电子秤-课程设计..doc
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1、惠州学院课程设计 目录 摘要本文设计的电子秤以单片机为主要部件,用C语言进行软件设计,硬件则以全桥传感器为主,测量0500g电子秤,随时可改变上限阈值,并达到阈值报警的功能。本课程设计的电子秤以单片机为主要部件,利用单臂电桥测量原理,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。ADC0809A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号,进行模数转换,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。关键字:电子秤、电子应变
2、片、A/D转换器,显示电路 目 录摘要2目 录3一、系统整体描述4二、 系统模块描述52.1 电阻应变式传感器的组成以及原理52.2 直流电桥检测电路62.3放大电路82.4 A/D转换:92.5单片机系统102.6显示电路112.7报警电路:12三:数据处理及程序的设计123.1数据处理及程序的设计123.2参数整定13 3.2.1测量数据及误差分析13 3.2.2曲线拟合及参数整定143.3显示子程序的设计17参考文献18总结18附录1仿真图19附录2程序19一、系统整体描述系统由敏感元件、电桥测量电路、放大电路、模数转换电路、单片机最小系统、显示电路和报警电路构成。敏感元件产生物理量变化
3、,由测量电路将信号转换为电信号,并放大输出。通过模数转换后将信号输入单片机中,经过处理后由显示电路显示。若变量超过限定值,则激活报警电路,由蜂鸣器发出报警信号。显示电路单片机最小系统模数转换电路电桥测量电路应变片放大电路报警电路二、 系统模块描述2.1 电阻应变式传感器的组成以及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变形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,本设计中采用的是电阻丝应变片,为获得高电阻值,电阻丝排成网状,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
4、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原因主要是: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。对于因温度变化对桥接零点和输出,灵敏度的影响,即使采用同一批应变片,也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差,所以对要求精度较高的传感器,必须进行温度补偿,解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片,并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多,一般来说主要是由结构设计决定,通过线性补偿,也可得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分
5、子材料,其特性随温度变化较大,所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。 图1原理应变式传感器安装示意图2.2 直流电桥检测电路 图1-4 单臂电桥转换电路 电桥平衡条件和调零直流电桥转换电路如图2-5(a)所示。 当RL=时,输出电压为(2-15)电桥达到平衡时,输出电压为零,令Uo=0,由式(2-15)得 (2-16)式(2-16)即为直流电桥的平衡条件。图 2-5 直流电桥转换电路和调零电路当式(2-16)不满足时,输出电压U0不为零,此时需要调零电路完成调零。图2-5(b)是典型的直流电桥调零电路,调节电位器Rr可以补偿R1、R2、R3、R4间的不平衡。 电桥的电压灵敏度 单臂电桥的电
6、压灵敏度单臂电桥是将电阻应变片接入电桥的一个桥臂,如图2-4的R1位置,其余桥臂为固定电阻,则其输出电压为 (2-17) 因为电桥初始状态时是平衡的,有R2/R1=R4/R3,令n=R2/R1= R4/R3为桥比。由于R1/R1很小,则 (2-18) 定义直流电桥电路的灵敏度系数为 (2-19) 欲使电路的灵敏度最大,令 ,得(1+n)2-2n(1+n)=0 (2-20)即n=1。所以,选择桥臂电阻阻值,使桥比为1,电路灵敏度达到最大。此时的输出电压为 (2-21) 电路的灵敏度系数为 (2-22) 从前面的推导得知,式(2-21)的输出电压是式(2-17)略去分母中R1/R1项得到的结果,简
7、化后的输出电压Uo与电阻相对变化R1/R1之间是线性的。如果不作简化,实际输出电压为 (2-23) 令n=1,这一线性化引起的非线性误差为 (2-24) 例如,测量过程中电阻的相对变化R1/R11,当采用单臂电桥作为转换电路时,由式(2-24)计算后,得到的非线性误差为L=4.8%。它表明电阻的相对变化较大时,这种简化带来的非线性误差将变得非常严重。 半桥、全桥的电压灵敏度在试件上粘贴两个工作应变片,一个为受拉应变片,一个为受压应变片,大小相等,方向相反,接入电桥相邻桥臂,将构成半桥电路,如图2-6(a)所示;在试件上粘贴四个工作应变片,两个为受拉应变片,两个为受压应变片,分别接入对边桥臂,构
8、成全桥电路,如图2-6(b)所示。 图2-6 差动电桥转换电路对于图2-6(a)所示的半桥电路,输出电压为 (2-25)若R1=R2,R1=R2=R3=R4,则 (2-26)半桥电路的灵敏度系数为: (2-27) 对于图4-6(b)所示的全桥电路,输出电压为 (2-28)全桥电路的灵敏度系数为KU=E (2-29) 2.3放大电路目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D转换。一般说来,传感器输出的电压值都非常小,基
9、本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时,需要外部放大电路来获得足够的增益。差动放大电路: (1) 原理: 本次设计中,要求用一个放大电路,即差动放大电路,主要的元件就是差动放大器。在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中,多数情况下,传感器输出的模拟信号都很微弱,必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大,才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求,在此情况下,就必须选择一种符合要求的放大器。仪表仪器放大器的选型很多,我们这里使用一种用途非常广泛的放大器,就是典型的差动放大器ina114ap。它只需高精度和几只电阻器,即可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪
10、表、电气测量等数字采集的系统中。本设计中差动放大电路结构图如下: 放大倍数的推导过程: 2.4 A/D转换: A/D转换的作用是进行模数转换,把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。由于输入电源为直流,电桥经放大后输出电压为直流电压,为模拟信号。经过ADC0809芯片转为数字信号,便于下一步单片机的处理和显示。ADC0809内部逻辑结果和芯片引脚如下图所示。 ADC0809芯片实物图2.5单片机系统使用的单片机芯片为8位STC89C52芯片,外部晶振频率为12MHz。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和
11、在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能:8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,2个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口。另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz,6T/12T可选。 单片机最小系
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