基于CS5550的电子计价秤设计

专业课程设计题目：基于CS5550的电子计价秤设计学院：信息科学与工程学院专业班级：测控技术与仪器1102班学号：110401233学生姓名：李宁指导教师：傅元设计时间：2014.12.08——2014.12.26课程设计任务书1目录第一章.摘要………………………………………………………………………2第二章.系统方案论证与选型……………………………………………………31.控制部分………………………………………………………………32.数据采集………………………………………………………………43.传感器的选择…………………………………………………………44.放大电路选择…………………………………………………………55.A/D转换器的选择……………………………………………………76.键盘处理部分方案论证………………………………………………87.显示部分电路的选择…………………………………………………88.超量程报警部分电路的选择…………………………………………9第三章.硬件电路设计……………………………………………………………101.ATMEGA16的最小系统电路……………………………………………102.数据采集部分电路设计………………………………………………133.A/D转换与单片机接口部分设计……………………………………144.显示电路与单片机接口设计…………………………………………155.键盘电路与单片机接口电路设计……………………………………176.报警电路的设计………………………………………………………19第四章.总结………………………………………………………………………20参考文献…………………………………………………………………21附录1……………………………………………………………………22课题设计2第一章摘要随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子称重的控制系统中。本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。本系统以ATMEGA16单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、报警电路、键盘电路等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的称重功能、报警功能、数据计算功能以及人机交换功能。可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。关键词:CS5550，CZAF-602压力传感器，ATMEGA16单片机，A/D转换器，LCD显示器.本课题的主要设计思路是：利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。在设计期间，本人努力查阅相关资料，对称重的基本原理以及各软件、硬件模块做了认真的分析、研究。根据性能成本考虑，做了仔细的分析研究，主要有：系统模块的划分、A/D精度的考虑、单片机与外围模块的接口电路以及电子秤应用程序的实现等。课题设计3第二章系统方案论证与选型按照本设计功能的要求，本设计大致可分为五个模块：数据采集模块、信号放大模块、模数转换模块、单片机控制模块、人机交换模块。（其中人机交换模块中包括:声光报警、LCD显示、键盘输入）系统设计总体方案框图如图2-1所示。设计思路框图图2.1测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。2.1控制器部分本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。再则由于系统没有其它高标准的要求，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。INTEL公司的8051和8751都可使用，在这里选用ATMEGA16系列单片机。ATMEGA16系列与MCS-51相比有两大优势：第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。此外价格课题设计4低廉、性能比较稳定的MCPU，具有8K×8ROM、256×8RAM、3个16位定时计数器、4个8位I/O接口。这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。最后我们最终选择了ATMEGA16这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。ATMEGA16内部带有8KB的程序存储器，基本上已经能够满足我们的需要。2.2数据采集部分电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、信号放大电路和A/D转换电路，因此对于这部分的论证主要分三方面。2.3传感器的选择在设计中,传感器是一个十分重要的元件,因此对传感器的选择也显的特别的重要,不仅要注意其量程和参数,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比等等.传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。在实际工作中，要求称重传感器的有效量程在20%～80%之间，线性好，精度高。重量误差应控制在±0.01Kg，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以我们确定传感器的额定载荷为5Kg，允许过载为150%F.S，精度为0.05%，最大量程时误差0.01kg。可以满足本系统的精度要求.使用特别注意：传感器属于精密部件，剧烈振动、自由落体、碰撞、过载、过压等等，都非常容易造成传感器永久损坏或者影响精度和线性。传感器是测量机构最重要的部件，目前常用的有电阻应变式压力传感器和电容式压力传感器、压电式压力传感器。选用是应按着稳定性、精度等级、灵敏度、寿命和安装环境依次作为优先考虑。现比较如下：1.电容式压力传感器稳定性较差，精度和灵敏度高，寿命较短，对环境要求苛刻，不易长距离传输。2.压电式压力传感器稳定性好，精度和灵敏度高，寿命长，但大量程的压力传感器有待进一步研究。3.电阻应变式压力传感器稳定性好，精度和灵敏度较高，寿命较长，对测量环境要求不太严格。电阻应变式压力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，电阻应变片（转换元件）受到课题设计5拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小）从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。综合考虑,本设计要实现的电子秤的是绝对压力值，同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补偿能力的电阻应变式压力传感器。本设计选用CZAF-602压力传感器，其最大量程为5Kg，CZAF-602压力传感器的接线图如下：图2.2注释：黑S-红S+激励电压输入端(简称输入端)绿+白-GND重量毫伏信号输出端(简称输出端)CZAF-602压力传感器参数如下表：传感器参数项目参数项目参数综合误差：0.02%F.S绝缘电阻:≥5000MΩ(100VDC)非线性:0.01%F.S温度补偿范围:-10℃~+40℃滞后:0.02%F.S激励电压:3VDC~12VDC重要性:0.01%F.S使用温度范围:-20℃~+60℃零点输出:±1%F.S零点温度影响:0.01%F.S输入阻抗:1000±10Ω灵敏度温度影响:0.02%F.S输出阻抗:1000±5Ω安全过载范围:120%灵敏度:1±0.1mV/V极限过载范围:150%蠕变:0.02%F.S防护等级:IP662.4放大电路选择称重传感器输出电压振幅范围0～2mV。而A/D转换的输入电压要求为0～2V，因此放大环节要有1000倍左右的增益。对放大环节的要求是增益可调的（700～1500倍），根据本设计的实际情况增益设为1000倍即可，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。按照输入电压2mV，分辨率20000码的情况，漂移要小于1µV。由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（±1µV），从而保证了放大环节对零点课题设计6漂移的要求。残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。由称重传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成ΔR/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120Ω，灵敏系数K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000ε，应变电阻相对变化量为：ΔR/R=K×ε=2×1000×10－6=0.002（1-1）由式1-1可以看出电阻变化只有0.24Ω，其电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A/D转换芯片接收的信号。在前级处理电路部分，我们考虑可以采用以下几种方案：方案一、主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路；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LM324)做成一个差动放大器。其设计电路如下图2.3方案（二）：采用专用仪表放大器，如：INA126，INA121等构成前级处理电路。下面举例用INA128仪用仪表放大器来实现。一般说来，集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器。然而，绝大多数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。而集成化仪器放大器作为心电前置放大器时，由于极化电压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。有学者试图在前置放大器的输入端加上隔直电容（高通网络）来避免极化电压使高增益的前置放大器进入饱和状课题设计7态，但由于信号源的内阻高，且两输入端不平衡，隔直电容（高通网络）使等共模干扰转变为差模干扰，结果适得其反，严重地损害了放大器的性能。为了实现信号的放大，设计电路如下：图2.41）前级采用运放A1和A2组成并联型差动放大器。理论上不难证明，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。更值得一提的是，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。2）阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称（匹配）导致的共模干扰转换成差