傳感器課程設(shè)計報告題目：數(shù)顯電子秤學(xué) 院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 設(shè)計時間 成 績 目 錄第一節(jié) 設(shè)計任務(wù)與方案構(gòu)思31.1設(shè)計任務(wù)及要求31.2系統(tǒng)構(gòu)思與方案論證31.3基本工作原理與原理框圖3第二節(jié) 硬件電路的設(shè)計 42.1 電阻應(yīng)變式傳感器的選擇42.2 前級放大電路的設(shè)計62.3 ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器62.4 LED顯示電路的設(shè)計82.5 總體工作電路原理圖9第三節(jié) 軟件的設(shè)計10第四節(jié) 設(shè)計總結(jié)12參考書籍13數(shù)字電子秤設(shè)計第一節(jié) 設(shè)計任務(wù)與方案構(gòu)思1.1設(shè)計任務(wù)及要求1) 設(shè)計一款便攜式家用電子秤，用LED數(shù)碼管顯示被稱物體的質(zhì)量；2) 測量范圍在100公斤之內(nèi)；3) 放置超過100公斤重物時能夠?qū)Τ兄匕逦恢眠M行限定以保護電阻應(yīng)變片；4) 運用電阻應(yīng)變式傳感器，采用全橋測量電路進行壓力信號檢測；5) 電路由全橋測量電橋、三級運算放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及LED數(shù)碼管顯示電路組成；6) 寫出詳細(xì)的設(shè)計報告。1.2 系統(tǒng)構(gòu)思與方案論證該電子秤可采用單片機為主要部件。首先利用電阻應(yīng)變式傳感器配合全橋測量電路將壓力信號變換成模擬電信號，經(jīng)前級放大后送入A/D轉(zhuǎn)換芯片變成數(shù)字信號，然后送至單片機進行運算及處理，計算出被測物體的質(zhì)量，最后把被測結(jié)果送至數(shù)碼管進行數(shù)字顯示。電阻應(yīng)變式傳感器價格低廉，性能可靠，是壓力傳感器中應(yīng)用最多的一種。采用全橋測量電路可使系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差更小，輸出的數(shù)據(jù)更精確。前級放大器可由三級運算放大電路組成，對傳感器輸出的微弱模擬信號進行一定倍數(shù)的放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求，在本設(shè)計中可以采用ADC0809模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。采用該芯片的優(yōu)點是教材中對該芯片介紹較多，其采樣時序由單片機產(chǎn)生，子程序有成熟范例。1.3基本工作原理及原理框圖該電子秤基本工作原理框圖如圖1-1所示。電阻應(yīng)變傳感器三級放大電路ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器89S51單片機8155LED顯示器 1-1 基本工作原理框圖第二節(jié) 硬件設(shè)計2.1 傳感器的選擇2.1.1 電阻應(yīng)變式傳感器的組成及工作原理電阻應(yīng)變式傳感器是將被測量的力，通過它產(chǎn)生的金屬彈性變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的元件。由電阻應(yīng)變片和測量線路兩部分組成。常用的電阻應(yīng)變片有兩種：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，本設(shè)計中采用的是電阻絲應(yīng)變片，為獲得高電阻值，電阻絲排成網(wǎng)狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導(dǎo)線，線柵上面粘有覆蓋層，起保護作用。其結(jié)構(gòu)如圖21所示。電阻應(yīng)變片也會有誤差，產(chǎn)生的因素很多，所以測量時我們一定要注意，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：（1） 電阻絲溫度系數(shù)引起的。（2） 電阻絲與被測元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。對于因溫度變化對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進行溫度補償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動補償片，并從外部對它加以適當(dāng)?shù)难a償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計決定，通過線性補償，也可得到改善。滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。圖21 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1R2R3R4，其變化值R1R2R3R4時，其橋路輸出電壓UoutKE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。2.1.2 電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路常規(guī)的電阻應(yīng)變片K值很小，約為2，機械應(yīng)變度約為0.0000010.001，所以，電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍為0.00050.1歐姆。所以測量電路應(yīng)當(dāng)能精確測量出很小的電阻變化，在電阻應(yīng)變傳感器中做常用的是橋式測量電路。 橋式測量電路有四個電阻，如圖22所示。其中任何一個都可以是電阻應(yīng)變片電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓U，另一個對角線為輸出電壓Uo。其特點是：當(dāng)四個橋臂電阻達到相應(yīng)的關(guān)系時，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計來測量，所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。 測量電路是電子秤設(shè)計電路中是一個重要的環(huán)節(jié)，我們在制作的過程中應(yīng)盡量選擇好元件，調(diào)整好測量的范圍的精確度，以避免減小測量數(shù)據(jù)的誤差。圖 2-2 全橋測量電橋圖它由電阻應(yīng)變片電阻R1、R2、R3、R4組成測量電橋，R1R2R3R4350，加熱絲阻值為50左右，測量電橋的電源由穩(wěn)壓電源Uin供給。將差動放大器調(diào)零，合上電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位RW1，使數(shù)顯表顯示0.00V。將10只標(biāo)準(zhǔn)砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器RW3（增益即滿量程調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.200V(2V檔測量)或0.200V。拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器R W4（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.0000V。重復(fù)2、3步驟的標(biāo)定過程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量綱g，就可以稱重。成為一臺原始的電子秤。2.2 前置放大器設(shè)計本次課程設(shè)計中，需要一個放大電路，我們將采用三級放大電路，主要的元件就是三運放放大器。在許多需要用A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。電路設(shè)計采用常用儀表放大器方案，如圖23所示。圖 2-3 三運放大電路結(jié)構(gòu)圖2.3 ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖24所示。圖24 ADC 0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖ADC0809引腳排列如圖25所示。圖25 ADC 0809引腳排列圖IN0IN7：8條模擬量輸入通道。ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4條 ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表21所示。 表21 ADC 0809通道選擇對照表CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7數(shù)字量輸出及控制線：11條 ST為轉(zhuǎn)換啟動信號：當(dāng)ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 D7D0為數(shù)字量輸出線。 CLK為時鐘輸入信號線：因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ， VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。 2.3.3 ADC0809應(yīng)用說明1) ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與8031直接相連。 2) 初始化時，使ST和OE信號全為低電平。 3) 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 4) 在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 5) 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。 6) 當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。 2.4 LED顯示電路設(shè)計2.4.1 LED顯示器結(jié)構(gòu)與原理LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是七段LED。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地。當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮；共陽極LED顯示塊的發(fā)光二極管陽極并接。2.4.2 LED顯示器與顯示方式在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中使用LED顯示塊構(gòu)成N位LED顯示器。N位LED顯示器有N根位選線和8*N根段選線。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮，暗。LED顯示器有靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示兩種方式。我們使用的為動態(tài)顯示 LED動態(tài)顯示方式。在多位LED顯示時，為了簡化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個8位I/O口控制，而共陰極點或共陽極點分別由響應(yīng)的I/O口線控制。2.5 總體工作電路原理圖系統(tǒng)總體工作原理圖如圖26所示。圖 26 系統(tǒng)總體工作原理圖第三節(jié) 軟件的設(shè)計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 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