电子秤设计.docx
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电子秤设计
传感器课程设计
小量程电子秤设计
学校:
河海大学专业:
应用物理学姓名:
季庚午学号:
0810020116指导老师:
丁万平
Ⅰ、总体设计方案
本设计由以下几部分组成:
电阻应变传感器、信号放大器、模数转换、单片机、显示器。
其结构图如下所示。
由电阻应变式传感器感受被测物体的质量,通过电桥输出电压信号,通过放大电路将输出信号放大,而后送入A/D转换单元进行模数转换,将转换后的数字信号送给单片机;单片机接收数据后,对数据进行处理,将其转换为对应的重量信息,送LED显示模块进行显示。
单片机同时也可以进行去皮调零操作。
Ⅱ、硬件电路设计
一、传感器选择
1、传感器型号:
WTP616平行梁式称重(测力)传感器;
2、产品特点及结构:
主要适用于口袋称,手掌称等电子称重;
3、主要技术参数:
额定载荷(Kg):
500g;绝缘电阻(M
)>=2000(100VDC)
精度等级:
C3;激励电压(V)5~10DC
综合误差:
(%F.S)0.05;温度补偿范围(℃)-10~+40
灵敏度(mV/V)0.7+-0.1使用温度范围(℃)-20~+50
非线性(%F.S):
0.05;零点温度影响(%F.S/10℃)0.2
滞后(%F.S):
0.05;灵敏度温度影响(%F.S/10℃)0.15
重复性(%F.S):
0.05;安全过载范围(%F.S)150
蠕变(%F.S/30min):
0.05;极限过载范围(%F.S)
零点输出(%F.S):
+-1;输出阻抗(
):
1000+-50
输入阻抗(
):
100050电缆线:
四芯屏蔽电缆
4、接线方法:
输入(电源)+:
红色;输入(电源)—:
黑色;输出(信号)+:
绿色;输出(信号)—:
白色
5、实物图:
图Ⅱ.1.1:
WTP616实物图
6、传感器设计电路:
6.1、检测电路设计:
传感器电路采用惠根斯等臂电桥,即
,构成差动式电路,提高线性
度和灵敏度。
R1~R4都接应变片WTP616,R1和R3接成工作片,R2和R3接成补偿片,
其中ε是应变,U是输入电压,K是灵敏度。
通过调节电阻
可以实现输出调零。
图Ⅱ.1.2惠根斯电桥电路
6.2、检测电路处理:
惠根斯电桥输出的电压UO后面紧接着接滤波电路和电压跟随器如图(图Ⅱ.1.2)所示,电阻R1、R2电容C1、C2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。
图Ⅱ.1.2滤波电路和电压跟随器电路
二、稳压电源的设计:
稳压电路在设计中具有很重要的作用,在本设计中我采用三端集成稳压芯片7805,资料图如下所示。
内含过流、过热和过载保护电路。
7805输出电压典型值是5V,在一定温度条件下电压输出比较稳定,如图2.2所示。
设计稳压源5V的电路如图2.3所示;因为op07是使用正负电源5伏,+5伏使用7805,-5伏使用7905,电路结构与7805的结构一样。
图Ⅱ.2.1:
7805封装图
图Ⅱ.2.2:
7805的典型输出电压参数
图Ⅱ.2.3:
5V稳压源仿真图
三、放大电路的设计:
由于传感器输出的信号比较微弱,必须通过一个放大器对其进行放大,才能满足单片机A/D转换器对输入信号电平的要求。
放大电路要把3.5mV的电压放大到5V,放大倍数比较大,所以采用二级放大。
放大电路的芯片采用Op07,如图Ⅱ.3.1所示,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。
图Ⅱ.3.1Op07引脚图
1、前级放大电路设计:
前级放大电路采用应用比较广泛的由三个运放组成的通用放大电路,电路中三个运放都接成比例运放的形式,整个电路又包括两个放大级,U1和U2组成第一级,二者均为同相输入方式,而且输入电阻较高。
由于电路对称,因此漂移可以相互抵消。
而且差动放大器具有高输入阻抗,增益高的特点.第二级为U3,是差分输入方式,将差分输入转换为单端输出,在本电路中要求参数对称,即R4=R5,R6=R7,R8=R9。
经过计算可得,
所以差分的输入为
,而
,由此可知,只要调节R3阻值的大小,就可以调节整个放大电路的放大倍数。
在实际电路中,参数选择如下图(图Ⅱ.3.2)所示,最终前级输出电压是-460.031mV。
图Ⅱ.3.2前级放大电路仿真图
2、二级放大电路接反相比例运放电路
由于前级放大的输出是负的电压,所以二级放大电路选择反相比例运放,根据理论可知
,将前级输出放大11背可得到5V的电压,所以计算得参数如图所示(图Ⅱ.3.3)
图Ⅱ.3.3二级放大电路仿真图
Ⅲ、软件设计
一、单片机介绍:
本课程设计采用AVR系列单片机Mega16(图Ⅲ.1.1),ATmega16是AVR系列单片机中的主流品种,具有很高的性价比,其主要特点有:
(1)采用先进RISC结构的AVR内核
1.高性能、低功耗的8位单片机;
2.131条机器指令-大多数指令的执行时间为单个系统时钟周期;
3.32个8位通用工作寄存器;
4.全静态工作;
5.工作在16MHz时具有16MIPS的性能;
6.只需要2个时钟周期的硬件乘法器;
(2)片内非易失性的程序存储器和数据存储器
1.16K字节可ISP编程的Flash程序存储器,擦除寿命达1万次;
2.1K字节的片内静态数据存储器(SRAM);
3.512个字节片内EEPROM数据存储器(寿命>10万次);
(3)丰富的外围接口
1.2个带有分别独立、可设置预分频器的8位定时器/计数器;
2.1个带有可设置预分频器、具有比较、捕捉功能的16位定时器/计数器;
3.片内含独立振荡器的实时时钟RTC;
4.4路PWM通道;
5.8路10位ADC
6.两线接口TWI(兼容I2C硬件接口);
7.1个可编程的增强型全双工的,支持同步/异步通信的串行接口USART;
8.1个可工作于主机/从机模式的SPI串行接口(支持ISP程序下载);
9.片内模拟比较器;
10.具有独立振荡器的看门狗定时器WDT;
(4)宽电压、高速度、低功耗
●工作电压范围宽:
ATmega16L2.7—5.5v,ATmega164.5—5.5v;
●运行速度:
ATmega16L0—8M,ATmega160—16M;
●低功耗:
ATmega16L工作在1MHz、3v、25度时的典型功耗为,正常工作模式1.1mA,空闲工作模式0.35mA,掉电工作模式<1uA;
图Ⅲ.1.1Mega16原理图图
算法设计:
PA.0作为AD输入口,连接放大电路的输出,PC.0~PC.7作为LED数据输入口,PA.2~PA.7作为片选端口,系统采用外部4.096MHz的晶振。
电路连线图如图所示(图Ⅲ.1.2):
第一步:
初始化单片机,定义A、B、C、D个IO口的方向和初值;
第二步:
初始化TIMERO,采用内部时钟,64分频,CTC模式;
第三步:
ADC初始化,在本程序中,ADC是最关键的模块,采用参考电压AVCC,ADC0端口作为输入端口,选择T/CO比较匹配中断为ADC触发源,ADC时钟=125KHZ(32分频);
第四步:
开中断,打开全局中断;对ADCSRA设定,开启ADC转换功能;
第五步:
编写各模块程序,包括ADC转换中断和TIMERO中断;
算法提高设计:
当重物放到托盘上的瞬间有冲量,力比较大,这是AD采样的电压值可能比较大,这个较大的电压值就是误差。
解决办法:
可以定义一个10位长度的数组,用于存放10次AD采样的值,去除其中的最大值和最小值,对剩下的8个数据取其平均,最后把这个平均值送到LED显示,可以达到去除抖动的目的。
图Ⅲ.1.2单片机控制电路仿真图
二、程序代码:
#include
#include
flashcharled_7[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
flashcharposition[4]={0xf8,0xf4,0xec,0xdc};
unsignedchardis_buff[4]={0,0,0,0},posit=0;
bittime_2ms_ok;
//ADC模数转换显示数据缓存函数
voidadc_to_disbuffer(unsignedintadc)
{
chari;
for(i=0;i<=3;i++)
{
dis_buff[i]=adc%10;
adc/=10;
}
}
//timer0中断
interrupt[TIM0_COMP]voidtimer0_comp_isr()
{
time_2ms_ok=1;
}
//ADC转换中断
interrupt[ADC_INT]voidadc_isr()
{
unsignedintadc_data,adc_v;
adc_data=ADCW;//读取ADC转换结果
adc_v=(unsignedlong)adc_data*5000/1024;//转换成电压值
adc_to_disbuffer(adc_v);//产生dis_buff[]中的值
}
voiddisplay()//四位LED数码管动态扫描函数
{
for(posit=0;posit<=3;posit++)
{
PORTA|=0x00;/////////////////////////////////
PORTC=led_7[dis_buff[posit]];
PORTA=position[posit];
if(posit==3)
PORTC|=0x80;
delay_ms
(2);
PORTA=0xfe;
}
}
voidmain()
{
DDRA=0xfe;
PORTA=0x00;///////////////////////
DDRC=0xff;
PORTC=0x00;
//TC0初始化
TCCR0=0x0b;//内部时钟,64分频,CTC模式
TCNT0=0x00;
OCR0=0x7c;
TIMSK=0x02;//允许T/C0比较中断
//ADC初始化
ADMUX=0x40;//参考电压AVcc\ADC0单端输入
SFIOR&=0x1f;
SFIOR|=0x60;//选择T/CO比较匹配中断为ADC触发源
ADCSRA=0xad;//ADC使能、自动触发转换、ADC转换中断允许,ADC时钟=125KHZ(32分频)
#asm("sei")
ADCSRA|=0x10;
while
(1)
{
if(time_2ms_ok)
{display();
time_2ms_ok=0;
}
}
}
三、去皮和调零
在本设计中,去皮主要通过软件去皮,在使用前,将托盘放在传感器上面,测出此时的电压值,通过单片机的程序设置,在程序中使电压输出值,减去皮重。
即在编写程序时就已经把皮重去了,这样做麻烦在于,如果更换托盘或者托盘上有杂物时就不能精确去皮了,所以要保持托盘洁净。
而调零是通过应变传感器的电容调零。
Ⅳ、参考资料
1、模拟电子技术基础简明教程(第三版),杨素行,清华大学出版社
2、传感器与信号调节(第二版),张伦译,清华大学出版社,2003
3、传感器原理及应用(第三版),王化祥,天津大学出版社,2007.2
4、AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践,马潮
5、AVR系列单片机C语言编程与应用实例,金春林,邱慧芳,张皆喜,清华大学出版社,2003
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- 电子秤 设计
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