目錄 摘 要I Abstract.II 1 設計任務與要求.1 1.1 設計任務.1 1.2 設計思路.1 1.3 技術指標.1 2 方案設計與論證.2 2.1 方案一2 2.2 方案二.2 3 電子元器件的選取.3 3.1 傳感器的選擇.3 3.2 運算放大器的選擇.3 3.3 模數轉換(A/D)芯片的選取 .3 3.4 顯示器的選擇.3 4 各硬件模塊的具體實現方案.4 4.1 電源模塊.4 4.2 傳感器模塊.4 4.3 差動放大電路.7 4.4 A/D 轉換.8 4.5 顯示電路.10 4.6 工作電路.11 5 系統軟件設計.11 5.1 電子秤的信號處理流程.12 5.2 軟件流程圖12 6 系統功能.13 總 結.14 參 考 文 獻.15 致 謝.16 附 錄.17 I 摘 要 本文描述了基于 AT89C52 單片機設計的電子秤原理及實現方法。該系統由 51 單片 機的改良版 52 單片機控制，通過液晶屏自動顯示所稱物體的重量。其電路構成主要有 測量電路，差動放大電路，A/D 轉換，單片機控制電路、顯示電路。測量電路利用電阻 式應變器件將物體的重量信號轉化成相應大小的電信號，通過差動放大電路將電信號 放大到 AD 芯片能夠識別的范圍內從而能將電信號轉換成對應的數字信號送給單片機處 理，最終在液晶上顯示所稱物體的重量，系統通過軟件實現自動換擋。經調試和測試， 系統各項性能參數基本達到設計要求。 關鍵詞：稱重傳感器；差分放大器；A/D 轉換器；AT89C52 單片機；1602 液晶； 自動換擋 II ABSTRACT This article describes the design of AT89C52 microcontroller based on electronic scale theory and implementation methods. The system consists of 51 single-chip microprocessor control improved version 52, the LCD displays that object automatically. Its components are measuring circuit, differential amplifiers, A/d conversion, the microcomputer control circuit, show circuit. The measuring circuit using resistance strain the weight of the device object into the appropriate signals to the size of the electrical signals through the differential amplifier will signal amplification to AD chip can identify scope so that they could be an electrical signal into a digital signal corresponding to the handle to the SCM in the LCD display that the weight of the object, the system automatically by software implementation. Through debugging, and testing, system performance parameters basic design index. Keywords: Weighing sensors; differential amplifier Module; A/D converter ;AT89C52; 1602 LCD ; Automatic shift 1 1 設計任務與要求 1.1 設計任務 1設計一個數字電子秤，測量范圍分成四檔， 01.999Kg、019.99Kg、0199.9Kg、01999Kg。 2用數字顯示被測重量，小數點位置對應不同的量程顯示。 3具有量程自動切換功能。 1.2 設計思路 用電子秤稱重的過程是把被測物體的重量通過傳感器轉換成電壓信號。由于這一 信號通常都很小，需要進行放大，放大后的模擬信號經模/數變換轉換成數字量，再通 過顯示器顯示出重量。由于被測物體的重量相差較大，根據不同的測量范圍要求，可 由電路自動切換量程，同時顯示器的小數點數位對應不同量程而變化，即可實現電子 秤的要求。 1.3 技術指標 1.3.1 電子秤工作原理 當被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感 器隨之產生力電效應，將物體的重量轉換成與被稱物體重量成一定函數關系(一般成 正比關系)的電信號(電壓或電流等)。此信號由放大電路進行放大、經濾波后再由模/數 （A/D）轉換器進行轉換，單片機對轉換后的數字信號進行必要的判斷、分析，再送到 顯示電路。 1.3.2 電子秤的計量性能 電子秤的計量性能涉及的主要技術指標有：量程、分度值、分度數、準確度等級 等。 （1）量程：電子衡器的最大稱量 Max，即電子秤在正常工作情況下，所能稱量的最 大值。 （2）分度值：電子秤的測量范圍被分成若干等份，每份值即為分度值，用 e 或 d 來表示。 （3）分度數：衡器的測量范圍被分成若干等份，總份數即為分度數用 n 表示， 電子衡器的最大稱量 Max 可以用總分度數 n 與分度值 d 的乘積來表示，即：Max=n d。 2 2 方案設計與論證 2.1 方案一 方案一方框圖如圖 2.1 所示 通過秤重電橋產生電壓信號，經放大電路把信號放大后輸入 A/D 轉換芯片 TCL2543 進行 A/D 轉換，由于此芯片可直接用于數字顯示，故轉換后的數字量直接用數碼顯示 器進行顯示。此方案的優點是外部電路非常簡單，能實現較高的精度。缺點是無法對 A/D 轉換進行控制。 圖 1 方案一方框圖 2.2 方案二 通過稱重電橋產生電壓信號，經放大電路把信號放大后輸入 A/D 轉換芯片進行數 據轉換，再將得到的數字信號送至單片機進行處理并送入液晶顯示。此方案的優點是 可控制性好，電路簡單，原理思路清晰，液晶的硬件電路也比數碼管簡單,且技術領先 于數碼管,能提高產品檔次，采用單片機對采集的數據稍加處理,能通過軟件在一定程 度上彌補與調試硬件所無法避免的數據抖動，使最終所測得的數據更可靠、參考性更 強，而且單片機的價錢也不算昂貴，在設計組所能承受的范圍之內。所以綜合各方面 條件我們選擇方案二作為最終設計方案。其中自動換擋部分采用軟件實現。 數據采集 放大電路 A/D 轉換電路 顯示電路 3 圖 2 方案二方框圖 3 電子元器件的選取 3.1 傳感器的選擇 基于原理上的考慮，四級換擋每一級別的換擋原理完全一樣，加之能承受大重量 的傳感器價格過高無法承受，所以我們選用量程為 3kg 的小型稱重傳感器以實現一二 級別檔位的自動轉換，另兩檔位在傳感器滿足條件的情況下可按同樣的方式實現，所 以該改動對設計的考察范圍影響不大。 3.2 運算放大器的選擇 市場上有已成形的集成運算放大器，如 AD620 儀用放大器能直接用于該設計的放 大部分，且集成芯片相對于自己用單運放搭接的運放電路具有更穩定的性能，誤差更 小；但集成運算放大器價格相對較高，而且自己搭接的運放電路其誤差范圍已經基本 滿足本設計的要求，所以我們選取 OP07 單運放搭接差分運算放大器的方式，同時一定 程度上鍛煉了模擬電路的實踐能力。 3.3 模數轉換(A/D)芯片的選取 根據本課題的要求，要滿足最低檔位的分辨率，必須選取位數較高的 A/D 芯片， 串行的 TLC2543 芯片驅動程序相對并行 A/D 復雜一點，但根據市場零售價格比較，該 芯片是滿足要求的最便宜的芯片，本著開發項目盡量縮減成本的原則我們最終選取了 該芯片。 3.4 顯示器的選擇 選取 smc1602a LCD 點陣型液晶對單片機處理過后的數據進行顯示。 數據采集電路 放大電路 A D 轉 換 單 片 機 顯示電路 自動換擋電路 4 4 各硬件模塊的具體實現方案 系統硬件以 OP07 為核心，包括電源模塊、數據采集模塊、A/D 轉換模塊、自動換 檔模塊、液晶顯示模塊。 4.1 電源模塊 3kg 稱重傳感器能承受的激勵電壓為 510V，運放電路要求正負 9V 電源。 4.1.1 電源原理 穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路組成，如圖 3 電源變 壓器 整流電 路 濾 波 電 路 穩 壓 電 路 U1 U2 U3 U4 U5 圖 3 電源方框及波形圖 整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓 U2變換成脈動電壓 U3。濾波電路一般 由電容組成，其作用是脈動電壓 U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電 壓 U4。 穩壓電路：由于得到的輸出電壓 U4受負載、輸入電壓和溫度的影響不穩定，為 了得到更為穩定電壓添加了穩壓電路，從而得到穩定的電壓 U0。 4.2 傳感器模塊 電阻應變式傳感器就是將被測物理量的變化轉換成電阻值的變化 , 再經相應的測 量電路而最后顯示或記錄被測量值的變化。在這里，我們用電阻應變式傳感器作為測 量電路的核心。并應根據測量對象的要求，恰當地選擇精度和范圍度1。 電阻應變式稱重傳感器是把電阻應變計粘貼在彈性敏感元件上，然后以適當方式 5 組成電橋的一種將力（重量）轉換成電信號的傳感器。 電阻應變式稱重傳感器包括兩個主要部分，一個是彈性敏感元件：利用它將被測 的重量轉換為彈性體的應變值；另一個是電阻應變計：它作為傳感元件將彈性體的應 變，同步地轉換為電阻值的變化。電阻應變片所感受的機械應變量一般為 ，隨之而生 的電阻變化率也大約在10-610-7數量級之間。這樣小的電阻變化用一般測量電阻的儀表 很難測出，必須采用一定形式的測量電路將微小的電阻變化率轉變成電壓或電流的變 化，才能用二次儀表顯示出來。在電阻應變式稱重傳感器中通過橋式電路將電阻的變 化轉換為電壓變化。電阻應變式稱重傳感器工作原理框圖如圖 5 所示： 圖 4 電阻應變式稱重傳感器工作原理框圖 當傳感器不受載荷時，彈性敏感元件不產生應變，粘貼在其上的應變片不發生變 形，阻值不變，電橋平衡，輸出電壓為零；當傳感器受力時，即彈性敏感元件受載荷 P 時，應變片就會發生變形，阻值發生變化，電橋失去平衡，有輸出電壓2。 電阻應變式稱重傳感器橋式測量電路如圖 6 所示： 圖 5 橋式測量電路 R1、R2、R3、R4 為 4 個應變片電阻，組成了橋式測量電路，Rm 為溫度補償電阻， e 為激勵電壓，V 為輸出電壓。 若不考慮 Rm，在應變片電阻變化以前，電橋的輸出電壓為： e RR R RR R V 43 4 21 1 由于橋臂的起始電阻全等，即 R1 = R2 = R3 = R4 = R，所以 V=0 。 載荷 P 電壓 應變 電阻變化 R 輸出 敏感元件 應變片測量電橋 6 當應變片的電阻 R1、R2、R3、R4 變成 R+R1、R+R2、R+R3、R+R4 時，電 橋的輸 出電壓變為： e RRRR RR RRRR RR V 43 4 21 11 通過化簡，上式則變為： R R R R R R R Re V 4321 4 也就是說，電橋輸出電壓的變化與各臂電阻變化率的代數和成正比。 如果四個橋臂應變片的靈敏系數相同，且 K R R ，則上式又可寫成： 4321 4 eK V 式中 K 為應變片靈敏系數， 為應變量。 上式表明，電橋的輸出電壓和四個轎臂的應變片所感受的應變量的代數和成正比。 在電阻應變式稱重傳感器中，4 個應變片分別貼在彈性梁的 4 個敏感部位，傳感器受力 作用后發生變形。在力的作用下，R1、R3 被拉伸，阻值增大，R1、R3 正值， R2、R4 被壓縮，阻值減小，R2、R4 為負值。再加之應變片阻值變化的絕對值相同， 即： R1 = R3 = + R 或 1 = 3 = + R2 = R4= - R 或 2 = 4 = - 因此： eK RmR R e R R RmR R e RmR R R RR R RR V 22222 令 e U Su ，則 K RmR R Su 2 ，Su 稱為傳感器系數或傳感器輸出靈敏度。 圖 6 應變式傳感器安裝示意圖 7 4.3 差動放大電路 目前的電子稱重裝置大都使用電阻應變橋式傳感器,其核心是由電阻應變計(應變 片)構成的電橋電路,這類傳感器具有成本低、精度高且溫度穩定性好的特點。但其檢 測原理決定該類傳感器輸出電壓低,要經過差分放大電路放大數百倍才能用于 A/D 轉換。 一般說來，傳感器輸出的電壓值都非常小，基本上都是毫伏級甚至微伏級。在設計高 精度電子秤時，需要外部放大電路來獲得足夠的增益。 4.3.1.儀表儀器放大器的選擇 儀表儀器放大器的選型很多，我們這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，就 是典型的差動放大器。它只需高精度 OP07 和幾只電阻器，即可構成性能優越的儀表用 放大器。廣泛應用于工業自動控制、儀器儀表、電氣測量等數字采集的系統中3。 OP07 參數： 低的輸入噪聲電壓幅度0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz) 極低的輸入失調電壓10 V 極低的輸入失調電壓溫漂0.2 V/ 具有長期的穩定性0.2 V/MO 低的輸入偏置電流 1nA 高的共模抑制比126dB 寬的共模輸入電壓范圍14V 寬的電源電壓范圍 3V 22V OP07 芯片是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路。由于 OP07 具 有非常低的輸入失調電壓，所以 OP07 在很多應用場合不需要額外的調零措施。OP07 同 時具有輸入偏置電流低和開環增益高的特點，這種低失調、高開環增益的特性使得 OP07 特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面4。 芯片封裝如下圖： 圖 7 芯片封裝圖 OP07 芯片引腳功能說明：1 和 8 為偏置平衡(調零端)，2 為反向輸入端，3 為正向 Offset Null 1 Inverting Input 2 Non-inverting Inpute 3 Vcc- 4 8 Offset Null2 7 Vcc+ 6 Output 5 N.C. + 8 輸入端，4 接地，5 空腳 6 為輸出，7 接電源+ 。 4.4 A/D 轉換 在實際的測量和控制系統中檢測到的常是時間、數值都連續變化的物理量，這種 連續變化的物理量稱之為模擬量，與此對應的電信號是模擬電信號。模擬量要輸入到 單片機中進行處理，首先要經過模擬量到數字量的轉換，單片機才能接收、處理。實 現模/數轉換的部件稱 A/D 轉換器或 ADC。隨著大規模集成電路技術的飛速發展和電子 計算機技術在工程領域的廣泛應用，為滿足各種不同的檢測及控制任務的需要，大量 結構不同、性能各異的 A/D 轉換電路不斷產生5。 4.4.1A/D 轉換器的選擇 常用的幾種 A/D 類型：積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、- 調制 型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。本次設計使用的 A/D 為 TLC2543 串行逐次比 較型 AD，逐次比較型的具體原理圖如下: 圖 8 A/D 轉換逐次比較型原理圖 4.4.2TLC2543 主要性能參數 12 位分辨率、10s 轉換時間、11 個模擬輸入通道、采樣率為 66kbps； 4.4.3 TLC2543 封裝形式及各管腳功能 其封裝形式如下圖： 9 圖 9 TLC 封裝形式圖 電源引腳：VCC,20 腳：為電源正，一般接+5V； GND，10 腳：為電源地。 REF+，14 腳：正基準點壓端，一般接+5V。 REF-，13 腳：負基準電壓端，一般接地。 控制引腳 CS ,15 引腳：片選端，低電平有效，由外部輸入。 EOC，19 腳：轉換結束端，向外部輸出，數據轉換結束硬件自動置低該 管腳。 I/O CLOCK，18 腳：控制輸入輸出的時鐘，由外部輸入。 模擬輸入引腳 AIN0AIN10,19 腳、1112 腳：11 路模擬輸入端，輸入電壓范圍： 0.3V +0.3V。 控制字輸入引腳 DATE TNPUT，17 腳：控制字輸入端，選擇通道及輸出數據格式的控制 字由此輸入。 轉換數據輸出引腳 DATE OUT，16 腳：A/D 轉換結果輸出的 3 態串行輸出端。 10 4.4.4.實際硬件電路連接圖（AIN0 為信號模擬信號接收端） 圖 10 硬件連接圖 4.5 顯示電路 1602 液晶顯示模塊可以和單片機 AT89C51 直接接口,電路圖如圖 4.7 圖 11 1602LCD 與 51 單片機接口電路 11 4.6 工作電路 圖 12 工作原理電路圖 工作原理電路圖如圖 12 其主要部分為電阻應變式傳感器 R1 及 IC2、IC3 組成的測 量放大電路，和 IC1 及外圍元件組成的液晶顯示面表。測量電路將 R1 產生的電阻應變 量轉換成電壓信號輸出。IC3 將經轉換后的弱電壓信號進行放大，作為 AD 轉換器的 模擬電壓輸入。IC4 提供 l22V 基準電壓，它同時經 R5、R6 及 RP2 分壓后作為 A/D 轉 換器的參考電壓。A/D 轉換器 TCL2543 參考電壓輸人正端，由 RP2 中間觸頭引入，負端 則由 RP3 的中間觸頭引入。兩端參考電壓可對傳感器非線性誤差進行適量補償。 5 系統軟件設計 軟件設計需要有一個細致全面的過程，一般須先清楚的列出電子秤各部分電路與 軟件設計的有關特點，并進行定義說明，以作為軟件設計的根據。在此基礎上畫出軟 件的功 能流程圖，程序流程圖，再根據程序流程圖用匯編語言或高級語言寫出。本次 12 設計采用 C 語言編寫。 5.1 電子秤的信號處理流程 電子秤要求有及時數據采集、處理、存結果、送顯示的運行過程。根據這一要求， 電子秤的信息測量與處理分三個階段： 1.在微處理器的控制下，經傳感器轉換的電壓信號通過輸入電路送 A/D 轉換器處理， 變為相應的數字量，存入到數據存儲器中。 2.微處理器對采集的測量數據進行必要的數據處理。 3.顯示處理結果，把數據信號處理為顯示及記錄所要求的信號格式，通過輸出接口 電路輸出并顯示與記錄。 其信息處理的流程圖如下圖： 圖 13 信息處理流程圖 5.2 軟件流程圖 為了方便程序調試和提高可靠性，程序設計采用自上而下、模塊化、結構化的程 序設計方法，把總的編程過程逐步細分，分解成一個個功能模塊，每個功能模塊相互 獨立，每個模塊都能完成一個明確的任務，實現某個具體的功能。本設計按任務模塊 劃分的程序主要有初始化程序、主程序， A/D 轉換子程序、顯示子程序。 5.2.1.初始化程序設計 單片機系統上電后，進入初始化程序，完成單片機片內各模塊的設置和 A/D 轉換 器的功能設置初始化，然后進入主程序。 5.2.2.主程序設計 單片機完成初始化程序后進入主程序，主程序主要完成對存儲參數的讀取，對檢 測到的數據進行數據處理，顯示處理等。 輸入接口數據采集 數據存儲 數據處理 記錄顯示用數據 輸出接口（驅動顯示） 13 開 始 液晶初始化 判斷單片機 是否處理完 Y 送入液晶 顯示 N 顯示無 稱重狀態 圖 14 主程序流程圖 5.2.3.信號采樣與 A/D 轉換子程序的設計 信號采樣與 A/D 轉換子程序流程見圖 15 5.2.4.具體程序見附錄 6 系統功能 該數字電子秤，測量范圍分成四檔， 01.999Kg、019.99Kg0199.9Kg、01999Kg。用數字顯示被測重量，小數點位置 對應不同的量程顯示，且具有量程自動切換功能。 14 圖 15 子程序設計流程圖 總 結 本課程設計制作的電子秤，集傳感器技術、微機技術于一體，實現了基本的秤重 顯示功能，稍加擴展，還可與其他生產質量管理系統相連接，實現數據交換記錄分析 等功能，具有推廣應用價值。 在實際操作中，放大器部分遇到的問題最大。由于傳感器輸出電壓較小，使得放 大電路的調適任務比較困難。對此，我們先是選用合適的電路形式，即儀表放大接一 級可調電平高低的比例放大；接下來給放大器各級輸入一個容易實現的電壓，看看各 級放大倍數是否與理論相符；這之后再使傳感器輸出在一個基準值上下變化，如 300mV，而不是在 0 上下變化，這樣放大出的電壓較為穩定；增加的基準電壓由第三 級調到 0 左右，不能準確調零的部分再由單片機去皮調零。 15 參 考 文 獻 1 張毅坤. 微型計算機原理及應用M. 西安:西安電子科技大學出版社,1998. 2 余錫存 曹國華. 單片機原理及接口技術M.陜西:西安電子科技大學出版社,2000. 3 雷麗文 等. 微機原理與接口技術M.北京:電子工業出版社.,1997. 4 薛曉書. 單片微機原理及接口技術M.陜西:西安石油大學出版社,2002. 5康華光. 電子技術基礎模擬部分M.北京:高等教育出版社,2006 6 黃智偉 朱衛華. 單片機與嵌入式系統應用M.衡陽:南華大學出版社,2005. 7 馬忠梅. 單片機的 C 語言應用程序設計M.北京:北京航空航天大學出版社,1996. 8 何立民. 單片機應用系統設計M.北京:北京航空航天大學出版社,1996. 9 李 華. MCS-51 系列單片實用接口技術M.北京:北京航空航天大學出版社,1993. 10 何立民. 單片機應用技術選編(一)M.北京:北京航空航天大學出版社,1993. 11 梁鑰 李愛齊. C 語言程序設計實用技術與程序實例M.上海:上海科普出版社,1996. 16 致 謝 本文是在譚喬來老師的精心指導下完成的.論文從選題到完成的整個過程中,得到了 譚老師的熱情幫助和精心指導.譚老師嚴謹的治學態度,淵博的專業知識,敏銳的學術眼光,精 益求精的精神給我留下了深刻的印象,并對我的學習和工作產生極大的促進作用.在論文 完成之際,我要感謝譚老師對我在四年學習上的關心和教誨,特向譚老師表示深深的敬意 和感謝! 本文在寫作過程中參考了大量的文獻資料,主要文獻資料已開列出來,本文的有些句 子或段落引自這些參考文獻.在此向所有的作者表示深深的感謝! 在本科學習的四年中,我與同學建立了深厚的友誼,他們在我遇到困難時無私地伸出 援助之手,對他們的幫助我特別感謝.最后,對關心,支持我的親人和老師致以最衷心的感 謝! 17 附 錄 程序清單: #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit rs=P00; sbit lcdrw=P01; sbit lcden=P02; sbit clock=P10; sbit DI=P11; sbit DO=P12; sbit cs=P13; uchar l,m,n,o,p,num; uchar code table=0，1，2，3，4，5，6，7，8，9; void display()；/1602 液晶顯示函數 void