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1、基于单片机的人体智能电子秤设计- 1 -集美大学诚毅学院 许振跃 基于单片机的人体智能电子秤设计摘要 本系统主要由AT89S52单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，当被称物体放置在秤台上时，称重传感器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)。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，外围附以称重电路、显示电路、体胖瘦判断功能，语音告知等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。关键词 AT89S52 称重传感器 A/D转换器 LCD显示器T
2、HE HUMAN BODY INTELLIGENCE ELECTRONIC SCALE DESIGN BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER25目录Xuzhenyue2006892014，Automation major，2006，Dept.of Information Engineering,Chengyi College of Jimei UniversityABSTRACT The system is mainly controlled by AT89S52 single chip microcomputer. The parts weighing the
3、article consist of weighing sensor, A/D converter and display unit. When the article to be weighed is put on the weighting platform, the weighting sensor will be converted the article weight into an electric signal (voltage) having a certain function relationship (generally a direct proportion) with
4、 the weight of the article being weighed. The signal will be amplified by amplifying circuit and converted by an analog-to-digital (A/D) converter after filtering. The digital signal will then be sent to the CPU of micro-processor for processing. with weighing circuit, displaying circuit, fat and sh
5、in body judgment function, voice function being the boundary parts, so as to form a circuit board of intelligent weighing system and realize the various weighing functions of weighing system. In a way, the electronic scale adopting this design can satisfy the application requirements to a great exte
6、nt.KEYWORDS AT89S52 Weighing sensor A/D converter LCD displayer目 录引言1第一章 电子秤的理论及设计思路21.1 电子秤的组成21.1.1 电子秤的基本结构21.1.2 电子秤的工作原理31.1.3 电子秤的计量性能31.2 设计思路4第二章 系统方案论证与选型52.1 控制器部分52.2 数据采集部分62.2.1 传感器的选择62.2.2 放大与滤波电路模块72.2.3 A/D转换器的选择82. 3液晶显示模块8第三章 硬件电路设计103.1 AT89S52的最小系统电路113.1.1 单片机芯片AT89S52介绍113.1.2
7、 单片机管脚说明123.1.3 AT89S52的最小系统电路构成133.2 电源电路设计143.3 数据采集部分电路设计153.3.1 传感器和其外围以及放大电路设计153.3.2 A/D转换芯片与AT89S52单片机接口电路设计173.3.3 测量算法193.4 显示电路与AT89S52单片机接口电路设计20结论21致谢语22参考文献23附 录24引言引言第一章 电子秤的理论及设计思路目前，随着社会的发展、生活水平不断提高，人们越来越关注自己的身体健康。许多人由于工作的压力和不良的饮食习惯，使得身体健康每况愈下，疾病也随之而来，而在这些人群中，患有肥胖和营养不良的病人居多。为方便人们及时了解
8、自己的体重是否超出或低于标准的体重，在许多公共场合都摆放了人体秤，商场、药店、马路旁等随处可见，给那些由于工作紧张没有时间到医院做定期体验的人们带来了方便。人体秤已不再是医院的专用医疗器械，已成为人们生活中不可缺少的一部分。普通人体秤测量身高和体重的结果都是直接用眼睛观看指针读取的，由于读数的方法各不相同、读数时光线有明有暗等多种原因，使得读取数据的误差过大。由于人体秤的使用非常普遍，解决这一问题显得尤为重要。近年来，随着科技不断进步，计算机已渗透到各个领域，单片机已逐渐成为科学技术现代化的重要工具，正在不断地走向深入。单片机的应用已深入到人类的生活、生产等各种领域。在此基础上发展起来的由单片
9、机控制的人体称，比普通人体称在耐用性、适用环境、读数的准确度等方面有了很大的提高。智能人体秤经济、实用，适合在广大工薪阶层推广。因此，以单片机为控制核心的人体秤，不但提高了读数的精确度，给人们以直观的效果，将身材标准与否一并显示，与普通人体秤的价格相差无几，逐渐取代传统的人体秤。第一章 电子秤的理论及设计思路第一章 电子秤的理论及设计思路1.1 电子秤的组成1.1.1 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
10、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
11、性；稳定可靠。(3) 测量显示、数据及语音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。语音输出模块由凌阳单片机的 DAC 通道和61 板自配的喇叭所构成，通过对其资源的调用和软件编程，即可完成语音播报。1.1.2 电子秤的工作原理第一章 电子秤的理论及设计思路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
12、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。1.1.3 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
13、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、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，如下表1-1所示：表1-1 电子秤等级分类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 n 100000中准确度商业衡器1000 n 1000
14、0普通准确度粗衡器100 n 10001.2 设计思路第二章 系统方案论证与选型质量是测量领域的一种重要参数，秤是最普通、最普及的计量器具，电子秤是一种称重的器具，由称重传感器、承重器和相关仪表构成，体重与人体自身健康有着直接关系。随着人们健康意识的提高，人们需要随时了解自身体重，人体电子秤就成为人们家庭生活必备的器具之一。电子秤集机、电、仪于一身，具有高精度、多功能、稳定、可靠特征，是典型的机电一体化产品。设计人体智能电子秤可熟悉一般电子产品设计方法，掌握一般的机电产品设计流程，为今后从事机电化产品设计积累经验。综上所述,本课题的主要设计思路是：以人体重量为感知量，形成重量传感电路，电源模拟
15、信号经过A/D模块，实现数字信号变换，同时具有人体胖瘦判断功能，并语音告知，主要技术指标为：称量范围8160kg。 第二章 系统方案论证与选型按照本设计功能的要求，系统由6个部分组成：控制器部分、测量部分、报警部分、数据显示部分、键盘部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图2-1所示。图2-1设计思路框图测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为人体的实际重量信号，并将其存储到存储单元
16、中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。2.1 控制器部分本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自第二章 系统方案论证与选型动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。再则由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带EPRO
17、M的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。INTEL公司的8051和8751都可使用，在这里选用ATMENL生产的AT89SXX系列单片机。AT89SXX系列与MCS-51相比有两大优势：第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。此外价格低廉、性能比较稳定的MCPU，具有8K8ROM、2568RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。最后我们最终选择了AT89S52这个比较常用的单片机来实现系统功能要求AT89S52内部带有8K
18、B的程序存储器，基本上已经能够满足我们的需要。2.2 数据采集部分电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路和A/D转换电路，因此对于这部分的论证主要分三方面。2.2.1 传感器的选择 在设计中,传感器是一个十分重要的元件,因此对传感器的选择也显的特别的重要,不仅要注意其量程和参数,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等。传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、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。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，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
19、秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。其公式如下： CK0K1K2K3(WmaxW)/N （2.1）C单个传感器的额定量程；W秤体自重；Wmax被称物体净重的最大值；N秤体所采用支撑点的数量；K0保险系数，一般取值在1.21.3之间；K1冲击系数；K2第二章 系统方案论证与选型秤体的重心偏移系数；K3风压系数。本设计要求称重范围8160kg，重量误差不大于0.1kg，根据传感器量程计算公式（2.1）可知：C1.2511.031（1801.9）123
20、4.196 (2-1)为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。在实际工作中，要求称重传感器的有效量程在20%80%之间，线性好，精度高。重量误差应控制在0.1Kg，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，根据式2.1的计算结果，所以我们确定传感器的额定载荷为200Kg，允许过载为150%，精度为0.05%，最大量程时误差0.1kg，可以满足本系统的精度要求。本系统采用TJH - 2C型称重传感器,额定载荷为200kg。传感器电路所采用的是单臂电桥电路,只有一个电阻应变片。理想情况下,传感器输出信号、放大器输出
21、信号、ADC转换输出信号、人体体重之间的关系基本成线性。在电桥测量电路中，将一对变化相反的应变片接入电桥一臂，另一臂接两个相同的阻值作为基准值；当桥臂电阻初始值R1R2R3R4时平衡，其变化值为R1R2R3R4=R时，其桥路输出电压Uout与R成正比。图2-2称重传感器原理图2.2.2 放大与滤波电路模块第三章 硬件电路设计通常传感器输出的电信号是微弱的,不能够满足后续的转换要求,必须对它进行放大,但不可避免的会出现各种噪声,因此放大电路要有稳定的放大倍数、低噪音、低漂移、足够的带宽、线性度和抗干扰能力强等要求。因此本系统的放大电路采用由三个运放构成的对称式差动放大器 ,只要改变R2 的阻值就
22、可改变放大器增益,且不影响共模抑制比。运放采用低失调、低漂移运放OP - 07,低失调运放的输入失调电压漂移和输入失调电流漂移都很小。滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理的系统,当信号与噪声分布在不同的频带中时,可以从频域中实现信号的分离。在实际测量中,噪声与信号往往有一定的重叠,如果不严重的话,可以利用滤波器有效的抑制噪声功率,提高测量精度。本设计选用的是低通滤波器,通带从零延伸到某一规定的上限频率。在放大器的输入端选用的RC低通滤波器的电阻值为15k,电容值为0. 1F。在放大器的输出端选用的RC滤波器的电阻为100k,电容为0. 1F。2.2.3 A/D转换器的选择AD574是美国A
23、nalog Device公司生产的12位单片A/D转换器。它采用逐次逼近型的A/D转换器，最大转换时间为25us，转换精度为0.05%，所以适合于高精度的快速转第二章 系统方案论证与选型换采样系统。芯片内部包含微处理器借口逻辑（有三态输出缓冲器），故可直接与各种类型的8位或者16位的微处理器连接，而无需附加逻辑接口电路，切能与CMOS及TTL电路兼容。2. 3液晶显示模块本系统选用的是GDM1602A 型液晶显示器,由三个部分组成,包括控制部分、驱动部分和接口部分。其内置的控制器为HD47780,该模块有16 引脚, 三个控制脚RS、R /W、E分别接P3. 4、P3. 5、P3. 6; VS
24、S、VDD、V0 为电源引脚,数据口与P1口相连。1602A型液晶显示器字符分两行显示,每行能够显示16个字符。LCD与单片机连接时, + 5V 电源接10k 电位器,经分压后接V0 ,可以通过电位器调节电压大小,从而调节液晶显示器对比度。液晶显示器DB0DB7接单片机P1. 0P1. 7。要使液晶显示器工作,必须先第二章 系统方案论证与选型写入命令控制字,再写入要显示的数据。写入命令控制字之前,必须通过指令查看液晶是否忙。若忙,必须等待,直到液晶发出不忙的信号时,才可写入控制字和数据。查看液晶是否忙,是通过读指令读出DB7,DB7为1,表示显示器忙,DB7为0表示空闲。第三章 硬件电路设计第
25、三章 硬件电路设计根据设计要求与设计思路，此电路由一块AT89S52、按键输入电路、复位电路、LCD显示器电路、播音器电路。图3-1硬件电路设计框图在本系统中用于称量的主要器件是称重传感器（一次变换元件），称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到不同压力或拉力是产生的电信号也随着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。由于称重传感器一般的输出范围为020mV，对A/D转换或单片机的工作参数来说不能使A/D转换和单片机正常工作，所以需要对输出的信号进行放大。由于传感器输出的为模拟信号，所以需要对其进行A/D转换为数字信号以便单片机接收。单片机根据称重传感器输出的电信号和速度传感器输出的速
26、度信号计算出人体的重量。在本系统中，硬件电路的构成主要有以下几部分： AT89C52的最小系统构成、电源电路、数据采集、人-机交换电路等。第三章 硬件电路设计3.1 AT89S52的最小系统电路3.1.1 单片机芯片AT89S52介绍单片机采用MCS-51系列单片机。由ATMEL公司生产的AT89S52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。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有
27、效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个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，片内晶振及时钟电路。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。而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，保护硬件电路。AT89S52有40个引脚，32个
28、外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，如图： 图3-2 AT89S52引脚图第三章 硬件电路设计3.1.2 单片机管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P
29、0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在
30、给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示：第三章 硬件电路设计表3.1 P3.0口引脚功能表P3口引脚第二功能P3.0RXD（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2INT0（外部中断0输
31、入）P3.3INT1（外部中断1输入）P3.4T0（定时器0外部脉冲输入）P3.5T1（定时器1外部脉冲输入）P3.6WR（外部数据存储器写脉冲输出）P3.7RD（外部数据存储器读脉冲输出）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存
32、储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期
33、间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.3 AT89S52的最小系统电路构成AT89S52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电第三章 硬件电路设计路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外
34、接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状
35、态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。3.2 电源电路设计根据设计需要，本系统中需要设计的电源，传感器需要+12V的电源，而系统其他芯片使用的是5V电源。考虑本次设计的实际要求，使系统稳定工作，提高产品的性价比，电源电路的设计决定采用如下方案：220V的交流电经过变压器后输出15V的电压，经整流滤波电路后， 通过LM7812和LM7905进行DC/DC变换得到
36、12V和+5V、-5V供器和系统的其他芯片使用。在变压器的原边加入熔断保护装置和MFC网络，使得系统获得的电源更稳定，效果更好，且电路短路时，熔断装置会迅速切断电源，保护其他电路元件不被损坏。（电源电路图见附录） 3.3 数据采集部分电路设计数据采集部分电路包括传感器输出信号放大电路、A/D转换器与单片机接口电路。第三章 硬件电路设计3.3.1 传感器和其外围以及放大电路设计传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确使用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。因此传感
37、器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关键环节。传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，由于惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，又因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以在本设计中选用最终方案我们选择的是TJH - 2C系列称重传感器，额定载荷200Kg。 由于传感器输出的电压信号很小，是mV级的电压信号，因此为了提高系统的抗干扰能力，在传感器外围电路的设计过程中，增加了由普通运放设计的差动放大器增益调节电阻Rg选用10K 电阻，是为了满足系统抗干扰的要
38、求而设计。这是一个电阻应变片式称重传感器，将电阻应变片贴在金属的弹性体（即力敏感器）上，并连接成一差动全桥电路。电阻应变片实心轴沿轴向线应变为： （3-1）实心轴沿圆周向线应变为： （3-2）金属材料的电阻相对变化公式为： (3-3)把3-1、3-1代入3-3可以得到其输出电压为： (3-4)其中F为压力（即重物重量）A为受力面积E为弹性材料的弹性模量。如果在电阻的两侧都加入应变片，则其输出为 第三章 硬件电路设计 (3-5)SP20C-G501的输出电压为1-5V相应压力为1-50KPa。供电电流变动会直接影响传感器的输出电压，因此希望电流变动要小。此外，增大或减小驱动电流可调整输出电压，但
39、电流过小，输出电压降低同时抗噪声能力减弱；电流过大，会使传感器发热等，将对传感器特性影响加大。因此在电路中使用1mA的驱动电流。即使用的电流为1mA左右。电路中，采用通用运算放大器LM324，由稳态二极管VS提供2.5V的输出电压经电阻R2和R3分压得到基准电压，作为运放A1输入电压，并供给1mA的电流。传感器的驱动电流流过基准电阻R4，其上的压降等于输入电压。R13和R14为失调电压的温度补偿电阻，阻值选择500k-1.5M。输入采用高输入阻抗的差动输入方式，再有差动放大器电路进行放大，输出1-5V的电压。RP2用于调整电路输入的灵敏度，RP1用于失调电压的调整，调整时，压力为0KPa时输出
40、电压为1V，调整RP1，当压力为达到20Kg的力时，输出电压为5V即可。而有式(3-5)得三运放放大电路的输出信号与输入信号的关系式为： (3-6)通过上式可以看出，放大系数为 (3-7)代入数值可以计算出，其放大系数在70350之间，完全符合设计要求。有式(3-6)可以得到电桥输入电压U0与被测重量x成正比，即 （3-8）式中：电桥的电源电压 传感器系数3.3.2 A/D转换芯片与AT89S52单片机接口电路设计AD574是美国Analog Device公司生产的12位单片A/D转换器。它采用逐次逼近型的A/D转换器，最大转换时间为25us，转换精度为0.05%，所以适合于高精度的快速转第三
41、章 硬件电路设计换采样系统。芯片内部包含微处理器借口逻辑（有三态输出缓冲器），故可直接与各种类型的8位或者16位的微处理器连接，而无需附加逻辑接口电路，切能与CMOS及TTL电路兼容。AD574采用28脚双列直插标准封装，其引脚图如下: 图3-3 AD574管脚图A/D574有5根控制线，逻辑控制输入信号有：A0：字节选择控制信号。CE：片启动信号。/CS：片选信号。当/CS=0，CE=1同时满足时，AD574才处于工作状态，否则工作被禁止。R/-C：读数据/转换控制信号。12/-8：数据输出格式选择控制信号。当其为高电平时，对应12位并行输出；为低电平时，对应8位输出。当R/-C=0，启动A
42、/D转换：当A0=0，启动12位A/D转换方式；当A0=1，启动8位转换方式。当R/-C=1，数据输出，A0=0时，高8位数据有效；A0=1时，低4位数据有效，中间4位为0，高4位为三态。输出信号有：STS：工作状态信号线。当启动A/D进行转换时，STS为高电平；当A/D转换结束时为低电平。则可以利用此线驱动一信号二极管的亮灭，从而表示是否处于A/D转换。其它管脚功能如下：第三章 硬件电路设计10Vin,20Vin：模拟量输入端，分别为10V和20V量程的输入端，信号的另一端接至AGND。DB11DB0：12位数字量输出端，送单片机进行数据处理。REF OUT ：10V内部参考电压输出端。RE
43、F IN ：内部解码网络所需参考电压输入端。BIP OFF ：补偿校正端，接至正负可调的分压网络，0输入时调整数字输出为0；AGND：接模拟地。DGND：接数字地。由于对AD574 8、10、12引脚的外接电路有不同连接方式，所以AD574与单片机的接口方案有两种，一种是单极性接法，可实现输入信号010V或者020V的转换；另一种为双极性接法，可实现输入信号-5+5V或者-10+10V之间转换。我们采用单极性接法，电路接线图如下图所示:图3-4 AD574与AT89S52的接线图根据芯片管脚的原理，无论启动、转换还是结果输出，都要保证CE端为高电平，所以可以将单片机的/RD引脚和/WR端通过与
44、非门与AD574的CE端连接起来。转换结果分高8位、低4位与P0口相连，分两次读入，所以12/-8端接地。同时，为了使CS、A0、R/-C在读取转换结果时保持相应的电平，可以将来自单片机的控制信号经74LS373第三章 硬件电路设计锁存后再接入。CPU可采用中断、查询或者程序延时等方式读取AD574的转换结果，本设计采用中断方式，则将转换结束状态STS端接到P3.2（外部中断/INT0）。过程如下：A.当单片机执行对外部数据存储器的写指令，并使CE=1，/CS=0，R/-C=0，A0时，进行12位A/D转换启动。B.CPU等待STS状态信号送P3.2口，当STS由高电平变为低电平时，就表示转换结束。转换结束后，单片机通过分两次读外部数据存储器操作，读取12位的转换结果数据。C.当CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=0时，读取高8位；当CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=1时，读取低4位。3.3.3 测量算法 A/D转换结果D与被测量x存在以下关系： （3-9）式中：S传感器及其测量电路的灵敏度（即被测量X转换成电压U的转换系数） K放大器的放大倍数 A/D转换器满量程输入电压 A/D转换器满量程输出数字而被测量X总是以其测量数字N和测量单位x1表示
