传感器课程设计报告数显电子秤.doc

传感器课程设计报告题目：数显电子秤学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 设计时间 成 绩 目 录第一节 设计任务与方案构思31.1设计任务及要求31.2系统构思与方案论证31.3基本工作原理与原理框图3第二节 硬件电路的设计 42.1 电阻应变式传感器的选择42.2 前级放大电路的设计62.3 ADC0809 A/D转换器62.4 LED显示电路的设计82.5 总体工作电路原理图9第三节 软件的设计10第四节 设计总结12参考书籍13数字电子秤设计第一节 设计任务与方案构思1.1设计任务及要求1) 设计一款便携式家用电子秤，用LED数码管显示被称物体的质量；2) 测量范围在100公斤之内；3) 放置超过100公斤重物时能够对承重板位置进行限定以保护电阻应变片；4) 运用电阻应变式传感器，采用全桥测量电路进行压力信号检测；5) 电路由全桥测量电桥、三级运算放大电路、A/D转换电路及LED数码管显示电路组成；6) 写出详细的设计报告。1.2 系统构思与方案论证该电子秤可采用单片机为主要部件。首先利用电阻应变式传感器配合全桥测量电路将压力信号变换成模拟电信号，经前级放大后送入A/D转换芯片变成数字信号，然后送至单片机进行运算及处理，计算出被测物体的质量，最后把被测结果送至数码管进行数字显示。电阻应变式传感器价格低廉，性能可靠，是压力传感器中应用最多的一种。采用全桥测量电路可使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。前级放大器可由三级运算放大电路组成，对传感器输出的微弱模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在本设计中可以采用ADC0809模/数转换芯片。采用该芯片的优点是教材中对该芯片介绍较多，其采样时序由单片机产生，子程序有成熟范例。1.3基本工作原理及原理框图该电子秤基本工作原理框图如图1-1所示。电阻应变传感器三级放大电路ADC0809 A/D转换器89S51单片机8155LED显示器 1-1 基本工作原理框图第二节 硬件设计2.1 传感器的选择2.1.1 电阻应变式传感器的组成及工作原理电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。其结构如图21所示。电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：（1） 电阻丝温度系数引起的。（2） 电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。 滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。图21 应变式传感器安装示意图全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1R2R3R4，其变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压UoutKE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。2.1.2 电阻应变式传感器的测量电路常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.0000010.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.00050.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。 桥式测量电路有四个电阻，如图22所示。其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。 测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。图 2-2 全桥测量电桥图它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1R2R3R4350，加热丝阻值为50左右，测量电桥的电源由稳压电源Uin供给。将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V(2V档测量)或0.200V。拿去托盘上的所有砝码，调节电位器R W4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。2.2 前置放大器设计本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三级放大电路，主要的元件就是三运放放大器。在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。电路设计采用常用仪表放大器方案，如图23所示。图 2-3 三运放大电路结构图2.3 ADC0809 A/D转换器ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809的内部逻辑结构如图24所示。图24 ADC 0809内部逻辑结构图ADC0809引脚排列如图25所示。图25 ADC 0809引脚排列图IN0IN7：8条模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表21所示。 表21 ADC 0809通道选择对照表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号：当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。 D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线：因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。 2.3.3 ADC0809应用说明1) ADC0809内部带有输出锁存器，可以与8031直接相连。 2) 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 3) 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 4) 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 5) 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 6) 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 2.4 LED显示电路设计2.4.1 LED显示器结构与原理LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。2.4.2 LED显示器与显示方式在单片机应用系统中使用LED显示块构成N位LED显示器。N位LED显示器有N根位选线和8*N根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮，暗。LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示 LED动态显示方式。在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。2.5 总体工作电路原理图系统总体工作原理图如图26所示。图 26 系统总体工作原理图第三节 软件的设计ADC0809通道IN0地址 7FF8H8155 PA口地址 7F01H PB口地址 7F02H FLAG BIT 7FH ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0013H AJMP INT1MAIN： SETB IT1 SETB EA SETB EX1 LCALL AD_SORT LCALL BCD_SORT LCALL DISLED LCALL DELAY_LO AJMP MAINAD_SORT: MOV R0,#60H SETR FLAG MOVX DPTR,#7FF8H MOVX DPTR,AWAIT: JB FLAG,WAIT RETINT1: MOVX A,DPTR MOV R0,A CLR FLAG RET1DLSLED: MOV R3,#01H MOV A,R3LOOP: MOV DPTR,#7F01H MOVX DPTR,A INC DPTR MOV A,R0 ADD A,#0DH MOVC A,A+PCDIR1: MOVX DPTR,A LCALL TIM2 INC R0 MOV A,R3 JB ACC.1,LOOP1 RL A MOV R3,A AJMP LOOPLOOP1: RETTIM2: MOV R7,#04HDLT1: MOV R6,#FFHDLT2: DJNZ R6,DLT2 DJNZ R7,DLT1 RETBCD_SORT: MOV A,R0 RL A MOV B,#10H DIV AB MOV R0,B INC R0 MOV R0,ARETDELAY_LO:PUSH 0PUSH 1PUSH 2MOV 0,#01H;DELAY_LO1:MOV 1,#00HDELAY_LO2:MOV 2,#0B2H; DJNZ 2,$ DJNZ 1,DELAY_LO2 DJNZ 0,DELAY_LO1 POP 2 POP 1 POP 0 RET END