07-邹欢-基于Ardunio的电子称设计说明书

1基于ArdunioArdunioArdunioArdunio的电子称设计说明书学生姓名与学号：邹欢20110310010201戴维斯20110310010524学院：机电工程学院专业:机械设计制造及其自动化班级：11机械卓越（1）班课程课程课程课程设计设计设计设计设计题目设计题目设计题目设计题目：：：：基于Arduino的电子秤的设计与实现课程名称课程名称课程名称课程名称：：：：测试技术学学学学院院院院：：：：机电工程学院专业班级专业班级专业班级专业班级：：：：机械（卓越）2011-1学生姓名学生姓名学生姓名学生姓名：：：：邹欢指导老师指导老师指导老师指导老师：：：：宋京伟23目录一．设计任务.............................................................................................11.1设计基本概述................................................................................11.2设计要求：....................................................................................1二．系统方案设计.....................................................................................12.1理论基础.........................................................................................12.2基本原理.........................................................................................2三．电路调试与实验.................................................................................33.1设计方案.........................................................................................33.2传感器的选择：............................................................................33.3电路选择：....................................................................................53.4放大及转换电路选择....................................................................63.5显示模块的选择............................................................................83.6调试方法......................................................................................103.7试验结果误差分析......................................................................10四．设计总结体会...................................................................................11附表11一．设计任务1.11.11.11.1设计基本概述：用压力传感器设计一个基于Ardunio的电子称。本设计分四个模块:电路模块，数据采集及放大模块，数模转换模块及显示模块。电路应用应变片构成称重电桥来采集电压的微小变化，经过专用型高精度24位AD转换芯片HX711后，将输入的电压信号转换成数字量输出，应用单片机或芯片MCU进行调试确定量程精度并显示在液晶显示屏LCD1602模块上，即可读取所测重量。1.21.21.21.2设计要求：（1）画出电路原理图（2）元器件及参数选择（3）详细设计出全过程，并写出设计报告。二．系统方案设计2.12.12.12.1理论基础1）原理主要用一个电阻应变式传感器，电阻应变式传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。也就是当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，这时输出的电流和电阻发生变化，这便可以当作一个信号，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，因此用一个放大器进行放大，放大后的模拟信号经模数转换电路转换为便于处理的数字信号输出。然后应用芯片HX711进行调试确定量程精度，并且用液晶LCD1602进行输出，在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，若需要还要在传感器与数模转换器之间加上信号调整电路。为了保护仪器还在需要时加上报警电路。2）待解决问题（1）应变片灵敏度要高，因为是小量程的则形变很小。（2）因为形变小所以很难找到合理的应变片以得到合理分辨力。（3）因量程小则数据进入线性区域困难。（4）因应力很小则应该尽量减少其它力的影响以减小误差。2.22.22.22.2基本原理1）电子称是由称重传感器感知外界的重力，再把转换的电信号传送给电子电路的。在称重时不要过力，特别是小称量的秤，所称的物品要轻拿轻放，以免损坏传感器。2）必须给电子秤一个稳定的工作电压，使之提高称重的准确性。3）电子秤最好在干燥通风的环境中使用（防水电子秤除外），因为，传感器和电子元件长期工作在潮湿的环境中会缩短使用寿命，给您带来经济损失。24）电子秤内部使用的是运算放大器、A/D模数转换器和连接电路，为使您称重准确，应远离强电磁干扰源，如（电焊机，电钻，磁铁，大型电动机）等。三．电路调试与实验3.13.13.13.1设计方案通过称重电桥产生电信号，经过放大电路将信号放大后送入A/D转换芯片将模拟量转换成数字信号，将转换后的信号直接输入液晶显示屏进行显示。其电路方框图如图所示：3.23.23.23.2传感器的选择：由于压力传感器的种类很多，选择也很多，我们选择的是量程为3kg的电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是将被测量的力通过他产生的金属弹性变形转换电阻变化的元件。由于电子应变片对温度很敏感，因此测量时会产生误差，所以测量时我们会在这方面注意。3.2.13.2.13.2.13.2.1量程计算3kg传感器满量程输出电压=激励电压*灵敏度1.0mv/v。当供电电压为5v时，乘以灵敏度1.0mv/v=满量程5mmv。相对于3kg重力产生5mv电压。电阻应变式传感器信号放大器模拟数字信号转换器LED显示稳定供电电源图一芯片处理与LED输出型案3对不同的传感器需矫正7.16这个除数。3.2.23.2.23.2.23.2.2工作原理称重传感器的工作原理如下：图二传感器工作原理图将应变片粘贴到受力的力敏型弹性元件上，当弹性元件受力产生变形时，应变片产生相应的应变，转换成电阻变化。3.2.33.2.33.2.33.2.3桥式电路应变式力传感器的电路工作原理如下图：4图三应变式力传感器的电路工作原理图力引起电阻的变化将转化为测量电路电压的变化，通过测量输出电压的数值，在通过换算便可得到所测物体的重量。电桥的四个臂上接工作应变片，都参与机械变形，同处一个温度场，温度影响相互抵消，电压输出灵敏度高。3.33.33.33.3电路选择：我们选择的电路是桥式测量电路，桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以使电阻应变片的电阻，电桥的两个对角分别接入+5，-5的电压。工作原理是：当四个桥臂电阻达到相应关系时，电桥输出为0，否则就有电压输出，可利用灵敏电力计来测量，所以电桥电路能够灵敏的测出电阻变化。电路图如下：图四芯桥式测量电路3.43.43.43.4放大及转换电路选择传感器的输出电压一般为毫伏级，而A/D转换器的电压一般为伏级的，因此要进行电压放大。我们将一些放大器进行比较后，决定采用专用型高精度24位AD转换芯片HX711实现信号的放大和A/D的转换。3.4.13.4.13.4.13.4.1HX711HX711HX711HX711芯片简介HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型5芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。3.4.23.4.23.4.23.4.2HX711HX711HX711HX711芯片特点两路可选择差分输入；片内低噪声可编程放大器，可选增益为64和128；片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内A/D转换器提供电源；片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可使用外接晶振或时钟；上电自动复位电路；简单的数字控制和串口通讯：所有控制由管脚输入，芯片内寄存器无需编程；可选择10Hz或80Hz的输出数据速率；同步抑制50Hz和60Hz的电源干扰；耗电量（含稳压电源电路）：典型工作电流：1.7mA,断电电流：1μA；工作电压范围：2.6~5.5V；3.4.33.4.33.4.33.4.3HX711HX711HX711HX711管脚图图五HX711管脚图3.4.4HX7113.4.4HX7113.4.4HX7113.4.4HX711的应用电路图高精度高增益24位A/D芯片HX711在电子秤应用中的典型电路图：图6图六HX711的应用电路图3.53.53.53.5显示模块的选择对于人机交互界面为键盘输入和点阵式液晶显示，主要使用4*4矩阵键盘和1602液晶显示器，可以方便的输入数据和直观的显示数据。3.5.13.5.13.5.13.5.11602LCD1602LCD1602LCD1602LCD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。3.5.23.5.23.5.23.5.21602LCD1602LCD1602LCD1602LCD引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2所示:编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极表1引脚接口说明3.5.33.5.33.5.33.5.31602