电子产品制作电子教材第6章.docx
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电子产品制作电子教材第6章
学习情境6电子秤的设计与制作
项目6.1电子秤的电路设计
学习要点:
1.学习电子秤相关电路基础知识;
2.学习电子秤电路的设计方法;
6.1.1电子秤的基本知识
1.电子秤的概述
电子秤是采用数字电路实现标定物体重量并数字显示的计量装置。
电子秤是人们日常生活不可缺少的电子产品,电子秤以其显示的直观性、应用的方便性、称重准确稳定而受到人们的欢迎,广泛应用于家庭、市场、码头、货场合等场合,给人们的生活、贸易、工作带来了极大的方便。
由于数字集成电路的发展和单片机的使用,使得电子秤的精度、稳定度、称重范围远远超过了普通衡器。
衡器的数字化在提高报时精度的同时,也大大扩展了它的功能,诸如超重自动报警、重量存储、价格计量、语音提示、货物影像等。
电子秤从原理上讲可以应用晶体管分立元件实现;也可应用数字集成电路实现;亦可应用单片机或可编程控制器制作。
电子秤除用一个显示窗口来显示所称物体的重量外,还应具有置零、去皮、标定功能。
置零:
在开机或称重过程中,仪表显示偏离零点且在称重范围内,则可按[置零]键,显示零值并零点指示灯亮。
去皮:
在称重显示状态下,按[去皮]键,则显示零值并去皮指示灯亮;在去皮状态下,拿掉皮重物时按[去皮]键,可以清除皮重值。
标定功能:
为保证仪器预定精度的可靠性和合法性,仪器必须定期校准,为用户提供一种方便的自动校准方式。
电子秤的种类很多,有桌面秤、台秤、地磅和精密天平等。
2.电子秤的组成
(1)电子秤的基本结构
电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量(重量)的测量仪器,也可用来确定与
质量相关的其它量大小、参数、或特性。
不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分
组成:
1)承重、传力复位系统
它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统,又称电子秤的秤体,一般包括
接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。
2)称重传感器
即由非电量(质量或重量)转换成电量的转换元件,它是把支承力变换成电的或其它
形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。
按照称重传感器的结构型式不同,可以分直接位移传感器(电容式、电感式、电位计
式、振弦式、空腔谐振器式等)和应变传感器(电阻应变式、声表面谐振式)或是利用磁
弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。
对称重传感器的基本要求是:
输出电量与输入重量保持单值对应,并有良好的线性关
系;有较高的灵敏度;对被称物体的状态的影响要小;能在较差的工作条件下工作;有较
好的频响特性;稳定可靠。
3)测量显示和数据输出的载荷测量装置
即处理称重传感器信号的电子线路(包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节
器、补尝元件、保护线路等)和指示部件(如显示、打印、数据传输和存贮器件等)。
这
部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。
在数字式的测量电路中,通常包括前置放大、滤
滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。
(2)电子秤的工作原理
当被称物体放置在秤体的秤台上时,其重量便通过秤体传递到称重传感器,传感器
随之产生力-电效应,将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比
关系)的电信号(电压或电流等)。
此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数(A/D)
器进行转换,数字信号再送到微处器的CPU处理,CPU不断扫描键盘和各种功能开关,根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运
算。
运算结果送到内存贮器,需要显示时,CPU发出指令,从内存贮器中读出送到显示器
显示,或送打印机打印。
一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在
仪表中完成。
(3)电子秤的计量性能
电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有:
量程、分度值、分度数、准确度等级等。
(1)量程:
电子衡器的最大称量Max,即电子秤在正常工作情况下,所能称量的最大值。
(2)分度值:
电子秤的测量范围被分成若干等份,每份值即为分度值。
用e或d来表示。
(3)分度数:
衡器的测量范围被分成若干等份,总份数即为分度数用n表示。
电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示,即Max=n•d
(4)准确度等级
国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类等级,分别对
应不同准确度的电子秤和分度数n的范围,如下所示:
标志及等级电子秤种类分度数范围
特种准确度基准衡器n>100000
高准确度精密衡器10000 中准确度商业衡器1000 普通准确度粗衡器100 3.电子秤主要部件称重传感器 称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置,被喻为电子秤的心脏部件,它的性能好 坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。 通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误差的50%~70%。 若在环境恶劣的条件下(如高低温、湿热),传感器所占的误差比例就更大,因此,在人们设计电子秤时,正确地选用称重传感器非常重要。 (1)常用各种称重传感器 称重传感器的种类很多,根据工作原理来分常用的有以下几种: 电阻应变式、电容式、压磁式、压电式、谐振式等。 电阻应变式称重传感器: 是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上,然后以适当方式 组成电桥的一种将力(重量)转换成电信号的转换元件。 电容式称重传感器: 是把被称物体重量转换为电容器容量变化的一种传感器,它是 以各种不同类型的电容量作为转换元件,实际是一个具有可变参数的电容器。 电容式传感 器由于它存在输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和称重精度的影响、传感 器联接电路比较复杂等原因,直接影响到它的可靠性,所以限制了它的应用。 近些年来由 于集成电路特别是微处理技术的发展,可将电子线路紧靠传感器的极板以减小电缆分布电 容的影响,并可利用微处理技术对电容式传感器的温度特性和非线性进行补偿,所以电容 式传感器在电子称重技术中的应用又得到了重视,在国内已出现了可与电阻应变式传感器 电子秤准确度相比的电容式台秤和电容式吊秤等产品。 压磁式称重传感器: 也称磁弹性传感器,它是一种力-电转换的无源传感器。 它的 工作原理是利用压磁效应,将被称重量的变化变换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电 信号。 压磁传感器具有输出信号大、抗干扰性能好、过载能力强、不均匀载荷对测量准确 度的影响小、能在恶劣的环境中工作、结构简单便于加工等优点。 缺点是准确度低、反应 速度慢。 它常用于冶金、矿山、运输等工业部门的承受大吨位,并要求牢固可靠、安全报 警等测力或称重场合。 谐振式称重传感器: 也称频率式传感器,它是利用机械振子的固有频率或石英晶体 的谐振特性,随着被称物体重量的变化而产生频率变化现象而形成的一种传感器。 谐振式 传感器可分为振弦式、振梁式、振膜式、振筒式、振管式和晶体谐振式等多种类型。 在称 重技术中主要采用的是振弦式称重传感器和振梁式称重传感器类的一种复合音叉振子传 感器。 (2)称重传感器的主要性能指标: 1)传感器的输出灵敏度 传感器在额定载荷作用下,供桥电压为1V时的输出电压,单位为(mV/V)。 在任一 载荷下,传感器的输出电压=所加载荷×供桥电压×输出灵敏度/额定载荷。 2)非线性 传感器承受载荷与其相应输出电压之间并非成完全的线性关系,由此而造成的误差称为传感器的非线性误差。 3)不重复性 在同一环境条件下,对传感器反复施加某载荷时,其每次输出的电压值不尽相同,这种现象称为传感器的不重复性。 4)零点不平衡输出 在传感器不受任何载荷条件下,传感器输入端以额定的供桥电压时的输出电压,称 为零点不平衡输出。 (3)称重传感器的选择 传感器种类繁多,分类方式也千差万别,它们都有各自的特点,但在设计电子秤时, 选择一种合适的传感器非常重要,传感器的性能在很大程度上决定了电子秤的精确度和稳 定性。 称重传感器的选择主要从以下几个方面考虑。 1)要考虑传感器所处的实际工作环境情况 传感器所处的工作环境情况对如何选用传感器是至关重要的,它关系到传感器能否正常的工作,关系到传感器的安全和使用寿命,乃至关系到整个电子秤的可靠性和安全性。 2)对传感器数量和量程的选择 传感器数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数(支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定)而定。 一般来说,秤体有几个支撑点就选用 几只传感器,但是对于一些特殊的秤体,如电子吊秤,就只能采用一个传感器,一些机电 结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。 传感器量程的选择是依据秤的最大秤量值、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传感器的量程。 一般来说,传感器的量程越接近分配到每个传感的载荷,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的存在,因此在选用传感器量程的时候,要考虑诸如多方面的因素,保证传感器的安全和寿命。 3)传感器准确度等级的选择 传感器的准确度等级概括了传感器的非线性、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏 度等技术指标。 称重传感器已按准确度等级划分,且已考虑了0.7倍误差因子,非自动衡 器称重传感器的准确度等级要选择与电子秤相对应的准确度等级。 称重传感器按综合性能 分为A、B、C、D四个准确度等级,分别对应于衡器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个准确度等级。 (4)数字式称重传感器 目前,我国大量使用和生产的多是传统的模拟式传感器,模拟信号的输出较小,以 生产量最大的、采用电阻应变原理和称重传感器为例,一般最大输出为30~40mV,其信号 易受射频干扰,电缆传输距离也短,通常在10m以内。 在数字化技术广泛应用的今天,为 解决其远距离传输和与数字技术、与计算机方便结合的问题,数字式称重传感器将得到了 很大的发展。 目前,同样是电阻应变式的数字化传感器,其输出信号可达4V,是模拟式传 感器的100倍。 强信号电缆传输距离可在150m,附加电源后则可超过600m。 下面对数字式传感器的原理、优缺点等几个方面作些介绍。 1)工作原理: 数字式传感器将传感器电桥电路输出的模拟电压信号放大、滤波、 经A/D转换后送入微处理芯片,利用芯片中存入的软件对传感器进行常规的补偿和调整, 同时还进行一些非线性、滞后和蠕变等补偿,最后,通过RS-485通讯方式传送给仪表或计 算机。 2)数字式应变传感器的优缺特点 采用数字化技术,模拟传感器采用的模拟方式调整传感器输出灵敏度、传感器零点输 出、传感器阻抗等,现在都由CPU处理完成,数字化处理的准确度非常高,方便快捷。 在 传统传感器生产过程中,首先对传感器输出灵敏度温度特性和零点温度特性进行补偿。 随 后对传感器的输出灵敏度、零点输出及阻抗进行调整,这样会破坏原已补偿好的传感器温 度特性。 而采用数字化技术后,传感器的输出灵敏度及零点输出都由CPU数据处理完成, 不会对原有的温度补偿性能有任何改变,且数字传感器阻抗是没有要求的,经数字化处理 后的传感器的一致性是非常好的,精度可达万分之一。 由于数字传感器的输出是数字信号,所以抗干扰能力强,传输距离远,没有模拟传感器的连接误差,更没有线路阻抗的温度变化造成的计量误差。 6.1.2电子秤的设计方法步骤 1.电子秤设计概述 电子秤的设计,是根据设计目的、设计任务及要求等性能指标,正确地确定设计出整机电路的方框流程图,然后根据方框图设计各部分单元电路,由单元电路确定元器件型号、性能参数,从而合理的选择这些器件画出实用原理电路图的过程。 2.电子秤设计步骤 (1)确定目标: 设计整个系统是由那些模块组成,各个模块之间的信号传输,并画出电子秤方框图。 (2)系统分析: 根据系统功能,选择各模块所用电路形式。 (3)参数选择: 根据系统指标的要求,确定各模块电路中元件的参数、型号。 (4)总电路图: 连接各模块电路。 3.电子秤设计内容 (1)传感器电路的设计: 根据设计目的、设计任务确定选择传感器的类型并进行电路设计。 (2)A/D转换器电路设计: 根据设计的精度要求,选择A/D转换器的类型并进行电路设计。 (3)处理显示部分电路的设计: 处理显示电路部分的设计主要包括处理芯片、显示器件的选择以及外围电路的设计。 (4)辅助电路的设计: 根据设计任务要求确定电路设计的内容,主要包括打印接口电路、计价器电路、语音提示电路、存储器电路等的设计。 4.电子秤电路设计举例 设计一个电子秤,任务要求为: 设计一种小型、简便、精确度高的电子平台秤,量程20Kg,分度值为5g,它用一个 显示窗口来显示所称物体的重量。 可扩展功能是它具有置零、去皮、标定功能。 置零: 在开机或称重过程中,仪表显示偏离零点且在称重范围内,则可按[置零]键, 显示零值并零点指示灯亮。 去皮: 在称重显示状态下,按[去皮]键,则显示零值并去皮指示灯亮;在去皮状态 下,拿掉皮重物时按[去皮]键,可以清除皮重值。 标定功能: 为保证仪器预定精度的可靠性和合法性,仪器必须定期校准,为用户提 供一种方便的自动校准方式。 根据设计的任务要求,分为硬件设计和软件设计两部分 硬件设计步骤: (1)整机方框图设计 按照电子秤设计要求,可确定电子秤硬件电路由以下几部分组成。 电阻应变式称重传感器、CS1180A/D转换器、单片机最小系统,数码管显示电路、键盘电路、电源电路。 工作原理: 把所称物体放到秤台上,通过秤体物体的重力传给电阻应变式称重传感器,传感器受到压力使电阻发生变化引起电压变化再将电压值送到A/D转换电路,将模拟量转换成数字量,转换后的数字量送单片机进行处理,其功能由键盘电路来控制,并由数码管来显示结果。 (2)传感器电路设计 本设计采用电阻应变式称重传感器,电阻应变式称重传感器包括两个主要部分,一个是弹性敏感元件: 利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值;另一个是电阻应变计: 它作为传感元件将弹性体的应变,同步地转换为电阻值的变化,这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出,必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变 化,才能用二次仪表显示出来。 在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转 换为电压变化。 电阻应变式称重传感器桥式测量电路如图所示: R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻,组成了桥式测量电路,Rm为温度补偿电阻, u为激励电压,V为输出电压。 (3)A/D转换器电路设计 A/D转换器的是将传感器输出的模拟量转变成数字量供单片机系统教学信号处理,它的选择关系到电子秤的精确度和稳定度,同时电子秤作为法定的计量器具,其技术指标、稳定性、可靠性都有严格的要求,必须符合国家的标准,因此,在设计时对于器件的选择不仅要考虑成本,更要的还要考虑电路的稳定性,因此尽可能的使电路设计的器件少。 采用△-Σ技术制成的A/D转换芯片,具有较高集成度,它通常集放大器、模拟开关、A/D转换器、比较器、数字滤波器、输出接口集于一体,仅需几个外围器件便构成一个完整A/D转换系统,大大减少了印刷线路板布线。 由于其集成度高,所以故障概率较采用分立元件A/D转换系统和明显降低,进而提高系统可靠性。 此外,其内部置高性能仪表放大器,大大降低对信号源的要求。 电子秤电阻应变式称重传感器输出信号为mV级,若采用一般的A/D转换器往往需要放大后才能进行A/D转换。 而△-ΣA/D转换器大都采用了增益可编程放大器,可编程数字滤波、多种自校准技术等多项先进技术,并多数采用微处理器来管理与控制转换程序,由于采用了多种综合技术措施,放大器的增益调整、数字滤波和误差校正都集中在同一芯片中,外围器件少,使用方便可靠。 它的这些优点正符合电子秤正朝着小型化,高精度,智能化方向发展。 因此,电子秤的设计选用△-Σ模数转换器较为合理。 目前市场△-ΣA/D转换器型号比较多,性能指标也不同,选用什么型号的△-ΣA/D转换器根据电子秤的性能要求决定。 对于静态的,商用的电子秤来说,常选用分辨率为16位至24位的A/D转换器。 因此,本设计选择商用CS1180A/D转换器。 由集成电路CS1180A/D转换器组成的电子秤电路的连接图如下 (4)处理显示部分电路的设计 处理显示部分电路本设计单片机AT89C52实现对A/D转换器输入的秤重信号进行处理并控制显示的。 AT89C52具有: ①有1个专用的键盘/显示接口;②有1个全双工异步串行通信接口;③有2个16位定时/计数器。 这样,1个89C52芯片,承担了3个专用接口芯片的工作。 不仅使成本大大下降,而且优化了硬件结构和软件设计,应用带来许多方便。 89C52的P0、P1、P2口用作键盘/显示接口。 用程序扫描的方法进行键盘输入和显示输出。 P0口作为字段口,P1口作为键盘的列输入口,P2作为显示器的字位口以及键盘的行扫描输出口。 由于显示器字位口电流较大,P2口需进行电流驱动。 该多功能接口最多可连接8个LED显示器和1个8×8链盘矩阵。 有AT89C52设计的处理显示部分电路如下图。 软件部分设计 (1)软件设计概述 软件部分的设计要根据电子秤的信号处理流程来进行,电子秤电路中信号的处理流程为: 电子秤要求有及时数据采集、处理、存结果、送显示的运行过程。 根据这一要求, 电子秤的信息测量与处理分三个阶段: 1)在微处理器的控制下,经传感器转换的电压信号通过输入电路送A/D转换器处理, 变为相应的数字量,存入到数据存储器中。 2)微处理器对采集的测量数据进行必要的数据处理,如特性补偿、数字滤波、标度 变换等。 3)显示处理结果,把数据信号处理为显示及记录所要求的信号格式,通过输出接口 电路输出并显示与记录。 其信息处理的流程图如图 (2)软件流程图 根据电子秤信息处理流程图,为了方便程序调试和提高可靠性,程序设计采用自上而下、模块化、结构化的程序设计方法,把总的编程过程逐步细分,分解成一个个功能模块,每个功能模块相互独立,每个模块都能完成一个明确的任务,实现某个具体的功能。 本设计按任务模块划分的程序 主要有初始化程序、主程序,A/D转换子程序、显示子程序、键盘处理子程序。 (3)初始化程序设计: 单片机系统上电后,进入初始化程序,完成单片机片内各模块的设置和A/D转换器的功能设置初始化,然后进入主程序。 (4)主程序设计 单片机完成初始化程序后进入主程序,主程序主要完成对存储参数的读取,对检 测到的数据进行数据处理,键处理,显示处理等。 主程序的流程图如下图。 其运行编写的程序附后。 附运行程序 #include #defineuintunsignedint #defineucharunsignedchar #defineulongunsignedlong externstructparameter { uintmax_weight; uchardsel; uchardp; floatbeilv; ulongzero_save; uintzero_dy; uintbeilv_dy; ucharshuduval; ucharxor_val; }bdf; uintcodenum_ten[4]={1,10,100,1000}; ucharcodeadcount2[4]={2,4,5};//数据处理进平均次数 ucharcodetab_dsel[4]={1,2,5,10};//分度值表 //0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 ucharcodetab[]={0xB7,0x03,0xD6,0xC7,0x63,0xE5,0xF5,0x83,0xF7,0xE7, //A,b,C,d,E,F,暗,-,t,P 0xF3,0x75,0xB4,0x57,0xF4,0xF0,0x00,0x40,0x74,0xF2, //H,L,o,J,r,n,U,=,-i 0x73,0x34,0x55,0x07,0x50,0x51,0x37,0x44,0x04,0x01}; //显示位码表 //0,1,2,3,4,5,6 ucharcodedigit[]={0xfe,0xdf,0xef,0xfd,0xfb,0xbf,0xF7};//显示位码表 sbitP_OE=P2^1;//显示控制 sbitP_LE=P2^0; sbitbuz0=P3^6;//蜂鸣器 sbitbuz1=P3^7; /******************************************************/ bitb_follow;//启动零位跟踪标记 bitb_serial;//串口发送完标记 bitb_followdelay;//第一次不进行零位跟踪 bitb_steady;//稳定标记 /******************************************************/ void(*datatask)(void);//函数指针变量,接受下一步要做的任务 uintidatafendushu;//分度数 ucharweight_led[6];//重量窗显示缓存 ucharidatatemp_var; ucharweight_dp;//小数点位数 ucharfu_number;//负号显示位置 ucharwdcount;//稳定计数 ucharadup_count;//异常值计数 ucharaddcount3;//累加次数 /******************************************************/ externvoidkey_scan(void);//按键扫描 externvoidweight_disp(void);//重量计算,超载报警 externvoidstart_set(void);//单片机初始化设置 externvoidadc(void);//读取AD值 externvoidad_processor(void);//AD数据滤波处理 externvoidfun_weight(void);//正常称重状态 externvoidbd_start(void);//重量或电压标定选择 externvoiddy_disp(void);//电压显示 externvoidled_disp(ulongtemp,ucharnum); externucharget_jiaoyan(uchar*address,ucharnum);//计算校验字 externvoidneima(void); voiddelay60ms(uchartime);//40ms延时 voidfendu_val(void);//分度数运算 voidcheck_canshu(void);//读参数,并校验是否正确 voidver_disp(void);//显示版本号 voidseg_check(void);//笔画检测 /******************************************/ voidmain(void) { start_set();//单片机初始化 beep_time=3;//开机鸣叫 flash_num=6;//没有
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