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1、基于单片机的电子秤设计基于单片机的电子秤设计传感课程设计报告传感课程设计报告目目 录录摘要.1 关键字：电子秤、电子应变片、A/D 转换器，显示电路 .1 一、系统整体描述.1 二、 系统模块设计.2 2.1 电阻应变式传感器的组成以及原理.2 2.2 直流差动电桥检测电路.3 2.3 放大电路 .5 2.4 A/D 转换 .6 2.5 单片机系统 .7 三、数据处理及程序的设计.9 3.1 数据处理及程序的设计 .9 3.2 参数整定 .10 3.2.1 测量数据及误差分析 .10 3.2.2 曲线拟合及参数整定 .103.3 显示子程序的设计 .13 总结.13 参考文献.14 附录 1
2、程序.151摘要摘要本文设计的电子秤以单片机为主要部件，用 C 语言进行软件设计，硬件则以半桥传感器为主, 测量 0500g 电子秤，随时可改变上限阈值，本课程设计的电子秤以单片机为主要部件，利用差动 半桥测量原理，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。 芯片 HX711-BF 的 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 。关键字：电子秤
3、、应变片、关键字：电子秤、应变片、A/DA/D 转换器，显示电路转换器，显示电路一、系统整体描述一、系统整体描述 系统由敏感元件、电桥测量电路、放大电路、模数转换电路、单片机最小系统、显示电路构成。敏 感元件产生物理量变化，由测量电路将信号转换为电信号，并放大输出。通过模数转换后将信号输 入单片机中，经过处理后由显示电路显示。应 变 片电 桥 测 量 电 路放 大 电 路模 数 转 换 电 路单 片 机 最 小 系 统显 示 电 路22 2、系统模块设计系统模块设计2.12.1 电阻应变式传感器的组成以及原理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
4、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，
5、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 原理应变式传感器安装示意图32.22.2 直流差动电桥检测电路直流差动电桥检测电路图图 2-42-4 单臂电桥转换电路单臂电桥转换电路 电桥平衡条件和调零电桥平衡条件和调零直流电桥转换电路如图 2-5(a)所示。 当RL=时，输出
6、电压为(2-15)电桥达到平衡时，输出电压为零，令Uo=0，由式(2-15)得(2-16)式(2-16)即为直流电桥的平衡条件。图 2-5 直流电桥转换电路和调零电路当式(2-16)不满足时，输出电压U0 不为零，此时需要调零电路完成调零。图 2-5(b)是典型的直流电桥调零电路，调节电位器Rr 可以补偿R1、R2、R3、R4 间的不平衡。 电桥的电压灵敏度电桥的电压灵敏度 单臂电桥的电压灵敏度单臂电桥是将电阻应变片接入电桥的一个桥臂，如图 2-4 的R1 位置，其余桥臂为固定电阻，则其输出电压为)(433211 oRRR RRREU4321 RR RR42413313111124112341
7、13() (1)(1)oRRRR RRRRRRRUEERRRRRRRR RRR 4(2-17) 因为电桥初始状态时是平衡的，有 R2/R1=R4/R3，令 n=R2/R1= R4/R3 为桥比。由于R1/R1 很小，则 (2-18) 定义直流电桥电路的灵敏度系数为(2-19) 欲使电路的灵敏度最大，令 ，得(1+n)2-2n(1+n)=0 (2-20)0UnK即n=1。所以，选择桥臂电阻阻值，使桥比为 1，电路灵敏度达到最大。此时的输出电压为 (2-21) 电路的灵敏度系数为 (2-22) 从前面的推导得知，式(2-21)的输出电压是式(2-17)略去分母中 R1/R1 项得到的结果，简化后的
8、输出电压 Uo 与电阻相对变化 R1/R1 之间是线性的。如果不作简化，实际输出电压为(2-23) 令 n=1，这一线性化引起的非线性误差为(2-24)例如，测量过程中电阻的相对变化 R1/R11，当采用单臂电桥作为转换电路时，由式(2-24)计算后，得到的非线性误差为 L=4.8%。它表明电阻的相对变化较大时，这种简化带来的非线性误差将变得非常严重。 半桥、全桥的电压灵敏度在试件上粘贴两个工作应变片，一个为受拉应变片，一个为受压应变片，大小相等，方向相反，接入电桥相邻桥臂，将构成半桥电路，如图 2-6(a)所示；在试件上粘贴四个工作应变片，两个为受拉应变片，两个为受压应变片，分别接入对边桥臂
9、，构成全桥电路，如图 2-6(b)所示。11 2o )1 (RR nnEU2 11o U)1 (/nnERRUK11 o 4RREU4UEK11 0 111(1)RnRUERnnR 111111ooooo 22211RRRRRRUU UUUL 5图图 2-62-6 差动电桥转换电路差动电桥转换电路对于图 2-6(a)所示的半桥电路，输出电压为(2-25)若 R1=R2，R1=R2=R3=R4，则（2-26）半桥电路的灵敏度系数为：(2-27) 对于图 4-6(b)所示的全桥电路，输出电压为(2-28)全桥电路的灵敏度系数为KU=E (2-29)考虑传感器的灵敏度和操作难度，我们选择以差动半桥电
10、路作为本设计的检测电考虑传感器的灵敏度和操作难度，我们选择以差动半桥电路作为本设计的检测电路路2.32.3 放大电路放大电路目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于 A/D 转换。一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。差动放大电路：差动放大电路：原理： 本次设计中，要求用一个放大电路，即差动放大电路，主要的元就是差动放大器。在 43322
11、1111 o RRR RRRRRREU11 o 2RREU2UEK11 o RREU6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。仪表仪器放大器的选型很多，我们这里使用一种用途非常广泛的放大器，就是典型的差动放大器 ina114ap。它只需高精度和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。本设计中差动放大电路结构图如下： 放大倍数的推导过程：72.4
12、2.4 A/DA/D 转换转换 A/D 转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。由于输入电源为直流，电桥经放大后输出电压为直流电压，为模拟信号。经过芯片 HX711-BF 转为数字信号，便于下一步单片机的处理和显示。HX711 是一款专为高精度称重传感器而设计的 24 位 A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端 MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道 A 或通道
