，必須通過(guò)一個(gè)模擬放大器對(duì)其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表儀器放大器的選型很多，我們這里使用一種用途非常廣泛的放大器，就是典型的差動(dòng)放大器ina114ap。它只需高精度和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、儀器儀表、電氣測(cè)量等數(shù)字采集的系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)中差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)圖如下：放大倍數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程：2.4A/D轉(zhuǎn)換：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。由于輸入電源為直流，電橋經(jīng)放大后輸出電壓為直流電壓，為模擬信號(hào)。經(jīng)過(guò)ADC0809芯片轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，便于下一步單片機(jī)的處理和顯示。

ADC0809

內(nèi)部邏輯結(jié)果和芯片引腳如下圖所示。ADC0809芯片實(shí)物圖

2.5單片機(jī)系統(tǒng)使用的單片機(jī)芯片為8位STC89C52芯片，外部晶振頻率為12MHz。

STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有

8K

在系統(tǒng)可編程Flash

存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的8

位CPU

和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：

8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，

32

位I/O

口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB

EEPROM，MAX810復(fù)位電路，2個(gè)16

位

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外

STC89X52

可降至0Hz

靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU

停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。單片機(jī)最小系統(tǒng)由晶振、復(fù)位電路和單片機(jī)芯片構(gòu)成，電路如(10)圖所示。

顯示電路有4位7段共陽(yáng)極數(shù)碼管組成，可顯示千位百位十位和個(gè)位數(shù)據(jù)。2.6顯示電路單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后，將個(gè)數(shù)據(jù)段碼送入數(shù)碼管，數(shù)碼管即可顯示相應(yīng)的數(shù)值。方便安裝、調(diào)試和觀(guān)察。且成本很低。電路圖如圖（11）所示。圖（11）2.7報(bào)警電路：

當(dāng)所稱(chēng)量質(zhì)量大于稱(chēng)量上限303g時(shí)，由于已經(jīng)達(dá)到放大電壓上限，所以顯示電路無(wú)法顯示更大的值。為了提醒使用者，需要設(shè)定報(bào)警電路。報(bào)警電路由三極管和蜂鳴器組成。因?yàn)閱纹瑱C(jī)P2口輸出電流較小，不足以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。所以使用三極管9013進(jìn)行電流放大。電路連接如圖（12）所示。圖（12）三：數(shù)據(jù)處理及程序的設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)處理及程序的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理子程序是整個(gè)程序的核心。主要用來(lái)調(diào)整輸入值系數(shù)，使輸出滿(mǎn)足量程要求。另外完成A/D的采樣結(jié)果從十六進(jìn)制數(shù)向十進(jìn)制數(shù)形式轉(zhuǎn)化。對(duì)于重量與傳感器的電壓之間的關(guān)系，為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確度，用MATLAB軟件編程。Lsline指令實(shí)現(xiàn)了對(duì)多組測(cè)量數(shù)據(jù)的最小二乘擬合，得到了比較理想的線(xiàn)性關(guān)系，又運(yùn)用回歸函數(shù)polyfit(x,y',1)得到壓力與電壓的函數(shù)關(guān)系，使壓力的測(cè)量的精度進(jìn)一步提高。

數(shù)據(jù)采集由ADC0809芯片來(lái)完成，主要分為啟動(dòng)、讀取數(shù)據(jù)、延時(shí)等待轉(zhuǎn)換結(jié)束、讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果、存入指定內(nèi)存單元、繼續(xù)轉(zhuǎn)換（退出）幾個(gè)步驟。ADC0809初始化后，就具有了將某一通道輸入的0～5V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量00H—FFH，然后再存入8051內(nèi)部RAM的指定單元中。其轉(zhuǎn)換方式可以采用程序查詢(xún)方式，延時(shí)等待方式和中斷方式三種。本設(shè)計(jì)采用的是延時(shí)等待方式，具體程序流程圖如圖13所示。

圖13實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集流程圖3.2參數(shù)整定3.2.1測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差分析在IN0輸入的數(shù)最大為5V，要求的質(zhì)量303g對(duì)應(yīng)的是4.8V，為十六進(jìn)制向十進(jìn)制轉(zhuǎn)換方便，將系數(shù)放大100倍。并用小數(shù)點(diǎn)位置的變化體現(xiàn)這一過(guò)程。數(shù)據(jù)處理子程序是整個(gè)程序的核心。主要用來(lái)調(diào)整輸入值系數(shù)，使輸出滿(mǎn)足量程要求。另外完成A/D的采樣結(jié)果從十六進(jìn)制數(shù)向十進(jìn)制數(shù)形式轉(zhuǎn)化。在硬件調(diào)試過(guò)程中重量與電壓的關(guān)系如下表所示：

重量（g）020406080100120140160180200303電壓（mv）0-0.025-0.054-0.082-0.109-0.138-0.167-0.199-0.228-0.259-0.291-0.48根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的情況以及實(shí)驗(yàn)時(shí)所使用的器材，分析實(shí)驗(yàn)所帶的誤差原因有：

1、作為應(yīng)變梁的鋼尺實(shí)驗(yàn)時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變彎曲不一定是線(xiàn)性的，也就是說(shuō)實(shí)驗(yàn)的重物每增加單位重量時(shí)，鋼尺所產(chǎn)生的應(yīng)變大小并不一樣；

2、應(yīng)變片所粘貼的位置并不一定對(duì)稱(chēng)；

3、重物所掛在應(yīng)變鋼尺的位置會(huì)直接影響電子秤的輸出，這是由于杠桿原理的關(guān)系；

4、設(shè)計(jì)電子秤時(shí)其中需要用到的器件是模數(shù)轉(zhuǎn)換元件，把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)時(shí)所帶來(lái)的量化誤差也在一定程度上影響電子秤的輸出；

5、測(cè)量開(kāi)始時(shí)需要進(jìn)行調(diào)零，調(diào)節(jié)電位器使到電橋測(cè)量電路的輸出為零，再調(diào)節(jié)相關(guān)的電位器調(diào)節(jié)差動(dòng)放大器的放大倍數(shù)，可能是兩個(gè)電位器的調(diào)節(jié)并不理想，才使得輸出發(fā)生偏差。由于測(cè)得實(shí)驗(yàn)電壓數(shù)據(jù)太過(guò)于小，需經(jīng)過(guò)放大器放大十倍后才能更準(zhǔn)確的被A/D采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。所得擬合曲線(xiàn)如下圖所示：3.2.2曲線(xiàn)擬合及參數(shù)整定經(jīng)MATLAB軟件編程，得擬合函數(shù)為：

(其中a1=

-68.5907

，

a0=

3.22476)

數(shù)據(jù)處理過(guò)程是對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量的處理，即

數(shù)據(jù)采集由ADC0809芯片來(lái)完成，主要分為啟動(dòng)、讀取數(shù)據(jù)、延時(shí)等待轉(zhuǎn)換結(jié)束、讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果、存入指定內(nèi)存單元、繼續(xù)轉(zhuǎn)換（退出）幾個(gè)步驟。ADC0809初始化后，就具有了將某一通道輸入的0～5V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量00H—FFH，然后再存入8051內(nèi)部RAM的指定單元中。其轉(zhuǎn)換方式可以采用程序查詢(xún)方式，延時(shí)等待方式和中斷方式三種。本設(shè)計(jì)采用的是延時(shí)等待方式，具體程序流程圖如圖14所示。加上a0加上a0乘以a1

圖14A/D接口設(shè)計(jì)流程圖

3.3

顯示子程序的設(shè)計(jì)

顯示程序是用來(lái)實(shí)時(shí)顯示所測(cè)質(zhì)量值，該部分程序是將顯緩單元數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。參考文獻(xiàn)[1]楊新榮.《智能儀器原理、設(shè)計(jì)與發(fā)展》.中南大學(xué)出版社，2003[2]張毅剛.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003[3]賈伯年，俞樸.傳感器技術(shù).南京：東南大學(xué)出版社，2000[4]徐仁貴等.《單片微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)》.機(jī)械工業(yè)出版社，2001[5]李道華，李玲，朱艷.傳感器電路分析與設(shè)計(jì).武漢大學(xué)出版社，2000[6]李剛，林凌，姜葦．單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技巧．北京航空航天大學(xué)出版社，2004總結(jié)

隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大變化，傳統(tǒng)的儀

器逐步的被智能儀器所取代。智能儀器的核心部件是單片機(jī)，因其極高的性?xún)r(jià)比得到廣泛的應(yīng)

用與發(fā)展，從而加快了智能儀器的發(fā)展。而傳感器作為測(cè)控系統(tǒng)中對(duì)象信息的入口，越來(lái)越受

到人們的關(guān)注。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物，它是一種能將特定的被測(cè)量信息（物理

量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置本次設(shè)計(jì)中的電阻應(yīng)變片電子稱(chēng)就是在以上儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的。因此，只有充分了解有關(guān)智能儀器、單片機(jī)、傳感器以及各部分之間的關(guān)系才能達(dá)到要求。

經(jīng)過(guò)幾周的努力，終于按照設(shè)計(jì)進(jìn)度要求如期完成了電子秤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。在做課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，雖然碰到了不少的困難，但是在老師的指導(dǎo)以及共同的努力下，終于取得了一定成果。

在此次課程設(shè)計(jì)中,雖然順利完成了電子稱(chēng)的設(shè)計(jì)和制作,但也存在一定的不足,如電子稱(chēng)的的精度不夠高。同時(shí)也有很多的收獲，對(duì)電阻式應(yīng)變片的工作原理及性能指標(biāo)有了更加直觀(guān)和深入的認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集的分析,

放大器及

A/D

轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、傳輸和處理有了更深的認(rèn)識(shí)。熟悉

AT89C52

單片機(jī)功能及工作特性，掌握其接口擴(kuò)展方法。這些都為我今后學(xué)習(xí)和工作留下了積極的影響。

附錄1仿真圖附錄2程序#include<reg52.h>

#define

uint

unsigned

int

#define

uchar

unsigned

char

sbit

st=P3^0;

sbit

eoc=P3^2;

sbit

clk=P3^3;

sbit

a=P3^4;

sbit

b=P3^5;

sbit

c=P3^6;

sbit

OE=P3^1;

sbit

dian=P1^7;

uchar

code

dt[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,

0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};

uint

data1,disi,disan,dier,diyi;

/*********延時(shí)函數(shù)************/

void

delay(uint

ms){

uint

i,j;

for(i=ms;i>0;i--)

for(j=110;j>0;j--);