传感器课程设计报告---数显电子秤

传感器课程设计报告题目：数显电子秤
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目录
第一节设计任务与方案构思 (3)
(3)
(3)
(3)
第二节硬件电路的设计 (4)
电阻应变式传感器的选择 (4)
前级放大电路的设计 (6)
ADC0809 A/D转换器 (6)
LED显示电路的设计 (8)
2.5 总体工作电路原理图 (9)
第三节软件的设计 (10)
第四节设计总结 (12)
参考书籍 (13)
数字电子秤设计
第一节设计任务与方案构思
设计任务及要求
1)设计一款便携式家用电子秤，用LED数码管显示被称物体的质量；
2)测量范围在100公斤之内；
3)放置超过100公斤重物时能够对承重板位置进行限定以保护电阻应
变片；
4)运用电阻应变式传感器，采用全桥测量电路进行压力信号检测；
5)电路由全桥测量电桥、三级运算放大电路、A/D转换电路及LED数码
管显示电路组成；
6)写出详细的设计报告。

系统构思与方案论证
该电子秤可采用单片机为主要部件。

首先利用电阻应变式传感器配合全桥测量电路将压力信号变换成模拟电信号，经前级放大后送入A/D转换芯片变成数字信号，然后送至单片机进行运算及处理，计算出被测物体的质量，最后把被测结果送至数码管进行数字显示。

电阻应变式传感器价格低廉，性能可靠，是压力传感器中应用最多的一种。

采用全桥测量电路可使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。

前级放大器可由三级运算放大电路组成，对传感器输出的微弱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，在本设计中可以采用ADC0809模/数转换芯片。

采用该芯片的优点是教材中对该芯片介绍较多，其采样时序由单片机产生，子程序有成熟范例。

基本工作原理及原理框图
该电子秤基本工作原理框图如图1-1所示。

1-1 基本工作原理框图
第二节硬件设计
2.1 传感器的选择
电阻应变式传感器的组成及工作原理
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。

其结构如图2－1所示。

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原因主要是：（1）电阻丝温度系数引起的。

（2）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2－1 应变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：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U out＝KEε。

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。

电阻应变式传感器的测量电路
——0.1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，如图2－2所示。

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 2-2 全桥测量电桥图
它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右，测量电桥的电源由稳压电源U in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 前置放大器设计
本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三级放大电路，主要的元件就是三运放放大器。

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。

电路设计采
用常用仪表放大器方案，如图2－3所示。

图 2-3 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。

ADC0809的内部逻辑结构如图2－4所示。

图2－4 ADC 0809内部逻辑结构图
ADC0809引脚排列如图2－5所示。

图2－5 ADC 0809引脚排列图
IN0－IN7：8条模拟量输入通道。

ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，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IN0－IN7上的一路模拟量输入。

通道选择表如表2－1所示。

表2－1 ADC 0809通道选择对照表
C B A 选择的通道
0 0 0 IN0
0 0 1 IN1
0 1 0 IN2
0 1 1 IN3
1 0 0 IN4
1 0 1 IN5
1 1 0 IN6
1 1 1 IN7
数字量输出及控制线：11条
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。

OE ＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。

D7－D0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
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显示块的发光二极管阳极并接。

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。

2.5 总体工作电路原理图
系统总体工作原理图如图2－6所示。

图 2－6 系统总体工作原理图
第三节软件的设计
ADC0809通道IN0地址 7FF8H
8155 PA口地址 7F01H
PB口地址 7F02H
FLAG BIT 7FH
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0013H
AJMP INT1
MAIN：
SETB IT1
SETB EA
SETB EX1
LCALL AD_SORT
LCALL BCD_SORT
LCALL DISLED
LCALL DELAY_LO
AJMP MAIN
AD_SORT:
MOV R0,#60H
SETR FLAG
MOVX DPTR,#7FF8H
MOVX @DPTR,A
WAIT:
JB FLAG,WAIT
RET
INT1:
MOVX A,@DPTR
MOV @R0,A
CLR FLAG
RET1
DLSLED:
MOV R3,#01H
MOV A,R3
LOOP:
MOV DPTR,#7F01H
MOVX @DPTR,A
INC DPTR
MOV A,@R0
ADD A,#0DH
MOVC A,@A+PC
DIR1:
MOVX @DPTR,A
LCALL TIM2
INC R0
MOV A,R3
JB ACC.1,LOOP1 RL A
MOV R3,A
AJMP LOOP
LOOP1:
RET
TIM2:
MOV R7,#04H
DLT1:
MOV R6,#FFH
DLT2:
DJNZ R6,DLT2
DJNZ R7,DLT1
RET
BCD_SORT:
MOV A,@R0
RL A
MOV B,#10H
DIV AB
MOV @R0,B
INC R0
MOV @R0,A
RET
DELAY_LO:
PUSH 0
PUSH 1
PUSH 2
MOV 0,#01H; DELAY_LO1:MOV 1,#00H DELAY_LO2:MOV 2,#0B2H;
DJNZ 2,$
DJNZ 1,DELAY_LO2
DJNZ 0,DELAY_LO1
POP 2
POP 1
POP 0
RET
END。