电子秤设计.docx

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、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。单片机LED显示信号放大器应变传感器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。、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）510DC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（）:1000 50 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.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。R1R4都接应变片WTP616,R1和R3接成工作片，R2和R3接成补偿片，其中是应变，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.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.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.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.2.1：7805封装图图.2.2：7805的典型输出电压参数图.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.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25V），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.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.3.2）所示，最终前级输出电压是-460.031mV。图.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.3.3）图.3.3二级放大电路仿真图、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.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 l 工作电压范围宽：ATmega16L 2.75.5v，ATmega16 4.55.5v； l 运行速度：ATmega16L 08M，ATmega16 016M； l 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.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.0PC.7作为LED数据输入口，PA.2PA.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.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：初始化，在本程序中，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.1.2单片机控制电路仿真图二、程序代码：#include<mega16.h>#include<delay.h>flash char led_710=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;flash char position4=0xf8,0xf4,0xec,0xdc;unsigned char dis_buff4=0,0,0,0,posit=0;bit time_2ms_ok;/ADC模数转换显示数据缓存函数void adc_to_disbuffer(unsigned int adc) char i; for(i=0;i<=3;i+) dis_buffi=adc%10; adc/=10; /timer0中断 interrupt TIM0_COMP void timer0_comp_isr() time_2ms_ok=1; /ADC转换中断interrupt ADC_INT void adc_isr() unsigned int adc_data,adc_v; adc_data=ADCW;/读取ADC转换结果 adc_v=(unsigned long)adc_data*5000/1024;/转换成电压值 adc_to_disbuffer(adc_v); /产生dis_buff中的值void display()/四位LED数码管动态扫描函数 for(posit=0;posit<=3;posit+) PORTA|=0x00;/ PORTC=led_7dis_buffposit; PORTA=positionposit; if(posit=3) PORTC|=0x80; delay_ms(2); PORTA=0xfe; void main() 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AVccADC0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。、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，20033、 传感器原理及应用（第三版），王化祥，天津大学出版社，2007.24、 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