电子秤设计与制作文档格式.docx
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电子秤设计与制作文档格式.docx
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悬臂梁上粘贴电阻应变片作为称重传感器。
1.2要求
(1)电子秤可以数字显示被称物体的重量,单位克(g);
(10分)
(2)电子秤称重范围5.00g~500g;
重量小于50g,称重误差小于0.5g;
重量在
50g及以上,称重误差小于1g;
(50分)
(3)电子秤可以设置单价(元/克),可计算物品金额并实现几种物品金额的累加;
(15分)
(4)电子秤具有去皮功能,去皮范围不超过100g;
(15分)
(5)其他。
(6)设计报告:
(20分)
项目
主要内容
满分
方案论证
比较与选择,方案描述
3
理论分析与计算
系统相关参数设计
5
电路与程序设计
系统组成,原理框图与各部分的电路图,系统软件与流程图
测试方案与测试结果
测试结果完整性,测试结果分析
设计报告结构及规范性
摘要,正文结构规范,图表的完整与准确性。
2
总分
20
*说明
(1)铁质悬臂梁可用磁铁检验,悬臂梁上所用电阻应变片的种类、型号、数量自定。
(2)测试时以符合称重误差的砝码为重量标准。
2.方案论证
2.1电子称的系统方案
电子秤系统方案:
电子秤的系统流程图:
被测物体→压力传感器→放大电路→AD转换模块→51单片机(算法)←键盘
↓
LCD12864显示模块
基本思路:
所测重量经过应变片变化转换为电阻变化,再经过测量电路转化为电压变化,经过放大电路放大调节后输出显示得到所需信号。
经过对51单片机的编译,对所得信号进行运算处理,得到需要的结果并在LCD12864上显示。
MCU的选择:
基于对成本的考虑,我们采用了价格低廉的编译空间大的STC12C5A60S2芯片。
以便保存较多的中文字符组。
使用C52将会出现ROM口空间不够的情况。
3压力传感器
测量电路
电阻应变片把机械应变信号转换成电阻变化后,由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小,既难以直接精确测量,又不便直接处理。
因此,必须采用转换电路,把应变计的电阻变化转换成电压或电流变化,以便于测量。
具有这种转换功能的电路称为测量电路。
电桥电路是目前广泛采用的测量电路,常见的直流电桥电路如图2,
图2直流电桥
电桥输出电压为
Uo=U(式1)
R1、R2、R3、R4为四个桥臂,当一个臂、两个臂或四个臂接入应变片时,就相应构成了单臂、双臂和全臂工作电桥。
下面分别就单臂、半桥和全桥电路进
行讨论。
(1)单臂工作电桥
图3单臂工作电桥
如图3所示,R1为电阻应变片,R2、R3、R4为固定电阻。
应变片未受力时电桥处于平衡状态,R1R3=R2R4,输出电压U0=0,当承受应变时,R1阻值发生变化,设为R1+ΔR,电桥不平衡,产生输出电压为
Uo=((R1+ΔR)R3-R2R4)/((R1+ΔR+R2)(R3+R4))
设R1=R2=R3=R4=R,又ΔR<
<
R1
则Uo≈U/4ΔR/R
(2)双臂工作电桥
若在两个桥臂上计入电阻应变片,其他桥臂为固定电阻,则构成双臂工作电桥,如图4,R1、R2为电阻应变片,R3、R4为固定电阻。
当应变片承受应变时,R1电阻增大ΔR,R2电阻减小ΔR,这种电桥成为差动电桥。
图4双臂工作电桥
此时电桥不再平衡,输出电压为
Uo=U/2ΔR/R
由式知半桥的输出是线性的没有非线性误差问题,而且灵敏度比单臂提高了一倍。
全臂工作电桥
若四个桥臂上全为电阻应变片,则构成全桥工作电路,如图5所示,R1、R2、R3、R4全为电阻应变片。
承受应变时,R1、R3电阻增大ΔR,R2、R4电阻减小ΔR。
图5全臂工作电桥
电桥不再平衡,输出电压为
Uo=UΔR/R
由式知,全桥的电压输出是线性的,没有非线性误差问题,而且其灵敏度是单臂的4倍,是半桥的2倍。
电子秤实验采用的是全桥测量电路,我们选取直流电源电压为8V。
所取的应变片未承受应变时阻值R1=R2=R3=R4=1000Ω,当测量满量程200g物体时,测得应变片阻值变化ΔR大约在0.1~0.3Ω之间(参见文章最后实验数据记录表1、表2)。
我们取ΔR=0.2Ω,U=5V,则测量电路的输出电压为Uo=UΔR/R≈0.0010V。
由于所选的AD模块AD7705处理小于50mV以下的电压变化线性状态不理想,所以需要对电桥信号进行放大。
3.放大电路
、放大电路的讨论以及决定:
LM324参数:
LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。
可工作在单电源下,电压范围是3.0V-32V或+16V.LM324的
特点:
1.短跑保护输出
2.2.真差动输入级
3.3.可单电源工作:
3V-32V
应用:
LM324主要应用于一般精度的放大电路。
OP07参数:
OP07芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25μV),所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为±
2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
超低偏移:
150μV最大。
低输入偏置电流:
1.8nA。
低失调电压漂移:
0.5μV/℃。
超稳定,时间:
2μV/month最大
高电源电压范围:
±
3V至±
22V
OP07管脚图
OP07是一个高精度,低噪音,低失调,低温漂的放大器,一般用于微信号放大的仪表电路或传感器电路。
经过讨论,这个电子秤的输出信号很微弱,所以应该采用相对比较高精度的OP07放大器。
通过对电桥的调试,输出的信号大概只有几毫伏的变化,所以我们需要把这个输出信号放大,为了达到设计要求,我们需要放大60多倍,为了有更好的精准度,决定采用二级放大,也就是采用差动放大。
OP07两级放大模块
该电路由三个运算放大器组成,Vo1、Vo2和Vo分别为三运放的输出电压。
分析电路知流过R2、R1的电流相等,设为I,可以计算出理想的输出电压Vo.
I=(Vi1-Vi2)/R1(式7)
Vo1=Vi1+R2i(式8)
Vo2=Vi2-R2i(式9)
Vo=R4/R3(Vo1-Vo2)=R4/R3(1+2R2/R1)(Vi1-Vi2)(式10)
下面就各电阻应取阻值大小进行分析:
前面已经计算过,差动放大电路的差模输入只有几毫伏的变化,而要求的最终输出电压为几百毫伏(700mV左右),故需将Uo放大60多倍。
由式(10)知差分放大电路的放大倍数为R4/R3(1+2R2/R1),主要由R4/R3及R2/R1的值决定,但R1、R3太小会从集成运放中获取太大的电流,太大的R4、R2会增加电阻产生的噪声,故其放大倍数不宜太大,我们可先通过差分放大电路将电压信号放大至300mV左右,再通过后续的放大电路将其进一步放大以达到所要求值。
实验中取R2=15kΩ,R3=10kΩ,R4=20kΩ,而将R1用一个1kΩ固定电阻,即放大倍数为2(1+2*15/1)=62。
差动放大电路具有以下优点:
1)高输入阻抗。
被提取的信号是不稳定的高内阻源的微弱信号,为了减少信号源内阻的影响,必须提高放大器输入阻抗。
2)高共模抑制比。
电路对共模信号几乎没有放大作用,共模电压增益接近零。
3)低噪声、低漂移。
主要作用是对信号源的影响小,拾取信号的能力强,以及能够使输出稳定。
4)电路的增益可以通过改变电阻R1阻值来调节。
4.AD转换模块
结合题目要求,要求中需要制作一个精度精确到0.5,量程为0-500g的电子秤。
我们选用了AD7705芯片作为AD转换芯片。
AD7705是美国模拟器件公司(其在中国注册公司为:
亚德诺半导体技术有限公司)生产的模数转换器。
AD7705为完整16位、低成本、Σ-Δ型ADC,适合直流和低频交流测量应用。
AD7705采用SPIQSPI兼容的三线串行接口,能够方便地与各种微控制器和DSP连接,也比并行接口方式大大节省了CPU的IO口。
下应用电路中,采用80C51控制AD7705,对桥式传感信号进行模数转换。
此方案采用二线连接收发数据。
AD7705的CS接到低电平。
DRDY的状态通过监视与DRDY线相编程数字滤波器等部件。
能直接将传感器测量到的多路微小信号进行AD转换。
这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点,非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。
参数特点:
两个全差分输入通道ADC
可编程增益前端
增益范围从1至128
三线串行接口
SPI®
QSPI™,MICROWIRE™,DSP兼容
SCLK上可接受施密特触发器输入
提供模拟输入缓冲
工作电压:
2.7V至3.3V或4.75V至5.25V
功耗:
最大1mW(3V)
待机电流:
最大8µ
A
我们选择了安富莱的TM7705模块代替AD7705,TM7705与AD7705的整体构造结构相同,且已经集成了AD7705的最小工作系统图,节省了大量的工作量。
考虑到设计要求中有基于重量的计算,需要显示重量,单价,总价,名称等较多数据,单独用数码管和1602难以满足需求,我们采用可以显示中文的LCD12864来做显示模块。
液晶显示模块是128×
64点阵的汉字图形型液晶显示模块,可显示汉字及图形,内置8192个中文汉字(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)及64X256点阵显示RAM(GDRAM)。
可与CPU直接接口,提供两种界面来连接微处理机:
8位并行及串行两种连接方式。
具有多种功能:
光标显示、画面移位、睡眠模式等。
在设计中我们采用了占用单片机I/0口较少的串行连接方式与单片机连接。
串行连接时序图
串口连接方式与并口的最大区别在于传输速度上,然而实在实际使用过程中,肉眼基本是察觉不到速度的快慢的。
所以笔者建议日后对51单片机进行开发,特别是多功能多模块开发的时候,可以选择采用串口接线的方式连接MCU,这样可以节约单片机的资源。
由于模块中自带中文字符,在编译中可以直接调用中文字符库中的中文,非常方便。
省去了大量的取模时间。
关于LCD12864的工作原理与程序,这里不做多述。
7系统电路的总图以及原理
8总结
在本次任务完成的过程中,我们团队收获了许多宝贵的经验,无论是从软件编译上还是从硬件制作上。
1.硬件部分
传感器的制作:
在最初我们打算用应变片做半桥自制传感器,在制作的过程中存在着各自各样的问题,例如,在用350欧姆的应变片时,由于应变片长度太短,加上贴片的技术不过关,导致变化不稳定,没办法取合适的初值给单片机作为参考0点。
在用120欧姆的应变片做全桥电路时,由于供给的是5V的稳压直流电压,电阻较小电流偏大,导致发热现象比较严重。
数值跳变严重,散热不好处理。
一直没有办法做出满意的传感器。
最后采用了性能良好,散热稳定金属悬臂梁全桥应变片,才取得较为满意的效果。
放大电路的选择:
由于在量程范围内的压力对电桥电阻变化有限,导致实际变化量在毫伏级,因为电子秤的量程内精确值需要到达0.5g,所以对放大电路的稳定性以及噪音要求比较高,考虑到常见的基本放大芯片的参数。
最终决定采用低噪音精确差分放大模块OP07芯片,并由3块OP07组成的差动放大电路,又叫仪表放大器,来减少对噪音以及温度升高带来的影响,达到AD采样信号稳定的目地。
软件部分:
在编译软件的时候,第一次接触AD7705的编译以及12864串口程序,通过学习前辈的程序收益良多。
掌握了对AD7705的工作原理后相信对日后其他AD模块的使用有一定的基础。
通过对AD7705的数据进行处理,达到开机置0,去皮的目地。
程序总共分LCD12864显示模块,键盘模块,AD7705模块与计算部分。
9.创新创意设计以及后续开发
睡着人们的生活质量日益提高,人们有意识的更加注重饮食的质量,卡路里的摄入以及身材的控制。
因此,讲普通的简易电子秤做成热量监控称,并将体积做小,方便便携,加入“先称量后去皮功能”,更加符合生活逻辑。
通过卡路里热量表比对计算出热量并以可累加方式呈现。
开发蓝牙模块,制作手机APP记录日常饮食记录,可以更好的满足人们减肥监控的需求。
解决了用户需要对照表中热量和重量,还需要动手计算出卡路里的痛点。
并使人们注意控制自己的饮食,注重健康。
10参考文献
在自作过程中参考的文献文库有:
新概念51单片机语言教程——郭天祥LCD12864模块程序
吴鉴鹰单片机系列——基于51的电子秤程序设计
模拟电路——童诗白
XX文库:
基于AD7705电子计价称的设计白炳良,赖绍武
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- 电子秤 设计 制作