电子秤设计

传感器课程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。应变传感器卜*信号放大器］单片机］led显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。H、硬件电路设计一、传感器选择1、传感器型号：2、产品特点及结构：主要适用于口袋称3、主要技术参数：额定载荷（Kg）:500g;精度等级：C3;综合误差：（％F.S）0.05;灵敏度（mV"0.7+-0.1非线性（%F.S）:0.05;滞后（%F.S）:0.05;重复性（%F.S）:0.05;蠕变（%F.S/30min）:0.05;零点输出（%F.S）:+-1;输入阻抗（）：100050WTP616平行梁式称重（测力）传感器;手掌称等电子称重；绝缘电阻（M）>=2000（100VDC激励电压（V）5~10DC温度补偿范围（C）-10~+40使用温度范围（C）-20~+50零点温度影响（%F.S/10C）0.2灵敏度温度影响（%F.S/10C）0.15安全过载范围（%F.S）150极限过载范围（％F.S）输出阻抗（）：1000+-50电缆线：四芯屏蔽电缆4、接线：输入（电源）+:红色；输入（电源）一：黑色；输出（信号）+:绿色；输出（信号）一：白色5、实物图:WTP616力】舊感黠祢汪、测力R感器怨司名商：佛11市實苦⑰电子仪册有呼也*司申在地广东已決点击:106筍单畀妬-'/VTI=61曲怠希悄梧•平行黑武丙尔®和力［橙隔葩局的动式电路，提高线性°忧图3-11电覘电卷矗平櫛电路图n.1.2惠根斯电桥电路UoU(RR2R3R4)4RRRRUK(124）U；434其中£是应变，U是输入电压，K是灵敏度。通过调节电阻R5和Rs可以实现输出调零。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RR2R3R4，构成差度和灵敏度。R1~R4都接应变片WTP616,R1和R3接成工作片，R2和R3接成补偿片，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n.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n.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。£——ttU«7Z1L3>=—幅"HiBq匸nTnuTT号社煜i更u月最小迥AS*单位测试黑件辅出电压E.OE.2*T,-2fiT?4755.0S.?520V图n22:7805的典型输出电压参数U1L1M7805CTI/INg--■VHEGVCLTAC-i---vProbeiC1±200Quf=G2XXQ.33：uF:C3==o.iuFR1V：5,00V畑咄：nvV(rms):0VV(dc):5.00VI:5.00mAIftj-p)：0AIfrrru)；0AI(dc)i5.00mAFreq.t图n.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。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n.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25卩V）,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为土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。OffsetNull1invertingInputNon-inertingInput8765图n.3.1Op07引脚图OffsetNull2OutputN.C.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=R5R6=R7R8=R9经过计算可得，UO1(12RR4)Uii,Uo2R3（12R35）u-所以差分的输入为UO1UO2（1散UI2），而U。割。1U°2）R8（1診，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H32）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UOR^UI,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R1I.3.3)川、软件设计一、单片机介绍：本课程设计采用AVR系列单片机Mega16（图川.1.1）,ATmega16是AVF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AVF内核高性能、低功耗的8位单片机；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；32个8位通用工作寄存器；全静态工作；工作在16MHZ寸具有16MIPS的性能；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16K字节可ISP编程的Flash程序存储器，擦除寿命达1万次；1K字节的片内静态数据存储器（SRAM；512个字节片内EEPRO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；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；片内含独立振荡器的实时时钟RTC4路PW通道；8路10位ADC两线接口TWI（兼容I2C硬件接口）；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USART1个可工作于主机/从机模式的SPI串行接口（支持ISP程序下载）；片内模拟比较器；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—8MATmega160—16M;低功耗：ATmega16工作在1MHz3v、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;:X伫K-DJP&*PE倉fOO&AlN"T\PBSS-S■弹2■却|RBS:tJtiS-O:R&5£匚K；RXACrxo:x—£flNTrB：CrC.A-f1C2f=*^:Inn图川.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（图川.1.2）:第一步：初始化单片机，定义AB、C、D个10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AVCCADC0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ADCSR设定，开启ADC专换功能；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。图川.1.2单片机控制电路仿真图二、程序代码：#include#includeflashcharled_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;}}//timer。中断interrupt[TIM0_COMP]voidtimer0_comp_isr(){time_2ms_ok=1;}一一//ADC转换中断interrupt[ADC_INT]voidadc_isr(){一一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;DDRC=0xff;PORTC=0x00;//TC0初始化TCCR0=0x0b;//TCNT0=0x00;OCR0=0x7c;TIMSK=0x02;////ADC初始化ADMUX=0x40;//PORTA=0x00;///////////////////////内部时钟，64分频，CTC模式允许T/C0比较中断参考电压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ADC时ADCSRA=Oxad;//ADC使能、自动触发转换、ADC转换中断允许,钟=125KHZ（32分频）#asm("sei")ADCSRA|=0x10;while(1){if(time_2ms_ok){display();time_2ms_ok=0;三、去皮和调零将托盘放在传感器上面，测出此在本设计中，去皮主要通过软件去皮，在使用前，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