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实物图应变传感器信号放大器单片机LED显示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1234RRRR，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，3124()4oRRRRUURRRR1234()44UKUK其中ε是应变，U是输入电压，K是灵敏度。通过调节电阻56RR和可以实现输出调零。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，5411223322(1),(1)OIOIRRUUUURR,所以差分的输入为4121232(1)()OOIIRUUUUR，而884126632()(1)OOORRRUUURRR，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1211OIRUUR，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ADC6.两线接口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：#includemega16.h#includedelay.hflashcharled_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，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