基于应变片的电子秤设计

背景介绍在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。方案的设计硬件设计软件设计结尾基于应变片的电子秤设计，称重范围0～10Kg,满量程量误差不大于0.005Kg，同时具有自动去皮计算物重，并能计价，具有键盘、显示功能。要求：(1)结构示意图(考虑粘贴方式及温度补偿)(2)信号采集及处理电路(3)单片机控制及程序设计，要求自动去皮计算物重，并能计价，具有键盘、显示电路首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。电子秤的实现过程：数据采集模块•压力传感器•信号的前级处理和A/D转换部分•A/D转换部分控制模块•单片机人机交互界面•键盘控制•LCD显示根据设计要求按照模块化的设计思想该系统可分为：压力传感器将质量变化转换为微弱的电压信号将微弱的电压信号经过滤波，消除噪声干扰，放大到一定程度的稳定的电压信号完成输入单价，系统开启，设置，清零，去皮等控制实现显示：单价、质量、金额等信息实现系统的控制将电压信号转换为数字信号供单片机处理传感器的选择高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。所以不适合作为电子秤的敏感原件。小功率、高阻抗。由于电容的特性受几何尺寸限制，不可以做的很小。而且初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。所以也不适合作为电子秤的敏感原件。应用和测量范围广，分辨力和灵敏度高，精度较高结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。易商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。所以我们选用电阻应变片式传感器作为电子秤的敏感元件电阻应变片式传感器电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。忽略电源的内阻时，由分压原理有：)(434211RRRRRRE))((43214231RRRRRRRREADABBDouuuu=电桥平衡：R1R3=R2R4=ou若差动工作：)()()()()()(RRRRRRRRERRRRuoERREk0前级放大电路部分：采用专用仪表放大器，如：AD620，INA126等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。AD620仪表放大结构图通过改变可变电阻R3的阻值，来改变放大器的增益。放大器的计算公式如下：G=49.4KΩ/R3+1AD620具有体积小，功耗低，精度高，噪声低，和输入偏置电流偏低的特点。其最大输入偏置电流为20nA，这一参数反应了他的高输入阻抗。AD620在外接电阻R0时，可实现1到1000内的任意增益，工作电源范围为+-2.3到+-18V，最大电源电流为1.3mA，最大输入失调电压为125uV，频带宽度为120Khz（在G=120）A/D转换模块：A/D转换器选用的原则：1.A/D转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上2.强抗干扰性3.要具有采样/保持器精度要求：A/D转换器误差应在3g以下12位A/D精度：10Kg/4096=2.44g14位A/D精度：10Kg/16384=0.61g；考虑到其他部分所带来的干扰，12位的A/D转换器无法满足要求。所以我们需要选择14位或者精度更高的A/D转换器。逐次逼近式A/D转换器：一般具有采样/保持功能。采样频率高，功率比较低，是理想的高速、高精度、省电等优点。但考虑到本次所转换的信号为一慢变信号。逐次逼近型A/D转换器的快速的优点不能很好的发挥双积分型A/D转换器：虽然速度较慢，但转换精度高（如：ICL7135），具有精确的差分输入。其输出阻抗高，可自动调零，具有超量程信号，全部输出与TTL电平兼容。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力特强，对高于工频干扰（例如噪声电压）也具有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转化器可大大降低对滤波电路的要求。作为电子秤，系统对AD转换速度要求并不高，精度上14位的A/D足以满足要求。另外双积分型A/D转化具有：抗干扰能力强和精确差分输入，低廉的价格等优势。A/D转换模块：控制模块：我们选择AT89C51单片机特点：能与MCS-51兼容，有4K字节可编程闪烁存储器，寿命能够达到1000写/擦循环，数据可以保留时间长达10年，全静态工作：0Hz-24MHz，三级程序存储器锁定，128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。所以AT89C51符合本次设计的主控芯片显示模块：我们可选的方案有：LED数码管显示，LCD液晶显示。虽然LED数码管显示实现原理简单，显示直观，编程简单，但显示内容单一，若要同时显示单价，金额等诸多信息则需要大量的数码管，而且不能显示中文，由此增加了电路的复杂程度，也加大了编程的难度。而LCD可以设置显示单价，金额，中文等信息，它具有低功耗，可视面大，画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已经得到广泛的应用。显示模块：LCD液晶显示我们选用1602字符型LCD显示1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。1602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符，芯片工作电压:4.5—5.5V，工作电流:2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压:5.0V，字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm键盘输入：键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。因此键盘模块设计的好坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。所以在考虑到简单、方便等方面后，我们选择4×4矩阵式键盘。当然它的消抖、重键等问题可以通过软件设计处理解决。电源模块：系统需要多种电源，单片机需要±5V,A/D转换需要±12V，+1V，传感器需要+10V以上的线性电压。稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。电源模块：电源部分我们采用模块化设计，应用一些集成芯片：采用7805,7905，7812和7912组成稳压电路7805，7905固定式三端稳压器可输出±5V,固定式三端可调稳压器7812和7812组装电路可对称输出±12v,其电路图如图所示.小结：数据采集部分由压力传感器、信号放大处理和A/D转换部分组成。在具体选择传感器时，考虑到在称量物品时必要的精度、准确性要求，所称物品的重量误差必须要控制在一定的范围之内。另外由于秤台的自身重量、振动和冲击分量，以及还要避免物体超重时对传感器的损坏，所以在选择传感器时要保证有一定的承重裕量，所选的传感器量程应该比系统设计要求的要大。一般选择满量程时候的误差不能大于规定量。由于传感器的输出信号中含有一定的干扰噪声，所以必须要对传感器的输出信号进行滤波，在滤波电路的设计时利用普通小电容滤除高频干扰，利用大的电解电容滤除低频干扰。传感器输出的电信号比较微弱，一般为毫伏级，必须采用适当的电路进行信号放大处理，这样才能保证整个系统的精度和稳定性能。这时需要共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度好，而且外部接口简单的专用仪表放大器AD620。在选择A/D转换器时根据系统精度的要求，选择了具有很强抗干扰能力A/D转换器ICL7135，虽然转换速度慢，但精度高，输入阻抗高，具有超量程信号，作为电子秤，系统对A/D转换的速度要求不高，而且ICL7135的转换精度足以满足系统的误差要求。根据以上设计方案，硬件部分采用51系列单片机AT89C51为控制核心部件，实现电子秤的基本控制功能。人机交互部分的键盘在系统中，可以输入数字和已经固定的控制命令等。在这次设计中我们采用了4×4键盘控制。显示用的LCD我们根据要求选用了字符点阵式液晶显示器LCD1602，可以一次满屏幕显示多个个中文字符或英文字符，满足电子秤在称物时的购物清单显示要求。硬件结构框图称重传感器数据采集模块放大器AD620滤波电路A/D转换器ICL7135单片机控制模块人机交换界面AT89C2051单片机4×4矩阵键盘16×2个字1602字符型LCD传感器YHC-106组合式荷重传感器产品介绍：荷重传感器采用组合式S梁作为弹性体，具有精度高、滞后小、通用性强、结构精巧等特点，广泛应用于皮带秤、调速秤等过程控制的场合。量程（Kg）：0.5123510203050100200。参数单位技术指标灵敏度mV/V2.0±0.01非线性≤%F·S±0.03滞后≤%F·S±0.03重复性≤%F·S±0.03蠕变≤%F·S/30min±0.03零点输出≤%F·S±1零点温度系数≤%F·S/10℃±0.03灵敏度温度系数≤%F·S/10℃±0.03工作温度范围℃-20℃~+80℃输入电阻Ω380±2Ω输出电阻Ω350±2Ω安全过载%F·S150%F·S绝缘电阻MΩ≥5000MΩ（50VDC）推荐激励电压V10V~15V滤波及放大电路消除高频噪声消除低频噪声前级滤波部分放大器的计算公式如下：G=49.4KΩ/R3+1A/D转化ICL7135ICL7315是一种双积分式4位半单片A/D转换器，其工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（俯冲频率），再通过定时器（计数器）获得数字信号。其内部结构分为模拟部分和数字部分。其中模拟电路受逻辑电路控制，通过12个模拟开关以导通和截止状态将一个转换周期分为4段：自校零段，被测电压积分采样段，参考电压回积段和积分器加零段。特点：1.输入阻抗可以达到1000MΩ2.自动校零3.有精确的差分输入4.自动判别信号极性5.有超量程，欠量程输出信号6.采用位扫描与BCD码输出7.输出全部与TTL兼容参数电源电压VccVin时钟频率基准电容Cr校零电容Caz参数值+-5V+-2V40KHZ–1MHZ1uF1uFICL7135的电气参数A/D转化ICL71351.时钟频率Fck的选择Fck=N*Ff/K式中，Ff为干扰信号的频率，最大的干扰信号一般为供电电源的干扰，其频率为50Hz。对于ICL7135，取N=10000，并取K=1，则Fck=500KHz.2.积分电阻RintRint=Vxm/2uA式中，Vxm为满量程电压，取2V，则Rint=100K。3.积分电容CintCint=N*20Ua/Fck·Vm对于ICL7135，N=10000，取Vm=4V,Fck=500KHz,所以Cint=0.1Uf单片机AT89C51构成的最小模式电路图软件设计主要思路：主程序的作用为程序初始化，计算单价木单重(单价和单重分别