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1、南华大学电子技术课程设计论文课题：数字电子秤学院：机械工程学院 专业：测控技术与仪器班级：052班姓名：学号：指导老师： 2011年1月1日 摘要:本设计分五个模块：电源模块、数据采集及放大模块、模数（A / D）转换模块、自动换档模块、显示模块。本电路应用压敏电阻构成秤重电桥来采集电压的微小变化，经过放大电路放大后送入A/D转换芯片中，对输入电压信号进行转换成数字量输出；显示模块直接连接数码管构成，显示实际测量值。同时根据输出，自动判断出所加压力的大小来改变量程，实现自动换挡。外部电路非常简单，方便制作。关键字： 模数（A / D）转换 秤重电桥 压敏电阻 自动换档Abstract：The
2、design of the five modules: power modules, data acquisition and enlarge Module (A / D) converter module, automatic transmission module, display modules. Application of this circuit varistor a weighing bridge for the collection of small changes in voltage, the amplifier amplified into A / D converter
3、 chip, the input voltage signal into digital output modules directly connected to a digital control that the actual measured values. At the same time according to output, automatically determine the size of the pressure to change the range for automatic shift. External circuit is very simple, conven
4、ient production.Keyword:digital (A / D)converter weighing bridge varistor automatic transmission 引言在生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。大多数电子秤是以1:3,000
5、或1:10,000的分辨率输出最终的称重值，使用12 bit14 bit的模数转换器很容易满足要求。设计中主要考虑峰峰值（PP）噪声分辨率、ADC的动态范围、增益漂移和滤波。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。 目录首节 方案设计和论证5 0.1总体设计方案与比较5第一节 设计原理71.1本设计的任务和主要内容71.2基本工作原理及原理框图8第二节 硬件电路的设计92.1
6、电阻应变式传感器的选择82.2 三运放大电路的设计122.3 ADC0809 A/D转换器122.4 LED显示电路的设计142.5 总体工作电路原理图17第三节 软件的设计183.1 力加载（全桥电路）-数字电子秤203.2 电路元件21第四节 设计总结和感想22 参 考 文 献23首节 方案设计和论证0.1 总体设计方案与比较方案一：通过秤重电桥产生电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片CC7107进行A/D转换，由于此芯片可直接用于数字显示，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。此方案的优点是外部电路非常简单，但同能实现较高的精度。缺点是无法对A/D转换进行控制。数据采集
7、电路 A/D转换电路放大电路显示电路图 0.1.1 基本工作原理框图方案二：该数显电子秤电路部分为电阻应变式传感器R1及IC2、IC3组成的测量放大电路，和IC1及外围元件组成的数显面板表。传感器R1采用E350ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值为350O。测量电路将R1产生的电阻应变量转换成电压信号输出。IC3将经转换后的弱电压信号进行放大，作为AD转换器的模拟电压输入。IC4提供l22V基准电压，它同时经R5、R6及RP2分压后作为A/D转换器的参考电压。3-1/2位A/D，转换器ICL7126的参考电压输人正端，由RP2中间触头引入，负端则由RP3的中间触头引入。两端参考电压可对传感器非线
8、性误差进行适量补偿。该方案的电路原理图如下：图 0.1.2 电路原理图元件选择lIC1选用ICL7126集成块；IC2、IC3选用高精度低温标精密运放OP-07;IC4选用LM38512V集成块。2传感器RI选用E350ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值为350O，。3各电阻元件宜选用精密金属膜电阻。4RPI选用精密多圈电位器，RP2、RP3经调试后可分别用精密金属膜电阻代替。5电容中C1选用云母电容或瓷介电容。该数显电子秤具有易于制作，成本低廉，体积小巧，实用等特点，但是其测量精度不够方案三：本课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
9、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，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而三运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。ADC0809 A/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。该方案利用了单片机技术，便于编写我们自己想要的程序，运用范围更广，市场更大，此方案的优点是可控制性好，性能稳定，测量准确，使用方
10、便等 综上所述，我们采用方案三比较合适，以下是方案三的详细阐述第一节 设计原理1.1 本设计的任务和主要内容设计的主要任务和内容如下：1) 运用电阻应变式传感器并采用全桥测量电路将压力信号转变为电力信号2) 设计一款电子秤，将电力信号通过A/D 转换器转变为数字信号，并用7段LED液晶显示器显示被称物体的质量3) 电路由全桥测量电桥，三运放大电路，A/D转换电路，LED显示电路组成4) 绘制出其详细的电路原理图和工作原理图5) 写出详细的实验报告1.2 基本工作原理及原理框图基本工作原理框图如下：传感器三运放大器ADC0809 A/D转换器80318155LED显示器图 1.2-1 基本工作原
11、理框图电路方框图如下：电阻应变式传感器输出信号三运放大电路放大信号显示电路A/D转换电路图1.2-2 电路方框图第二节 硬件的设计2.1 传感器的选择2.1.1 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
12、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1.2-3应变
13、式传感器安装示意图全桥测量电路中，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：R1R2R3R4，其变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压UoutKE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。2.1.2 电阻应变式传感器的测量电路常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.0000010.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.00050.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。 桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压
14、Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。 测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。图 1.2-4 全桥测量电桥图图 1.2-5 三运放大电路结构图它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1R2R3R4350，加热丝阻值为50左右，测量电桥的电源由稳压电源Uin供给。将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上，调节
15、电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V(2V档测量)或0.200V。拿去托盘上的所有砝码，调节电位器R W4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。2.2 三运放大电路本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。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。
16、图 1.2-6 三运放大电路结构图2.3 ADC0809 A/D转换器ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 2.3.1 ADC0809的内部逻辑结构：由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 2.3.2 引脚结构：IN0IN7：8条模拟量输入通
17、道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。 CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条
18、ST为转换启动信号：当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线：因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。 2.3.3 ADC0809应用说明：1) ADC0809内部带有输出锁存器，可以与
19、8031直接相连。 2) 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 3) 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 4) 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 5) 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 6) 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 2.4 LED显示电路设计 2.4.1 LED显示器结构与原理 LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二
20、极管阳极并接。2.4.2 LED显示器与显示方式 在单片机应用系统中使用LED显示块构成N位LED显示器。N位LED显示器有N根位选线和8*N根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮，暗。LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示 LED动态显示方式。 在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。图 2.4-1LED显示电路图2.5 总体工作电路原理图 第三节 软件的设计;ADC0809通道IN0地址 7FF8H;81
21、55 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 RET1D
22、LSLED: 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 MOV A,R3 JB ACC.1,LOOP1 RL A MOV R3,A AJMP LOOPLOOP1: RETTIM2: MOV R7,#04HDLT1: MOV R6,#FFHDLT2: DJNZ R6,DLT2 DJNZ R7,DLT1 RETBCD_SORT: MOV A,R0 RL A MOV B,#10H DI
23、V AB MOV R0,B INC R0 MOV R0,ARETDELAY_LO:PUSH 0PUSH 1PUSH 2MOV 0,#01H;DELAY_LO1:MOV 1,#00HDELAY_LO2:MOV 2,#0B2H; DJNZ 2,$ DJNZ 1,DELAY_LO2 DJNZ 0,DELAY_LO1 POP 2 POP 1 POP 0 RET END3、附录3.1 力加载（全桥电路）-数字电子秤采用全桥测量电路，经过三运放大电路进行信号放大，具有精度高，性能稳定，测量准确，使用方便等优点。基本原理：本设计由以下四部分组成：电阻应变传感器、信号放大系统、模数转换系统、显示器。测量过程是
24、把被测物体的重量通过传感器将重量信号转化为电压信号输出，放大系统把来自传感且微弱信号放大，放大后的电压信号经过模数转换把模拟量转换成数字量，数字量通过数字显示器显示重量。传感器的测量电路我们选用全桥测量电路，应变电阻作为桥臂电阻接在电桥电路中。无压力时，电桥平衡，输出电压为零；有压力时，电桥的桥臂电阻值发生变化，电桥失去平衡，有相应电压输出。三运放大电路是把传感器的微弱信号放大，以满足模数转换的要求，为保证测量的准确，放大器应该尽量做到高阻输入低阻输出，因此一般选用运算系统组成放大电路。3.2 电路元件：ADC0809 （A/D转换芯片）、LED数码管、三运放大器、K为2的电阻应变片若干、滑动
25、变阻器（1k2k）、电阻、电容若干第四节 设计总结和感想 在电子技术的课程设计中，我花了大量的时间和精力进行资料查阅和方案论证，结合自己所学，认真解决每一个功能模块中遇到的问题有时，为了解决一个具体问题，我在图书馆整整呆了一天在设计完各个功能模块之后，我用Protel 99 SE绘图软件进行了各个模块的绘制，并最终绘制成一个总的电路原理图。另外，我还用仿真软件Proteus 6 Professional 进行某些功能模块的仿真，收到了很好的效果。但由于缺乏实践经验，电路中还有些功能不够完善，有写参数不够精确，而且抗干扰能力也不够好。总之，在这次课程实际中，我学会了怎样把自己所学的书本知识应用到
26、实处。看到自己设计的功能电路能在仿真软件中运行，我有了很大的成就感。另外，通过具体的操作，我掌握了各个功能模块的接口设计方法，无论是在设计思想还是在动手能力上都有了很大的提高。 随着科技的发展，电子科技逐渐进入到了每家每户，逐渐被人们所利用，所称赞。以前人们是跑去很远的电影院看电影，而现在我们可以在家里看到很多国内外精彩的节目和电影；的人们是通过信件来传达自己的信息和感情，而现在我们只需要手指一按就可以跟对方畅所欲言；我们做买卖使用杆秤，那样不仅麻烦，而且不准确，而现在聪明的人类发明了数显电子秤，方便又准确。跟电子科技的发展息息相关，电子科技给我们带来了方便和享受，所以我们就更应该发明创造出更多更好的电子产品，让电子科技更好的为我们服务。 参 考 文 献（1）黄智伟全国大学生电子设计竞赛电路设计北京：北京航空航天大学出版社，2006（2）康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001（3）杨素行.模拟电子技术基础简明教程.北京：高等教育出版社，2002（4）高吉祥等. 数字电子技术. 北京：电子工业出版社，2003(5) 岳怡 数字电路与数字电子技术 西安工业大学出版社 2004 (6) 路勇 电子电路实验及仿真 清华大学出版社 2004 （7）张俊漠 单片机中级教程原理与应用 北京航天航空大学出版社 2006
