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电子秤课程设计实验报告.doc

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.55M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    课 程 设 计 报 告 华 南 农 业 大 学 理 学 院 应 用 物 理 系 电子称 理学院 电子信息科学与技术 设计题目： 学 专 班 学 姓 院： 业： 级： 号： 名： 电子邮 时 成 间： 绩： 指导教师：
    课 程 设 计（报告）任 务 书 学生姓名 指导王念萍 职称 学生学号 专业 题目 任务与要求 电子称是常见的测力装置，一般采用双复梁式结构，黏贴应变片作为测力 传感器，本系统是一个完整的数显式电子秤。 1 受力时实时显示压力大小（数码管或液晶显示不限）; 2 零点可调 3 温度补偿 4 学生提交用 WORD 编辑的设计报告和制做的实物 提高要求： 1.超量程报警。 2.提供语音报警。 开始日期 2012 年 1 月 2 日 完成日期 2012 年 1 月 11 日
    电子秤 第一节 绪论 摘要：随着科技的进步，在日常生活以及工业运用上，对电子秤的要求越来越 高。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电 子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的 出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得 以显著提高。影响其精度的因素主要有:机械结构、传感器和数显仪表。在机械 结构方面,因材料结构强度和刚度的限制,会使力的传递出现误差,而传感器输出 特性存在非线性,加上信号放大、模数转换等环节存在的非线性,使得整个系统的 非线性误差变得不容忽视。因此,在高精度的称重场合,迫切需要电子秤能在线自 动校正系统的非线性。此外,为了保证准确、稳定地显示,仪器内部分辨率(主要是 ADC 的分辨率)一般要比外部显示分辨率高 4 倍以上,这就要求所采用的 ADC 具 有足够的转换位数,而采用高精度的 ADC,自然增加了系统的成本。基于电子秤的 现状,本文提出了一种简单实用并且精度高的智能电子秤设计方案。通过运用很 好的集成电路,使测量精度得到了大大提高,由于采用数字滤波技术,使稳态测量 的稳定性和动态测量的跟随性都相当好。并取得了令人满意的效果。 关键词：压阻式应变片，LM741 放大电路，ADC0804 数模转换，AT89S52 单片机， 电子秤，重力传感器。 1.1 引言 本课程设计的电子秤以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，通过对电 路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改 为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。其中测量电路中最主要的元器件就是电 阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全 桥测量电路，是系统产生的误差更小。输出的数据更精确。而 LM741 放大电路 的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足 A/D 转换器对输入信号电平的要求。ADC0804 A/D 转换的作用是把模拟信号转变成
    数字信号，进行魔术转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电 路显示出测量结果。 1.2 系统的设计与理论分析 1.2.1 系统设计 根据设计要求，设计的主要内容如下： 1）利用电阻应变式传感器，并采用全桥测量电路 2）设计一款电子秤，利用数码管显示被称物体的重量 3）电路分成以下几个部分： a.全桥测量电路 b.调零电路 c.运放电路 d.A/ D 转换电路 e.单片机数据处理及控制电路 f.数码管显示电路 1.2.2 基本工作原理及原理框图 全 桥 电 阻 应 变 式 传 感 器 输 出 信号 调零 LM741 信 号 放 大电路 ADC0804 A/D 模 数 转换 单片 机数 据处 理及 控制 数码管显 示重量 电源 全桥电阻应变式传感器输入电压，当标准重物放置在传感器之上时，电阻值发生改变， 使加载到全桥电路上的输出电压发生变化，运用 LM741 信号放大电路将微弱模拟信号放大， 图一：系统硬件结构图
    再经过 A/D 数模转换，将模拟信号转变成 AT89C52 单片机能够识别的数字信号，并且利用 AT89C52 单片机控制整个电路的同时，处理数字信号，并且控制在数码管中显示实时结果。 第二节 硬件电路的设计与选择 2.1 传感器的选择 2.1.1 电阻应变式传感器的组成与原理 电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性形变转换成电阻变化的元 件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导 体应变片，本设计中采用的时电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成栅状，并贴在绝 缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。 电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的 影响最重要，环境温度影响电阻值变化的主要原因是： A. 电阻丝温度系数引起的。 B. 电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。 图 1. 全桥电路 因此，本设计采用全桥测量电路，即电桥的四个电阻均为应变片，将受力性质相同的两 应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1=R2=R3=R4,其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4 时， 其桥路输出电压 OUTU =KEε。其输出灵敏度比半桥电路提高了一倍，非线性误差和温度误差 得到改善。 2.1.2 电阻应变式传感器的输出数据
    经测量，电阻应变式传感器的输入输出关系如下： 重量/g 电压/mV 0 20 40 60 80 100 43.1 44.3 45.6 46.8 48.1 49.2 表 1. 全桥电阻应变式传感器的输出 (注：由于测量时，由于实际操作误差，悬梁的力臂不同，因此各组数据不同，本设计采用 此组数据作为参考数据。) 2.2 调零电路的设计 2.2.1 偏位电压的产生 由于在工艺上的限制，应变片电阻值不可能达到绝对的相等，因此，在电桥 输出端 BD 间的电压不可能是绝对为零。由表 1 数据可知，在本次设计实际电路 中，当传感器上受体重力为零时，输出为 43.1mV。称此电压为偏位电压。 2.2.2 偏位电压的消除，调零电路 为消除偏位电压的影响，可采取两种方法： 1）软件消除：软件消除利用单片机中的算法，将偏位电压设置参考电压，可将偏位电 压消除。但是此方法收到放大电路输出最高电压、A/D 数模转换分辨率与最大量程等的限制 （在后文将会介绍）。因此，本设计不采用此方法。 2）硬件消除：硬件消除可利用电阻的分压作用，消除偏位电压。如图。 +4V -4V WD R4 R1 R3 R2 图 （1） + — V V 经过调零电路之后，偏位电压可完全消除。 2.3 信号放大电路的设计与选择 图 2. 调零电路 从表 1 可看出，当受体增加 20g 时，输出电压变化约为 1.2mV，即受体每增 加 2g，电桥输出信号改变 0.12mV。在此设计中，我们采用 ADC0804 作为 A/D 数 模转换芯片，它的分辨率是： 82 为：20/0.12=166.6，取整数 200 倍。 5000 =19.53≈20mV，因此，我们设定放大倍数 放大电路为：
    图 3 运算放大器电路 LM741 是一种应用非常广泛的通用型运算放大器。由于采用了有源负载，所 以只要两级放大就可以达到很高的电压增益和很宽的共模及差模输入电压范围。 本电路采用内部补偿，电路比较简单不易自激，工作点稳定，使用方便，而且设 计了完善的保护电路，不易损坏。LM741 可应用于各种数字仪表及工业自动控制 设备中。 图 4. LM741 引脚图 此次试验中，我们分别尝试了 LM358、OP07 等运放芯片，但是实验结果均不
    理想，零漂非常严重，又由于成本的控制需要，最后采用相对稳定的 LM741。 2.4 模数信号转换电路的设计 2.4.1 A/D 模数转换器的选用原则 1、A/D 转换器的位数。A/D 转换器决定分辨率的高低。 2、A/D 转换器的转换速率。不同类型的 A/D 转换器的转换速率大不相同。 积分型的转换速率低，转换时间从几毫秒到几十毫秒，只能构成低速 A/D 转换器， 一般不用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速 A/D 转换器。转换时间为纳秒级。 3、是否加采样/保持器。 4、A/D 转换器的有关量引脚。有的 A/D 转换器提供两个输入引脚，不同量 程范围的模拟量可从不同引脚输入。 5、A/D 转换器的启动转换和转换结束。一般 A/D 转换器可由外部控制信号 启动转换，这一启动信号可由单片机提供。转换结束后 A/D 转换器内部转换结束 信号触发器置位，并输出转换结束标志电平。通知微处理器读取转换结果。 6、A/D 转换器的晶闸管现象。其现象是在正常使用时，A/D 转换器芯片电流 骤增，时间一长就会烧坏芯片。在此次设计中，由于一开始未充分了解所选芯片， 因此由于此原因，烧坏数个 A/D 转换器。为防止这种现象，可采取如下措施： （1）加强电源稳压措施。 （2）在 A/D 转换器的电源端接入限流电阻。 因此，对传感器量程和精度分析可知：A/D 转换器误差应该在 24mV 以下。 8 位 A/D 精度： 5000 82 =19.53≈20mV 此次试验采用 ADC0804 模数转换芯片，ADC0804 是 8 位 COMS 依次逼近型的 A/D 转换器.。 三态锁定输出 存取时间:135US 分辨率：8 位 转换时间：100US 总误差：正负 1LSB 工作温度：ADC0804LCN---0~70 度
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