电子秤系统设计课件.ppt

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1、电子秤系统设计本讲座旨在配合课程设计，试图以一台实用的小型电子秤作为对象了解电子秤的基本结构，总体设计思想，每个电路环节的器件选用及计算方法。通过方案制定和系统分析，使我们进一步加深了解在电子秤设计中，需要我们做哪些工作，如何着手开展设计工作。技术指标，经济成本的控制，性价比的评估。构成满足技术要求的系统。讲座的主要内容如下:1.电子秤的基本结构2.荷重传感器的选用3.放大器电路与设计4.A/D转换器的选用与设计5.键盘与显示电路的设计6.单片机及其部分程序解读一.系统框图 本系统采用了低功能单片机89C2051作为测量仪表的核心，使得整个系统结构简单，功能强大，性价比高。电子秤测量系统的工作

2、原理:仪表通电后，在秤重过程中由货物重量经荷重传感器的信号转换，输出相应的毫伏电压，通过运算放大器放大和标度变换转送A/D转换器。本系统的A/D转换器采用了V/F型积分转换器，它将输入的模拟信号转换成相应的以脉冲序列方式的频率输出。单片机89C2051严格控制每一次采样时间，保持每一次计数的闸门时间间隔的一致性。单片机通过应用程序,把当次的采样频率f进行标度转换形成显示器可使用的串行代码数据。在测量荷重期间，系统可随时接受人机对话请求。人机对话仅通过键盘接受校正值。校正有两个内容，其一，“零点校正”，按“设置”键，将空负荷下的采样值记录下来存入E2PROM型号为24LC02B；其二，“斜率校正

3、”，将标准重量（砝码）作为秤重对象放入托盘，按“校正”键，单片机将采样值记录下来并通过计算将新的斜率存入E2PROM型号为24LC02B。这两种校正的方法如下：（1）零点校正：电子秤的长期使用，由于传感器，放大器的零点漂移，使得出厂时调整好的零点发生偏移而导致秤重时引起恒定误差，经过“设置”键校正，实际上把零漂值存储起来，以后每次侧重时采样值调整：去除零漂误差。（2）斜率校正：系统除了零点漂移不可避免外，秤重机构的灵敏度，放大器的增益也会受到使用时间的影响而发生变化，斜率校正实际上是满度调整。关系式：其中，可K为斜率，f 为采样频率，Xy荷重。二 测量系统的电路分析：1.荷重传感器 秤重,本质

4、上是测量一个静态压力:对象是重力。计量重量，是许多商业活动，生产过程中中经常发生的内容，它体现出货物交易的依据，安全的基本要求。秤重的过程,首先把货物的重力通过一个称荷重传感器转换为对应的电压信号，然后经过放大，模数转换，最后成为读数。荷重传感器有多种：应变片传感器，半导体压阻式传感器，压磁式传感器，压电式传感器等等。当前最常用的为应变片传感器。应变片传感器：包括：应变片电阻，试件（弹性元件）。运用应变片传感器的基本认识：（1）主要转换的物理参数是应变量：。（2）当应变片粘贴在弹性体表面上，形成刚性连接后，应变量正比于弹性体受力大小；在一定的压力F下，弹性体应变的大小将取决于弹性材料的几何尺寸

5、和弹性模量。（3）应变片的粘贴是十分讲究的工艺，需要克服刚性程度，长期使用的机械蠕动，防潮，防霉变，防腐蚀等技术要求。（4）应变片电阻R与应变的线性度和一致性。2放大器：绝大多数的电子秤都采应变式传感器作为荷重变换器。这是因为应变式传感器结构简单，体积小，精度高，非线性误差小，量程调整容易等优点。本系统采用的是平行梁式，这是一种根据弹性材料受到压力后变形产生应变，使粘贴在弹性材料上的应变元件或压缩或拉伸，引起应变元件的电阻相应变化。为了提高灵敏度，一般采用4个性能完全相同应变元件构成全臂差动电桥。电桥的输出关系式：标称值：R=120，E=6V，额定输出:1.3mV/V,实际满度输出7.8mV/

6、6V显然,由应变元件构成全臂差动电桥的输出信是微弱的,必须通过信号放大才有读数意义。本系统采用单电源工作的运算放大器与电桥电路连接成反向放大电路。放大器输出:(3-3)考虑到V/F模数转换器的输入范围要求（05V），且留有一定的余量。选择R2值。实验证明，所选用的V/F模数转换器的最大输入电压为3.5V,估算放大器增益:(3-4)根据说明书给出的实际满度输出7.8mV。即,最大输出。因设置了衰减系数为0.8,所以实际输入给V/F模数转换器的最大输入电压为3.54V。3V/F模数转换器 本系统采用电压/频率转换器LM331作为A/D转换器。其特点是：体积小，精度高，价格低，串行输出，占用CPU的

7、I/O线少。其最突出的不足之处是转换速度慢。以下是LM331一些主要技术指标：（1）最大线性度 0.01%，（2）满量程频率范围 1HZ100KHZ 同类器件有：AD650，AD651，AD652。内部逻辑电路：图为电压/频率转换器LM331的简化功能框图。内部能隙基准电路产生1.9V直流电压,送到2脚,（基准电压供测试）外接RS形成基准电流：I=1.9/RS。（I=50500uA）。输入电压Vin送比较器，引脚6通常与1脚连接，当K合上后流过恒电流在RL上产生压降Vx作为阈值电压。在单脉冲定时器上设有定时比较器，一个输入端恒接 作为参考电压，另一个输入端接引脚5。若，单脉冲定时器内部的RS触

8、发器产生复位信号使K断开,又迫使驱动晶体管截止。复位后使引脚5与地短接，电容C1上的电荷释放，电压下降。使,这个单脉冲定时器的定时周期为：t=1.1R1C1。输入电压Vin送比较器与VX进行比较.因为K合之前VcL=0,则VinVX,输入比较器 使得RS触发器产生启动信号使K闭合,基准电流向CL充电。使VX上升，直至VXVin。输入比较器翻转,迫使单脉冲定时器产生复位信号使K断开,CL向RL放电,使VXVin。然后输入比较器再次启动定时器，开始下一次循环。波形分析：单脉冲定时器内部的RS触发器产生复位信号使K断开,又迫使驱动晶体管截止，使V3为高电平，VXVin。此时驱动晶体管导通。从波形图看

9、，VXVin后，要关闭K是发生在 时刻。而使驱动晶体管截止是在VXVin时刻。对CL充电平均电流：IAVE=i*t*Fout CL对RL放电电流：VX/RL=Vin/RL。显然，LM331工作时：充电平均电流=放电电流:3组合型显示器 本系统采用的显示是内含驱动逻辑电路，尽管无法解剖这个电路，但根据外部特性，可以自行设计出来。下图是显示器外部引脚图，可以知道，它是一个串行信号传输显示数据，有3个引脚，分别定义为：CLOCK：时钟节拍，它确定了传输显示数据的波特率；DATA：数据线，传输显示数据脉冲序列；ON/OFF：控制信号，根据时序要求，控制刷新（ON），保持（OFF），它防止显示器在线数据

10、因受干扰丢失。在显示器上刷新显示数据时，控制信号“ON/OFF”处于“OFF”状态，锁存器关闭，不允许改变数据；处于“OFF”状态，锁存器打开，更新锁存器数据；输入的数据按“CLOCK”时钟节拍逐位由“DATA”线送移位寄存器。由于每次仅刷新一位数码管的数字，故这种显示方式仍为动态扫描形式。单片机采用定时中断服务程序，进行定时刷新。限于器件采购的难度，也可以按下图设计：刷新一位显示器的操作过程：（1）关闭74LS138控制的所有位码线；（瞬时迫使显示器全暗）（2）对74LS164输入串行数据；（100微秒）（3）选通需要刷新的某一位显示器；（点亮时间保持几毫秒）三.单片机的主控程序 单片机是系

11、统的核心控制部件。电路各部分都完全按照单片机内含的工作程序，正确有序的运行。为此，有必要对本系统的程序流程作简要介绍。1.单片机89C2051芯片 89C2051为MCS-51系列的一种低功能单片机，其特点是：体积小，引脚少一半。没有P1口，P2口，以及省掉了PSEN，ALE，EA，P3.7(RD)。很显然,89C2051失去了对外寻址功能，对外读写数据功能。但是，P1.2P1.7具有很强的驱动功能,可以直接带负载。其他保留下来的引脚与原来的功能一致所采用的指令系统与原来的MCS-51系列完全相同。只是某些指令是无效的。89C2051只有P1，P3口作为I/O口，允许对外传输数据或输入输出控制信号。如图所示，P1.5P1.7负责输出显示数据;P1.2P1.4负责键盘输入;P3.2,P3.3 负责校正参数存储.整个系统由于功能比较简单,采用89C2051低功能单片机的性能价格比高。