单片机AT89C52的电子秤设计Word格式.docx
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图1电子秤系统框架
⒈传感器采用应变式压力传感器,该传感器可以将压力信号转化成为电信号。
⒉放大电路采用仪表放大器,用以将小的模拟信号放大。
⒊A/D转换将模拟信号转化成数字信号,单片机接收后可以对其进行处理。
下面将详细介绍各个组成部分工作原理。
二工作原理
(一)应变式压力传感器
导体或半导体在受到外界力作用时,产生机械形变,机械形变导致其阻值变化,这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。
导体或半导体的电阻
,当导体或半导体在受外力作用时,这三者都会发生变化,所以会引起电阻的变化。
用于测量应变变化而引起的电阻变化的电桥通常有直流电桥和交流电桥,本设计采用的传感器是直流电桥式,外部结构如图2所示。
图2应变式传感器外部结构
其内部电路结构如图3所示。
其中,R1,R2,R3,R4均为应变式电阻。
图3应变式传感器内部电路结构
当R→∞时,电桥的输出电压应为
当电桥平衡时,Uo=0,由上式可得
,这是电桥平衡的条件。
平衡电桥就是桥路中相邻两臂阻值之比相等,桥路相邻两臂阻值之比相等方可使流过负载电阻的电流为0。
如果在实际测量中,使第一桥臂R1由应变片来代替,由于放大器的输入阻抗可以比输出阻抗高的多,所以此时视电桥为开路。
当受应变时,若应变片电阻变化为ΔR1,其它桥臂固定不变,则电桥输出电压为
设桥臂比
,由于ΔR1
R1,分母中
可以忽略,并考虑到起始平衡条件
可得
,电桥电压灵敏度定义为:
。
由上式可以发现:
⑴电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压,供桥电压越大,电桥灵敏度越高;
⑵电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数,因此必须恰当选择桥臂比n的值,保证电桥具有较高的灵敏度。
在上面的分析中,是假定应变片的参数变化很小,而且可以忽略掉
,这是一种理想情况。
在实际中,
是不可忽略的。
此时的输出电压
与
的关系是非线性的。
减小或消除非线性误差的方法有如下几种:
⑴提高桥臂比:
但从电压灵敏度
来考虑,电桥电压灵敏度将降低,这是一对矛盾。
因此,为了达到既减小非线性误差,又不降低其灵敏度,必须适当提高供桥电压。
⑵采用差动电桥:
若使一个应变片受压,一个受拉,则可完全消除非线性误差,且电压灵敏度比使用一只应变片提高了一倍。
如果两个应变片受拉,另外两个受压,构成全桥差动电路。
若满足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4则电压灵敏度比使用单个应变片提高了四倍。
对于现成的传感器,我们无法改变电桥的桥臂比,只能适当提高供桥电压。
本系统采用的传感器就是全桥差动电路,四个桥臂的电阻均为1KΏ,具有较好的灵敏度和线性特征。
当载荷W作用时,R2,R3受拉,电阻变大,R1,R4受压,电阻变小。
电桥失去平衡,产生ΔU电压输出,且ΔU与W成正比即ΔU=E
=
,对于该双弯曲梁的应变为
d梁端到梁中心的距离;
梁端到应变片的距离;
h梁厚度;
b梁宽度;
F材料的弹性模数;
a应变片的基长。
那么双联孔传感器的输出为
传感器灵敏度为。
(二)仪表放大器
压力传感器输出的信号很小,不能直接进行A/D转换,必须进行放大。
然而对于多数的传感器其等效电阻不是常量,它们随所测物理量的变化而变。
这样对于放大器而言,当信号源内阻为
时,根据电压放大倍数的表达式
可知放大器的放大能力将随信号大小而变,为了保证放大器对不同幅值的信号具有稳定的放大倍数,就必须使得放大器的输入电阻
,
越大因信号源内阻变化而引起的放大误差就越小。
这就是本电子秤系统采用仪表放大器的原因。
仪表放大器的原理图如图4所示
图4
仪表放大器的原理图
在图4所示的电路中,
=
,因而有
即
所以输出电压为
当
时,由于
中电流为零,
输出电压
可见,电路放大差模信号,抑制共模信号。
差模放大倍数越大,共模抑制比越高。
由上可知,仪表放大器是一种闭环增益组件,它具有一对差分输入和一个单端输出。
它与运算放大器相比不同点是,运算放大器的闭环增益是由其反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定,而仪表放大器则是由与输入隔离的内部反馈电阻决定。
(三)A/D转换
A/D转换技术有如下几种:
计数器式,逐次逼近式,双积分式和并行式。
本系统采用的ADC0809属于逐次逼近式,如图5所示。
图5逐次逼近式A/D
如图所示的逐次逼近式ADC采用寄存器控制DAC。
转换前,寄存器各位清除为零。
转换时,寄存器先由最高位置1,DAC输出值与被测的模拟值进行比较:
如果“低于”,该位的1被保留;
如果“高于”该位的1被清除。
然后下一位再置1,再比较,决定去留,直至最低位完成同一过程。
寄存器从最高位到最低位试探完的最终值就是A/D转换的结果。
ADC0809内部结构如图6所示,引脚图如图7所示。
图6ADC0809内部结构图7ADC0809引脚图
IN0~IN7是八个模拟电压输入端,ADDA,ADDB,ADDC是3个地址输入线,而ALE是地址锁存允许信号,上升沿用于锁存3个地址输入状态,然后由译码器选中一个模拟输入端进行A/D转换。
ADC0809工作时序如图8所示,模拟通道的选择如图9所示。
图8
ADC0809工作时序图9模拟通道的选择
转换过程由START启动,信号上升沿将内部逐次逼近寄存器复位,下降沿启动A/D转换。
转换完成有结束信号EOC指示。
该信号平时为高电平。
START信号上升沿之后2
s加8个时钟周期之内变为低电平。
转换结束EOC又变为高电平。
VREF(+),VREF(-)为参考电压输入。
从输入模拟量
转化成数字输出量N的公式为
(四)单片机与键盘,显示
本系统采用了AT89C52单片机,4
4矩阵式键盘,4位LED数码显示,其接法如
图10所示
图10单片机与键盘LED的接法
图11是键盘与单片机P1口P3口的连接方法,其中~接键盘的行,~接键盘的列。
图11键盘与单片机P1口,P3口的连接方法
从按一个键到键的功能被执行应包含两项工作:
一是键的识别,即在键盘中找到被按的是哪个键;
另一项是键功能的实现。
对第一项内容,键盘接口应完成以下操作功能:
①键盘扫描,以判定是否有键被按下
②键识别,以确定闭合键的行列位置
③产生闭合键键码
④排除多键,串键及去抖动
具体过程如下,先由~输出全0,再由~读入数据,如果为全1则说明没有键按下。
如果某一位为零则说明有键按下,同时可以判断出的哪一根线是低电平,即判断出是哪一行。
这时~再依次输出0111B,1011B,1101B,1110B,分别由~读入,由此就可以判断出是哪一列。
这样就可以判断出是哪一个键被按下了。
为保证键扫描的正确,需要进行去抖动处理。
去抖动有硬件和软件两种方法。
软件方法比较常用,它是采用延迟以躲过抖动,待行线状态稳定后,再进行状态输入。
另外,得到键码之后需要再延时以等待按键的释放。
对于LED而言,用~作为位选,P2作为段选。
采取循环显示的方法。
电路连接简单,又能节省部分接口。
数码显示管构造及连接如图12所示。
每个R1右端分别接~。
图12数码显示管构造及连接图13电源电路原理
(五)电源电路
本系统采用的电源电路原理如图13所示。
220V市电经变压器转换为幅度较低的交流电,经二极管整流电路将交流电负半周期的波形搬移到与正半周期同相,由电容对其进行滤波,由三端稳压器对其进行稳压。
本系统需要用到的电压有+12V,-12V,+5V,-5V,分别使用两组变压器产生正负电压。
因此需采用的三端稳压器有7805,7905,7812,7912。
(六)程序
本系统程序由以下几个部分组成:
主函数(main):
主要实现判断是否有键按下,得到键码,调用显示函数,键码识别函数及实现按键功能。
显示子函数(LEDshow):
将接收到的实际数转化成LED要显示的数,并实现循环显示。
键盘扫描子函数(kbscan,kbscan2):
判断出按键的行列。
(流程图略)
键码处理子函数(kbscandw):
实现键码功能。
主函数,显示子函数,键码处理子函数流程如图14,图15,图16所示。
图14主函数流程图图15显示子函数流程图
图16键码处理子函数流程图
三实验中遇到的问题
以上简单介绍电子秤各个部分的工作原理,下面对对实验中遇到的问题及解决方案进行论证。
(一)传感器部分
以下是传感器在10V电压作用下称量0-2000g的重物时输出的一组电压值。
重量使用物理天平砝码标定。
重量/g
50
100
150
200
250
300
350
400
450
电压/mv
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
1350
1400
1450
2
1500
1550
1600
1650
1700
1750
1800
1850
1900
1950
2000
3
4
根据以上数据绘制的传感器重量-电压应变曲线如图17所示。
图17传感器重量-电压应变曲线
由以上数据可知,重量-电压大致呈线性关系,但在几个部分存在拐点,这就要求在程序中对非线性的成分进行修正。
修正方法:
找出拐点,在不同的区域用不同的计算式计算重量。
修正方法如图18所示。
图18软件修正传感器非线性方法
另外,传感器的零偏电压为负值,考虑到信号被放大后需要经A/D转换芯片转换成
数字信号,而A/D转换芯片ADC0809不能转换负电压,这个问题可以通过下几个方案解决。
⒈利用加法器将传感器输出的电压提升。
同相求和运算电路原理图如图19所示
图19同相求和运算电路
由上图可得
于是可以将传感器经过放大器放大后的信号接入
,将大约1V的电压接入
,这样
输出的电压就可以直接被ADC0809转换了。
这种方案优点在于从根本上解决输出电压转换得问题。
缺点在于增加了电路的复杂程度,需要另外提供约1V的电压。
⒉直接从输出正电压时测量
从传感器输出的重量-电压数据中可以看出,承重约330g以上。
输出电压为正。
可以考虑通过加大秤盘自重的方法抵消这段输出为负的数据。
这种方法的优点在于简便易行。
缺点在于牺牲了传感器的部分量程,增加了电子秤的自重。
本设计采用方案⒉。
(二)放大器部分
由原理部分的分析可知,放大传感器的信号需要采用仪表放大器。
可有以下两套方案实现。
⒈自己搭建仪表放大器
采用LM324搭建仪表放大器。
LM324是一个由四个运算放大器组成的芯片,内部结构如图20所示,连结方式如图21所示。
图20LM324内部结构图21连接方式
图中Rf=10KΏ,R=10KΏ,R1=10KΏ,R2=20Ώ.实验测得放大倍数达到1000倍。
在不加入反馈电容的时候,电路产生了自激振荡,放大器不能稳定工作。
加入5pF电容后,自激振荡被消除。
但放大器仍然不能正常放大传感器信号。
对LM324而言,其偏置电压范围为2~7mV,远远大于传感器输出信号,这样,传感器输出信号被淹没。
因此这种方案不可取。
⒉使用仪表放大器AD524
仪表放大器具有如下特点
●共模抑制比高
●线性误差低:
线性误差为0.01%到0.0001%。
●输入阻抗高:
输入阻抗的典型值为
Ω~
Ω。
●噪声低失调电压和失调电压漂移低:
由于仪表放大器由两个独立部分组成:
输入级和输出级,所以总输出失调等于输入失调乘以增益加上输出失调。
输入和输出失调的典型值分别为100μV和2mV。
●稳定性好:
这是因为影响仪表放大器性能的主要元件均集成在芯片内部,而外围所需的元件(电阻或电阻对)仅决定其增益。
本系统采用的AD524管脚如图22所示,内部结构如图23所示,与传感器连结电路图如图24所示。
图22AD524芯片管脚图23AD524内部结构
图24AD524与传感器的连结电路
(三)A/D转换部分
A/D转换器与CPU之间传送数据的方法有以下几种方式
⒈
查询法
查询法是由CPU来检查EOC信号。
当CPU启动ADC芯片开始转换之后,再通过状态端口读取EOC信号,检查ADC是否转换结束。
若转换结束,则读取转换结果,否则继续查询。
⒉
中断法
用中断法可提高CPU的利用率,当ADC转换结束,由EOC信号上升沿向CPU发出中断请求,CPU响应中断在服务程序中读取结果。
⒊
延时等待法
是利用CPU执行一条输出指令,启动ADC转换,然后CPU执行延时程序,延时时间大于所选用的ADC芯片转换时间,延时结束,CPU执行输入指令,打开三态门获取ADC转换好的数据。
本系统采用延时等待法。
ADC0809与单片机的连接如图25所示。
图25ADC0809与单片机的连接
ADDA,ADDB,ADDC均接地,选中IN0。
单片机的ALE输出晶振频率的12分频,约为1MHz,为ADC0809的clock提供时钟。
因为采用延时的方法,EOC悬空。
START和ALE连接在一起启动转换的同时锁存地址。
OE接单片机。
D0~D1接入单片机P0口,读入数据。
(四)精度,量程及误差
经实际测量,制作出的电子秤量程可达2Kg,精度达到10g。
分析误差产生的原因有如下几点:
⒈当称量的重物满量程既达到2Kg时,传感器的信号经放大器放大后的电压为,重量每变化1g,电压变化约为2mV。
模数转换芯片ADC0809是8位模数转换芯片,参考电压为0V,5V。
模数转换可以分辨的最小电压为。
这样产生的系统误差为9.8g。
⒉电源电压不稳定使得高精度仪表放大器放大倍数出现波动。
⒊仪表放大器存在偏置电压,最大为250uV,这会对电压放大倍数产生影响。
⒋对于传感器而言,所称重量和输出电压呈非线性关系。
减小误差方法如下:
●由于ADC位数不够带来的误差,只有更换位数更多的A/D转换芯片才能从根本上解决这一问题。
●放大器偏置电压使得模数转换每次得到的数存在较小差别,程序采用了多次转换求平均值的办法减小了由此引起的误差。
●对于重量和输出电压呈非线性关系的误差,可以在程序中对这一非线性关系进行修正。
参考文献
[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础.高等教育出版社,2003:
171-378
[2]陈明荧.8051单片机设计实训教材.清华大学出版社,2004:
120-208
[3]李广第,朱月秀.单片机基础.北京航空航天大学出版社,2001:
11-219
[4]钱晓捷,陈涛.16/32位微机原理,汇编语言及接口技术(第2版).机械工业出版社,2005:
295-306
[5]阎石.数字电子技术基础.高教出版社,2004:
135-228
[6]黄贤武.传感器原理与应用.高等教育出版社,2004:
17-37
附录
程序代码编写如下
#include<
>
voidLEDshow(unsignedchar*p);
//xianshi[4]存放当前要显示的4个数,
//开始时显示全0;
//sig标志是否已有小数点按下;
//n1表示当前数字是第几次按键;
//n2表示当前数是小数点后第几位
//realnum四次按键输入的实际数;
//l键码;
//hang,lie当前按键的行列数;
//NN2存放四次按键每个数在小数点后
//的位置;
//LL2存放每次按键的键码;
//result模数转换后接收到的数;
//zongjia总价
0f0f0f1.,2.,3.,4.,5.,6.,7.,8.,9.,0.的实际代码
unsignedinti=0,a,e;
jixu:
P1=0xff;
0f0f0f0f0f0f0f0f0f0f0f0f2c0f0f1c0f0f跟传统的传感器相比,智能传感器具有先进的学习和适应能力.该系统还必须具有重构的功能,并能进行必要的数据处理,综合来自不同传感器的数据,验证来自本地和远程数据.智能传感器因此含有嵌入式处理器功能,这样就可以提供计算资源,根据需要来执行复杂的传感和驱动任务。
智能传感器系统的功能,可以按照补偿,信息处理,通讯和综合来进行描述.各个部分的结合考虑到了智能传感器需要工作在不同的的模式下而且可以自主测算的特点。
补偿即系统通过自我诊断,自校准和适应的方式侦测和响应变化的网络环境变化的能力.智能传感器必须能评估收集到的数据,把它同其他传感器收集的信号相比较,确认得到的数据的准确性.这个过程基本上涵盖了传感器配置阶段.信息处理包含了相关的数据处理,目的是要加强处理收集到的资料。
通过信号调节,数据压缩,事件探测和决策.最大限度地提高系统效能。
这可能涉及数据的过滤和其它数据处理技术,加上先进的学习技术的特征提取和分类技术,以一种有效的形式给通信接口提供最相关的数据.
智能传感器通讯组件系统结合了标准化的网络协议,这种网络协议以一种连贯的方式连接分布式传感器,使有效率通讯和纠错成为可能.传统的传感器系统往往在复杂性,成本和灵活性上含有一些局限.智能传感器的目标是通过利用标准化的传感器接口和通讯协议克服这些局限,构造自动的,分布式的自动重新配置的传感器.
智能传感器的一体化程度达到了耦合遥感与计算的芯片级水平.这可以利用微电子机械系统(MEMS),纳米技术和生物技术得以实现。
层次结构可以用来描述系统的功能,低层进行信号处理工作,中层进行数据处理,上层进行信息处理和通讯.
智能传感器必须避免由于错误数据的传播带来的灾难性后果.跟克服个别传感器故障相比这是完全不同的问题。
操作系统基于错误数据作出的决策可能导致难以预料的结果甚至使系统完全瘫痪。
通过利用密集的传感器网络,这种错误的影响可能会减少。
智能传感器数据验证技术提高了系统整体可靠性,从而有效地实现这一功能是必需的.
两种方法被称为分析冗余和硬件冗余.所谓分析冗余,是利用一个数学模型,比较静态,动态的关系和传感器测量,并有效地确定传感器的预期值.当传感器的数量或模型的复杂性增加时,这种方法的计算量代价会成为限制。
硬件冗余可能涉及使用额外的传感器,并选择数据似乎同样对多数的传感器.通常,这种做法是不适用的。
但是,如果存在着过多的传感器对特定的环境造成不利影响,对信息系统来说,也不失为一种可行的办法,在这种情况下,智能传感器包含专门的系统适用的理由和推断的办法.
为了把信息从多种传感器及其类型中选出,并确保只有最相关信息在传感器之间传送.数据融合技术是一种不错的选择,因此,网络负载的带宽可以被维持在可接受水平.传感器融合的范围可以从各种角度得出.生物科技已被用来考虑如何完成传感器的融合,而认知科学已经探索了为什么传感器融合是感知的主要部分.
一些融合的模式,可以用来形容传感器之间的关系,其中包括:
●完整传感器连结:
直接相连的传感器信息,没有任何侦查不一致的机制,
●能够监测出不一致并能重新校准的连接:
校准不一致的传感器
●能够监测出不一致并能抑制错误的连接:
抑制错误的传感器
●无连接:
传感器之间无空间的连接
合适的传感器技术应该适应相应的运作模式,基于现有的传感器数据,既定的操作环境.
意义:
智能传感器运作在一个任务明确的方式下,采用有效的数据采集技术,使更加灵活的传感器网络的发展和实施成为可能,有效地利用和协调了每个传感器的有限资源.通过集中资源,遵照周边环境和当前的工作,就能够构建出更有效率运转的传感器,
精度:
智能传感器具有一些特点,使它能够补偿因为系统的参数或者传感器特性产生的系统误差,系统漂移和随机误差
可靠性:
将数据合并和传感器验证技术用来侦测损坏的数据,网络路径连接的自我测试和传感器操作方法,以及标定的传感器漂移,在已经应用在网络设计的技术之外,又提供了另一层次的系统的可靠性.
适应性:
智能传感器系统的参数的应该被更高层次的系统结构自动确定并采用.这优化了测量和处理的过程,以及使传感器更好地应付不断变化的环境.
特点
自动校准:
这个系统正确的决定了一个既定的传感器自我校正的方式和程度。
信息处理:
先进的自适应技术的发展,提高了数据处理和传输的效率,以及自主学习和决策部件的可靠性.在恰当的条件下把合适的数据反馈给其它传感器也是必要的。
数据融合:
通过传感器闭环控制的有效整合.在分布式的网络中,对于来自传感器的不同的贡献,合适的反馈,重构用来决定来自各个传感器的数据的结合。
验证:
基于验证系统的信息,解决实时性和推理方法的不确定性。
一个实时系统必须综合考虑的性能和精确度,以及在需要的时候作出应答,即使产生的办法不是最优的.鉴于该传感器获得的信息可能具有不稳定性,不确定性因素必须被纳入模型数据参与验证。
综合:
开发新兴技术来发展更先进的纳米传感器和生物传感器,充分考虑到功能的要求和智能传感器网络的要求。
应用
以下是一些现有的研究:
自动装配:
工程部件和组件可更像生物体有能力自行组装,从而对生产速度,生产能力,和生产复杂性产生了重大影响.自我修复能力是这种能力的一个很明显特征
微观自我检查:
操控微观或通过人体纳米级结构的研究,可能对现代医学产生重大影响。
了解寄生虫,蠕虫和昆虫的感官系统的有可能给我们提供必要的设计资料,以实现这一目标.0
智能悬架汽车工业中的应用:
基本的受调单位需要一个弹簧和阻尼成分.调整悬架到某一特定频率普遍受到忽视.可以模仿脊椎动物的肌肉也许制作一个高位移和高阻
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