教你快速学会多功能电子计价设计

多功能数字电子计价秤作者：郑冰环赵晨陈兵辅导教师：干开封张为堂摘要本文设计一种利用电阻应变式压力传感器和MCS-51单片机等器件制作的多功能数字电子计价秤。该秤可以对15Kg量程范围内的物体进行称量，能实现称重、数码显示、计价等功能。该电子秤利用电桥测量原理，将压力应变传感器阻值转换为电压值，再通过低通滤波，经过两级放大电路将电压放大，通过确定输出电压和标准重量的关系，形成一台原始电子秤。将此输出电压经过模数转换，送入MCS-51单片机处理，控制LCD液晶屏显示称量结果。关键字：电子秤应变式压力传感器放大电路单片机一、引言随着科技的发展，检测技术已经深入各种领域。本题目要求制作一多功能数字电子计价秤。要求满足如下功能：（1）能用键盘设置单价，称重后能同时显示重量、单价和总额；电子计价秤的最大称重为15.000公斤，重量误差不大于±0.1％；（2）具有数码显示，显示重量、单价、总额等信息。a.重量显示为5位数码，单位为公斤，最大重量显示值为99.999公斤；b.单价金额显示为5位数码，单位为元，最大单价金额显示值值为999.99元；c.总价金额显示为6位数码，单位为元，最大总价金额显示值值为9999.99元，总价金额误差不大于0.01元；（3）具有实时时钟显示并具有掉电保护，可显示日历时钟（年、月、日、时、分、秒）；（4）扩展高精度A/D转换器，提高电子计价秤测量精度，测量误差不大于±0.01％；（5）能预存10种商品的单价；可以随意调出使用。系统框图如下图1所示：传感器A/D变换单片机放大器键盘显示图1多功能数字电子计价秤系统框图二、方案设计1.设计思路要实现电子计价秤需要选择合适的传感器，传感器精度越高，转换的模拟电压稳定性要求越高，因此添加一个低通滤波电路模块，再由放大器放大成满足A/D转换的电压，将转换后的数字量传至单片机控制数码显示。2.方案论证与选择（1）系统方案论证与选择通过以上分析，拟定以下两种方案：方案一：采用ATmega16单片机作为系统主控制器。Atmel公司的ATmega16单片机具有先进的RISC(精简指令集计算机)结构、非易失性程序和数据存储器，16kB可编程Flash存储器、512B的EEPROM和1kB片内SRAM，具有丰富的外设接口，其USART(通用同步和异步接收器和转发器)是一个高度灵活的串行通信设备，SPI(串行外设接口)允许ATmega16与外设或其他AVR器件进行高速的同步数据传输。内部集成高精度10位A/D转换器。系统原理框图如下图2所示：图2方案一原理框图方案二：采用AT89S52单片机作为系统主控制器。AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。系统原理框图如下图3所示：图3方案二原理框图方案一主控制系统内部集成了A/D转换器，可以节省外部器件，简化外部电路，但是MEGA16单片机价格较贵，运用技术不够成熟。方案二AT89S52单片机的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。它需要外接A/D转换电路，相对比较复杂，但是成本低。综合比较，考虑到成本和设计需要，10位A/D能够满足题目需求，因此采用方案二。（2）传感器的论证与选择方案一：采用双孔悬壁梁式（电阻应变式）称重传感器。孔悬臂梁式称重传感器是电子计价秤中广泛使用的传感器。这种传感器的弹性体具有上下两个平行梁，它的最大特点就是具有抗偏载的力学特性。它的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好。方案二：采用电磁力式传感器。它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜;光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达1/2000～1/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。综合比较两种传感器的结构、力学特性和称重范围等，采用方案一。（3）显示器的论证与选择方案一：采用七段数码管显示。数码管，显示大亮度高，驱动部份的软件简单，但是耗电和功耗比较大。题目要求最高显示6位数码，对数码管而言硬件电路较复杂，还要显示万年历，因此数码管不适合完成此功能。方案二：采用LCD12864液晶显示。12864是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。具有很好的人机界面。方案三：采用LCD320*240液晶显示。该液晶屏具有更大的显示界面，可以实现多层次显示，更具人性化。综合比较，考虑到需显示的量比较多，因此同时采用方案二和方案三。12864主要显示时间和时钟，320*240大屏显示重量价格、菜单等。3.系统硬件电路设计（1）电阻应变式传感器电路电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成，其主要参数如附录1所示。电阻应变片产生的误差，主要来源于温度的影响，本设计主要在实验室内进行，温度的影响可不考虑。内部丝绕式应变片结构图如下图4所示：当贴有电阻应变片的弹性平衡梁受到载荷Ｆ作用时，电阻应变片Ｒ1和Ｒ3受到拉伸作用，阻值增加；Ｒ2和Ｒ4受到压缩作用，阻值减小，电桥失去平衡，产生的不平衡电压Ｕ的大小与所受作用力Ｆ成正比。电桥的输出电压反映了电阻应变片相应的受力状态。电桥电路如图5所示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，当使用一个应变片时，RRRΣ；当二个应变片组成差动状态工作，则有RR2RΣ；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1=R2=R3=R4=R，RR4RΣ。当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。应变电桥电路如下图6所示：图6电桥应变电路原理图若电桥不平衡时，即R1R3≠R2R4时，电桥输出：URRRRRRRRU))((432142310恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输出电压只与应变片输出有关。令R1=R2,R3=R4,在应变片工作时，其电阻R1变化△R,此时电桥的灵敏度为：ku=U/4电压输出为:UO=(U/4)(△R1/R1)。（2）低通滤波电路滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。传感器过来的信号经常带有各种各样的干扰，因此要采用滤波电路来去除干扰。综合考虑，采用低通滤波器，运放采用NE5532，电路原理如下图7所示：图7低通滤波电路原理图传感器输出信号非常小，因此设置低通截止频率为fc=100Hz。选择电容为100nF，根据公式计算电阻得1510.1010021C21216ππfcRR二阶巴特沃思低通滤波器的增益为152.1VFA，设置R3=50K，R4=100K。（3）放大器电路传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，这里选择常用的仪用放大器，原理图如图8所示。共模抑制比：来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）。一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100～120dB。因此，采用低漂移运算放大器NE5532和op07构成的双运放高共模抑制比放大电路。电路原理如下图9所示：图9仪用放大器电路原理图如图示，输入分别为1v、2v，输出为ov。仪用放大器的电压增益为)21(7315211RRRRvvvAov调节R7可以调节增益范围30dB～80dB。末级放大采用OP07，控制末级增益为892RRAv，R9设置可调，末级电路增益可调范围0～0.56dB。（4）A/D转换器A/D转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。题目要求称重数值位数为5位，因此对A/D转换器的精度要求非常高。该设计运用的是AVRMEGA16单片机内部10位A/D转换器，A/D转换器的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关，系统精度涉及的环节很多，包括传感器的变换精度，信号预处理电路精度A/D转换器以及输出电路等。A/D转换器的原理图如附录2所示。（5）按键/显示模块按键采用4*4矩阵式键盘，键盘电路如附录3所示；显示采用LCD12864和320*240显示，分别采用串行和并行方式。它们与单片机的连接图如附录4所示。（5）电源模块设计要求电源供给所有模块±15V电压。电源电路原理图如附录5所示，三端稳压芯片LM317起稳压作用，2200uf电解电容、100uf和0.33uf瓷片电容起滤除纹波作用，输出±15V提供给各单元电路。4．系统程序设计以AT89S52单片机为主控制器，完成传感器检测数据的处理、键盘操作处理和显示处理。AVR单片机提供A/D转换、时钟显示和EEPROM数据掉电保护。传感器输出模拟电压放大后经AVR单片机集成A/D转换器转换成数字量，通过UART串口通讯传至AT89S52单片机进行处理。系统程序流程图如下图10所示：图10系统程序流程图三、系统调试系统正常工作前须调试，调试根据以下程序进行：①在秤体自然下垂无负载时调R6，显示为零；②再调整R7，使秤体承担满量程15千克时显示满量程值；③然后在秤钩下悬挂1千克的标准砝码，观察显示器是否显示1.000，如有偏差，可调整R9值，使之准确显示1.000；④重新进行2、3步骤，使之均满足要求为止；四、系统测试1．测试条件和测试仪器设备系统容易受到温度的干扰，测试时必须在室温下进行，并要确保供电电源的稳定性，测试仪器设备如下表1所示：表1测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注出厂编号1Tektronix示波器1TektronixC0390702函数信号发生器EE164281南京新联电子设备有限公司0013983数字万用表UT58E1UNI-T30500306334备用电子秤15秒表12．测试方法和测试结果（1）掉电保护测试。系统运行，当显示2010年7月23日10时30分15秒时迅速断电，计时5秒并迅速上电，万年历显示2010年7月23日10时30分21秒。由于人的反应时间影响，允许误差，说明掉电保护可行。（2）称重范围测试。传感器参数显示称重范围为0～100kg，选取磅秤砝码，从最小重量砝码开始，无称重，再逐个往上加，直到有称重时停止，再换小砝码细秤，测出称重下限为100g。用15kg砝码测试，计价秤能正常工作。（3）电子计价秤精度测试。分别将重量为600g,2kg,8kg,12kg的砝码放在电子秤上称重，单价预置为10元/Kg。根据公式①计算出重量的秤量精度；总额用公式②计算；总额的误差用公式来计算，将数据记录于下表2中。分析得出结论，传感器测量不够灵敏，A/D转换速度也是造成此结果的原因。①误差=%100实际值实际值测量值②总额=重量×单价③实际值测量值误差表2单价为10.00元/Kg下不同砝码重量和总额的测量数据记录表序号项目1234重量实际值（Kg）0.6002.0008.00012.000测量值（Kg）0.5621.9807.98511.955误差（%）-6.333%-1.000%-0.187%-