电子秤的设计.docx
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电子秤的设计.docx
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电子秤的设计
电子秤的设计
摘要
本系统采用单片机AT89S52为控制核心,实现电子秤的基本控制功能。
系统的硬件部分包括最小系统板,数据采集、人机交互界面三大部分。
最小系统部分主要是扩展了外部数据存储器,数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。
人机界面部分为键盘输入,128
64点阵式液晶显示,可以直观的显示中文,使用方便。
软件部分应用单片机C语言实现了本设计的全部控制功能,包括基本的称重功能,和发挥部分的显示购物清单的功能,可以设置日期和重新设定10种商品的单价,具有超重报警功能,由于系统资源丰富,还可以方便的扩展其应用
关键词
压力传感器 单片机 A/D转换器 LED显示器
第一部分:
方案论证与比较
一、控制器部分
本系统基于51系列单片机来实现,因为系统需要大量的控制液晶显示和键盘。
不宜采用大规模可编程逻辑器件:
CPLD、FPGA来实现。
另外系统没有其它高标准的要求,我们最终选择了AT89S52通用的比较普通单片机来实现系统设计。
内部带有8KB的程序存储器,在外面扩展了32K数据存储器,以满足系统要求。
二、数据采集部分
(1)、传感器
题目没有要求具体的称重范围,我们选择最大量值为20千克。
我们选择的是L-PSIII型传感器,量程20Kg,精度为
,满量程时误差
0.002Kg。
可以满足系统的精度要求。
其原理如下图所示。
称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成,内部线路采用惠更斯电桥,当弹性体承受载荷产生变形时,输出信号电压可由下式给出:
(2)、前级放大器部分
压力传感器输出的电压信号为毫伏级,所以对运算放大器要求很高。
具体方案:
高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。
差动放大器具有高输入阻抗,增益高的特点,可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器。
电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声,C1、C2为普通小电容,可以滤除高频干扰,C3、C4为大的电解电容,主要用于滤除低频噪声。
优点:
输入级加入射随放大器,增大了输入阻抗,中间级为差动放大电路,滑动变阻器R6可以调节输出零点,最后一级可以用于微调放大倍数,使输出满足满量程要求。
输出级为反向放大器,所以输出电阻不是很大,比较符合应用要求。
缺点:
此电路要求R3、R4相等,误差将会影响输出精度,难度较大。
实际测量,每一级运放都会引入较大噪声。
对精度影响较大。
(3)、A/D转换器
由上面对传感器量程和精度的分析可知:
A/D转换器误差应在
以下
12位A/D精度:
10Kg/4096=2.44g
14位A/D精度:
10Kg/16384=0.61g
考虑到其他部分所带来的干扰,12位A/D无法满足系统精度要求。
所以我们需要选择14位或者精度更高的A/D。
具体方案双积分型A/D转换器:
如:
ICL7135、ICL7109。
双积分型A/D转换器精度高,但速度较慢(如:
ICL7135),具有精确的差分输入,输入阻抗高(大于
),可自动调零,超量程信号,全部输出于TTL电平兼容。
双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。
对正负对称的工频干扰信号积分为零,所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强,对高于工频干扰(例如噪声电压)已有良好的滤波作用。
只要干扰电压的平均值为零,对输出就不产生影响。
尤其对本系统,缓慢变化的压力信号,很容易受到工频信号的影响。
故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。
作为电子秤,系统对AD的转换速度要求并不高,精度上14位的AD足以满足要求。
另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力,和精确的差分输入,低廉的价格。
综合的分析其优点和缺点,我们最终选择了ICL7135
具体方案、双积分型A/D转换器:
如:
ICL7135、ICL7109。
双积分型A/D转换器精度高,但速度较慢(如:
ICL7135),具有精确的差分输入,输入阻抗高(大于
),可自动调零,超量程信号,全部输出于TTL电平兼容。
双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。
对正负对称的工频干扰信号积分为零,所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强,对高于工频干扰(例如噪声电压)已有良好的滤波作用。
只要干扰电压的平均值为零,对输出就不产生影响。
尤其对本系统,缓慢变化的压力信号,很容易受到工频信号的影响。
故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。
作为电子秤,系统对AD的转换速度要求并不高,精度上14位的AD足以满足要求。
另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力,和精确的差分输入,低廉的价格。
综合的分析其优点和缺点,我们最终选择了ICL7135
三、人机交互界面
显示输出:
虽然ZLG7289具有控制数码管显示的功能,但考虑到本题目要求中文显示,数码管无法满足,只能考虑用带有中文字库的液晶显示器。
由于可以分页显示,无需太大屏幕,我们选择了点阵式128×64型LCD—OCM4X8C。
第二部分:
具体实现方案
一、硬件组成:
(一)、硬件结构框图如下:
(二)、各部分硬件电路实现
(1)、基于AT89S52的主控电路图
主控电路以89C52为核心扩展32KRAM;单片机使用6M晶振,P0口外接上拉电阻,增大了带负载能力;A12~A15接74LS138译码器,输出作外部片选信号。
扩展了几个接口用于其它部分于单片机的通信
(2)前端信号处理
INA126构成的放大器及滤波电路:
通过调节
的阻值来改变放大倍数。
微弱信号Vi1和Vi2被分别放大后从INA126的第6脚输出。
A/D转换器ICL7135的输入电压变化范围是-2V~+2V,传感器的输出电压信号在0~20mv左右,因此放大器的放大倍数在200~300左右,可将
接成
的滑动变阻器。
由于ICL7135对高频干扰不敏感,所以滤波电路主要针对工频及其低次谐波引入的干扰。
因为压力信号变化十分缓慢,所以滤波电路可以把频率做得很低。
(3)A/D转换器
基准源选用芯片MC14032.5V分压得到:
由于ICL7135内部没有振荡器,所以需要外接。
但A/D转换器精度与时钟频率的漂移无关。
正向积分时间T1和反向积分时间T2按相同比例增加并不影响测量的结果。
ICL7135的时钟频率典型值为200kHz最高允许为1200kHz,时钟频率越高,转换速度越快。
每输出一位BCD码的时间为200个时钟周期,选通脉冲位于数据脉冲的中部,如果时钟频率太高,则数据的接受程序还没有接受完毕,数据就已经消失了。
考虑到此系统频率要求不是太高,且单片机的工作频率也不是很高,因此我们取时钟频率的典型值:
200kHz。
由于频率比较低,对时钟漂移要求不高,我们采用阻容方式实现了基本的振荡电路。
如下:
振荡频率约为160kHz。
此外ICL7135外部还需要外接积分电阻、积分电容,但A/D转换器精度与外接的积分电阻、积分电容的精度无关,故可以降低对元件质量的要求。
不过积分电容和积分电容的介质损耗会影响到A/D转换器的精度,所以应采用介质损耗较小的聚丙乙烯电容
ICL7135还需要外接基准电源,这是因为芯片内部的基准源一般容易受到温度的影响,而基准电源的变化会直接影响转换精度。
所以当精度要求较高时,应采用外接基准源。
一般接其典型值1V。
(4)、人机交互界面
LCD显示接口电路
.
LCD复位信号通过反相器接到单片机的RESET上,上电或手动复位时将随单片机同时复位。
由于复位后并行口输出高电平,LCD处于选中状态,此时LCD将输出内部状态字,将会影响数据总线上的数据传输。
所以外接一个反相器。
二、软件组成:
(一)、流程图主程序流程如图所示:
中断服务程序流程图如下:
(2)、软件说明
由于涉及到大量数据的运算,程序不宜采用汇编语言,C语言大大缩短了开发时间,且程序可读性非常好。
程序中对AD采入的数据进行了数字滤波,进一步减小AD读入数据的误差。
7289键盘控制采用中断方式,加快了程序的执行效率。
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