简易电子秤电路设计
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简易电子秤电路设计文件编码(008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256)
摘要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、磅秤等装置逐步被淘汰。
而电子秤是将传感器技术、信息处理、电子技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。
电子秤计量准确、快速方便,并且能实现自动称重和数字显示。
本作品主要以STC89C52单片机为控制核心,针对电子秤的自动称重、单价设置、金额计算与累加和去皮功能进行设计。
电子秤由六个功能模块组成,传感器模块、信号调理模块、单片机控制模块、报警模块、显示模块和按键模块。
本设计由电阻应变片桥式传感器进行数据采集,所得差模信号经HX711型芯片的放大和转换,再由单片机的控制和处理,最后在显示屏上显示重量、单价和金额等。
该设计很好的完成了设计要求,效率高,误差较小。
关键词:电子秤;STC89C52单片机;电阻应变片桥式传感器;HX711
目录
1 方案论证与比较
传感器模块方案
采用电阻应变片桥式传感器。
它主要由弹性体和电阻应变片等组成,内部线路采用惠更斯电桥。
当弹性体承受载荷产生形变时,电阻应变片受到拉伸或压缩而产生变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小),从而使电桥失去平衡,产生相应的差动信号,供后续电路测量和转换。
在制作传感器时,一般采用细砂纸对构件进行交叉打磨,如有条件可采用喷砂处理。
当贴片位置固定后,取适量胶液均匀涂刷在被粘处表面,将应变计表面准确粘贴在试件表面。
要判断粘贴层是否有气泡和杂质,敏感栅有无断栅和变形。
应变片粘贴前后的阻值变化,绝缘电阻等是否符合要求。
该方案测量精度高,较为稳定,可操作性强。
信号调理模块方案
方案一:采用24位AD转换芯片HX711。
HX711内部不仅集成了信号放大模块,而且包含了一款高精度的24位A/D转换器。
同时,HX711内部还集成了完成放大和转换功能所需要的一些外围电路,例如电源电路和时钟振荡电路等。
它与单片机的接口电路简单,不需要对芯片内部的寄存器进行编程。
方案二:采用AD620仪用放大器和ADS1100型A/D转换器。
AD620通过外接电阻来设置放大倍数,增益范围可调,精度较高。
ADS1100是一款全差分输
入、有自校准功能的16位模数转换器。
将这两个模块连接形成电路,可以完成设计指标。
综上:方案二电路连接复杂,元器件使用较多;方案一精确度高,成本低,抗干扰能力强且响应迅速。
故选择方案一。
单片机控制模块方案
本设计采用STC89C52单片机作为核心控制中心。
STC89C52单片机是一种低功耗、高性能、抗干扰超强的CMOS 8位微控制器。
该器件与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚完全兼容,同时,与其他51系列单片机相比内部存储空间更大,指令执行速度更快。
显示模块方案
方案一:采用LCD液晶显示。
液晶显示器利用液晶的物理特性,通过电压对显示区域进行控制,有电就显示。
其画质高且不会闪烁,和单片机的接口更加简单可靠,操作更加方便,耗电量低,可以显示字符。
方案二:采用LED数码管显示。
它是一种常用的显示器件,内部由8个发光二极管构成,其中7个组成字形“8”,另一个显示小数点。
使用时,只要引出它们的公共电极就可以。
综上:方案二显示的信息有限,容易闪烁,功耗高,数码管级联复杂且成本较高;方案一显示信息量大且质量较高,功耗低,使用周期长,人机交换界面美观。
故选择方案一。
按键模块方案
方案一:采用4×4矩阵键盘。
它采用4条I/O线作为行线,4条I/O线作为列线组成键盘。
在行线和列线的每一个交叉点上设置按键,不能直接连通。
利用矩阵键盘可以显示0-9数字、小数点和5个功能键。
在需要的按键数量较多时,采用矩阵法连接键盘比较合理。
方案二:采用intel8279专用键盘处理芯片。
它含有键盘输入和显示器输出两种功能。
芯片本身能完成对按键的编码、扫描、消抖和重键等处理。
是一种通用的可编程键盘、显示接口器件。
综上:考虑到成本因素,方案二可能不是最佳选择。
方案一相对专用芯片可以节省成本,灵活性更强。
故选择方案一。
报警模块方案
报警电路是由单片机的I/O口来控制的,当称重物体的重量超过系统设计所允许的重量时,通过程序使单片机的I/O值为高电平,使蜂鸣器发出报警声。
2理论分析与计算
电阻应变片传感器
电阻应变片把导体形变的物理信号转换成电阻变化的信号,但是由于变化的阻值一般都很小,直接测量得到的结果很不准确。
所以,一般采用直流供电
的电阻电桥将其转换成电压的变化。
如图,R1、R2、R3、R4组成惠斯通电桥,将电阻应变片的阻值变化转化成输出电压。
图电阻桥(单桥)连接图
流过电阻R1和R2的电流I1: I1=VVV
V1+V2
R2两端的电压V2: V2=I1×R2=VCC×R2
R1+R2
流过电阻R3和Rx的电流I2: I2=VVV
V3+VV
R3两端的电压V3: V3=I2 ×R3=VCC×R3
R3+Rx
V2和V3的电压差: ?V=V2-V3=VCC×(V2
V1+V2−V3
V3+VV
)
由此可以看出:
当R1=R2=R3=Rx时,?V=0,即电桥处于平衡状态;而Rx发生变化时会导致?V发生变化。
在本设计中,将R1、R2、R3、Rx全部换成电阻应变片(即采用全桥法),当其受外力作用而阻值改变时,将差分电压?V通过放大和A/D采样转换成相应的电压值。
HX711信号处理模块
HX711芯片功能非常强大,内部集成了信号放大与A/D转换模块。
当传感器的输出电压为毫伏级时,可通过选择芯片内部的增益倍数(32、64或128倍)使其放大,再通过模数转换送至单片机,作进一步的数据处理。
STC89C52单片机控制模块
STC89C52单片机作为本设计的核心控制中心,在整个系统中主要负责数据的处理、控制和交换等作用。
此中心模块能够接受A/D转换后的传感器信
号,同时也能接受扫描后的键盘的输入信号,计算价格后控制显示器的相应输出。
并且,这种控制芯片内存大、可靠性高、速度快且价格便宜,是一种优良的选择。
LCD1602显示
在本设计中,选用LCD1602液晶显示,可显示两行字符(数字),通过单片机对它的程序设定,能够显示出重量、单价、金额等。
4×V矩阵键盘
该按键电路主要用来手动输入物品的单价,实现人机交换的功能。
它包括数字键0-9、小数点、去皮键、清零键和累加键等。
3系统硬件设计
系统硬件的总体设计框图如图所示。
图硬件电路总体框图
电阻应变片电桥电路
本设计在电桥中连入四枚电阻应变片(全桥法),提高了输出电压的灵敏,四个电阻的初始值R=R1=R2=R3=R4=1K,其变化值 ?R=
?R1= ?R2= ?R3= ?R4,输出电压?V=ΔR
×VCC。
电位器RV2用来空载调零。
R
图电阻应变片全桥电路连接图
HX711信号调理电路
电阻应变片压力传感器输出的差模信号可直接送入HX711,利用HX711内部通道A可编程增益(128倍)对信号进行放大,再经由后半部分的A/D转换把采集到的24位高低电平通过DOUT送至单片机进行处理。
图 HX711电路连接图
单片机控制系统电路
STC89C52单片机最小系统包括电源电路、晶振电路和复位电路。
图 STC89C52单片机最小系统图
显示电路与单片机接口电路
根据设计的要求,如图所示,将LCD1602的数据端口D0-D7口与单片机P0口相连,RS端接,R/W端接,E端接,用来控制显示器的显示。
图 LCD1602电路连接图
按键电路与单片机接口电路
在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式。
图 4×4矩阵键盘电路连接图图多功能数字键盘图
蜂鸣器超重报警系统电路
如图所示。
图蜂鸣器报警电路
4系统软件设计
如图,程序开始执行后,首先对各个端口和功能键进行初始化;另一边启动HX711转换器,对信号进行放大和模数转换;然后在单片机内部进行数据判断,若超重则启动报警电路,若没有超重则继续扫描键盘;当按下功能键时,则执行相应指令,并用LCD1602显示重量、单价和总价。
一轮结束后,再进行第二次测量。
图主程序流程图
5系统调试
测试方法与仪器
首先按照电路原理连接电路,然后在称盘中由小到大依次添加不同重量()的砝码,并通过手动按下不同按键给单片机输入不同的指令,在显示屏上读出实测重量、单价、金额,同时,选择相应按键验证是否具有累加、去皮、清零等功能。
+5V电源、砝码、万用表
数据测试与分析
数据的测试如表1所示。
表1 数据测试表
测试效果:
1、砝码重量小于50g,误差小于;砝码重量在50g及以上时,误差小于
1g。
2、可手动输入不同的单价(1-2位数),LCD显示屏上能显示单价与金
额。
3、二次测量后,可实现金额累加。
4、去皮范围未超过100g。
5、当所添加物体超重时,可实现报警功能。
6总结
本设计基于高精度专用电子秤A/D转换芯片HX711,通过单片机对自制传感器信号的核心控制和处理,设计并制作完成了对称重范围在的重量的检测。
当重量小于50g时,误差小于;当重量在50g及以上时,误差小于1g 。
并且,该简易电子秤可设置单价,可以计算金额,可以实现累加和去皮功能,且去皮范围小于100g 。
本作品电路整体结构完善,工作稳定,效率极高。
参考文献
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