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B设计放大电路,以便单片机对其信号进行后续处理。
C用7段数码管或其他显示模块进行重量的显示,单位为:
kg。
D根据应用场合设计扩展功能(加分选做设计部分)
三、原理框图
四、系统总体方案设计与比较
在设计系统时,针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种:
方案一数码管显示
此方案利用数码管显示物体重量,简单可行,可以用内部带有模数转换功能的单片机。
由些设计出的电子称重系统,硬件部分简单,接口电路易于实现,并且在编程进大大减少程序量,在电路结构上只有简单的输出输入关系。
缺点是:
硬件部分简单,虽然可以实现电子称重基本的功能,但是不能实现外部数据的输入,无法根据实现电子称基本的控制参数。
由于数码管只能实现简单的数字和英文字条的显示,不能显示汉字以及其他的复杂字符,不能达到要求。
又因为采用了模数转功能的单片机,系统电路过于简单,系统硬件的扩展必受到限制,电子秤的功能过于单一,达不到设计的标准。
方案二在前一种方案的基础上进行扩展,增加一键盘输入装置,增加处界对单片机内部的数据设定。
此方案设计的电子秤,可以实现称物计价功能,但是局限于数码管的功能,在显示重量时,如果数码管没有足够的位数,那么称量物体重量的精度必受到限制,所以此方案需要较多的数码管接入电路中。
这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用,比较麻烦。
方案三前端信号处理进,选用放大、信号转换等措施来增加信号采集强度但会增加相应的设计成本;
显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD1602显示器。
这种方案不仅增加了人机单打交换的能力,而且满足设计要求,可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容,当需要增加扩展功能时可以通过切换液晶显示界面的方式来实现。
现时增加一个存储芯片,用来存储历史的称量数据。
五、原理图及器件选型
1、单片机选型
单片机的选择在整个系统设计中至关重要,要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等求,鉴于以上考虑本课题选择AT89S52作为整个系统的主控芯片。
AT89C52是一个低功耗,高性能CMOS
8位单片机,片内含8k
Bytes
ISP(In-system
programmable)的可反复擦写10000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP
Flash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89C52芯片具有以下特性:
①指令集和芯片引脚与Intel公司的8051兼容;
②8KB片内在系统可编程Flash程序存储器;
③时钟频率为0~33MHz;
④128字节片内随机读写存储器(RAM);
⑤32个可编程输入输出引脚;
⑥2个16位定时计数器;
⑦6个中断源,2级优先级;
⑧全双工串行通信接口;
⑨监视定时器;
⑩2个数据指针。
AT89S52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚,2个外接晶的引脚,4个控制或与其它电源复用的引脚,以及32条输入输出I/O引脚。
最小系统如下图
2、压力传感器选择
由于称重要求的范围是0~80吨,压力传感器就采用地磅传感器(网址:
实物图如下:
技术参数:
项目\等级
C3
UNIT
额定载荷
10,15,20,25,30,40
t
额定输出
2±
0.002%
mv/v
综合误差
±
0.02%
%ofratedoutput
输出温度影响
%ofratedoutput/oC
零点温度影响
零点平衡
1%F.S
输入阻抗
775±
5
Ω
输出阻抗
702±
2
绝缘阻抗
≥5000
MΩ
安全过载率
150%F.S
%ofratedcapability
极限过载率
300%F.S
工作温度范围
(-30~+80)oC
oC
推荐工作电压
5~18
V(ACorDC)
最大工作电压
24
V(ACorDC)空
材质
合金钢Alloy Steel
空
防护等级
IP67/IP68
电缆
12.5m
传输距离
引用标准
GB/T7551-1997/OIMLR60
3、A/D转换芯片选型
由于上面的压力传感器技术参数可知,其额定输出为2mV,满足题目100kg的精度要求,需要采用至少12位A/D转换芯片,虽然DS2450是一款12位四路转换芯片,但是它采用单线输出,硬件电路简单了,但软件编程比较难实现,因此我们采用MAX87。
MAX187是美信公司推出的12位A/D转换芯片,内部含有采样保持电路,单5V操作电源,轮换速度为8.5us,具有片上4.096V参考电压,模拟量输入为0~Vref。
引脚定义如下:
引脚
名称
功能
1
VDD
+5V电压
AIN
模拟量输入,0~Vref
3
操作模式选择,低电平为休眠模式。
正常模式为高电平或悬空,高电平时使用内部参考,悬空是标上内部参考
4
REF
参考电压,内部参考电压为4.096V,使用侧部参考是此引脚接一个4.7uF的对地参考电压,使用外部参考时接2.5V~VDD的基准电压
GND
地
6
DOUT
数据输出
7
片选
8
SCLK
时钟,最高了5MHz
A/D转换电路如下
四路局部图
四路完整图
4、电压放大器件选型
压力传感器采集的信号为2mV,由于信号太小,若直接输入到A/D转换电路根本不起作用,因此需要加入电压放大电路,MAX187的参考电压为4.096V,这里我们设计一个放大1500倍的电压放大器,这样就会产生约3V的电压输入到A/D转换电路。
这里我们采用的运放是AD620,其特性如下:
①易于使用
增益通过一个外部电阻设置(增益范围1~10000)
宽电源电压范围(正负2.3V至正负18V)
性能高于3运放分立仪表放大器设计
采用8引脚DIP和SOIC封闭
低功耗,最大工作电流1.3mA
②出色的直流性能(B级)
输入失调电压:
50uV(最大值)
输入失调漂移:
0.6uV/℃(最大值)
输入偏置电流:
1.0nA(最大值)
共模抑制比:
100dB(最小值,G=10)
③低噪声
输入电压噪声:
0.28uV峰峰值噪声(0.1Hz~10Hz)
④出色的交流特性
带宽:
100KHz(G=100)
0.01%建立时间:
15us
放大电路
放大电路仿真图
5、电源电路器件选型
由于原理图可知,采用的单片机的5V单电源供电,运放AD620为5V双电源供电,因此要设计一个正负5V的双电源供电系统。
我们采用L79xx和L78xx系列稳压芯片。
首先由外部变压器产生15V交流电,经过整流桥产生直流电输入到L7812稳压到12V,然后通过L7805和L7905芯片产生正负5V供电电源。
原理图如下
6、显示电路器件选择
显示电路选用LCD1601显示屏,1602液晶也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能很好地显示图形(用自定义CGRAM,显示效果也不好)。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行,每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。
管脚功能
1602采用标准的16脚接口,其中:
第1脚:
VSS为电源地
第2脚:
VCC接5V电源正极
第3脚:
V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚:
RW为读写信号线,高电平
(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。
第6脚:
E(或EN)端为使能(enable)端,高电平
(1)时读取信息,负跳变时执行指令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据端。
第15~16脚:
空脚或背灯电源。
15脚背光正极,16脚背光负极。
原理图如下:
7、存储电路选型
存储电路用于存储历史的称重重量,我们采用24C02作为存储芯片,通过按键来查询历史记录、保存和清除数据。
24C02有如下特点:
1.宽范围的工作电压1.8v~5.5v
2.低电压技术:
1mA典型工作电流
1uA典型待机电流
3.储存器组织结构
4.2线串行接口,完全兼容I2C总线
5.施密特触发输入噪声抑制
6.硬件数据写保护
7.内部与周期(最大5ms)
8.自动递增地址
9.可按照字节写
10.esd保护大于2.5kV
11.高可靠性:
--擦写寿命:
100万次数据保持时间:
100年
12.无铅工艺,符合RoHS标准
存储电路原理图
按键电路
8、超重报警电路
该电路用于超重报警,当称重超过额定范围时,蜂鸣器就会发出声音,原理电路如下:
9、USB下载电路
为了方便向单片机中烧录程序,我们设计了一个USB下载电路,用CH340G作为USB转口的芯片
其特点如下:
全速USB设备接口,兼容USB V2.0,外围元器件只需要晶体和电容
仿真标准串口,用于升级原嘻嘻哈哈外围设备,或者通过USB增加额外串口
计算机端Window操作系统下的串口应用程序完全兼容,无需修改
硬件全双式串口,内置收发缓冲区,支持通讯波特率50bps~2Mbps
支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS
通过外加电平转换器件,提供RS232、RS485、RS422等接口
支持IrDA规范SIR红和外线通讯,支持波特率2400bps到115200bps
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- PBC 电路设计 要点