1、 畢業設計(論 文) 基于單片機的電子稱重儀 系 別自動化工程系 專 業測控技術與儀器 班級學號5060718 姓 名伯禹佳 指導教師王軍偉 2010 年 6 月 15 日 基于單片機的電子稱重儀 摘 要 電子稱重儀在商業貿易中的使用已相當普遍，但是存在較大的局限性：體積大， 成本高，需要交流電源供電、攜帶不便、應用場所受到限制。因此，本文旨在設計一 種測量準確、價格低廉、攜帶方便、應用廣泛的電子稱重儀。 本文介紹了電子稱重技術采用的基本原理，設計了以stc89c52單片機為主要控制 核心的電阻應變式電子稱重儀。該電子稱重儀根據電阻的應變效應原理將電阻所受應 變通過電橋電路轉換為電壓信號，采用

2、lm324運算放大器和tlc2543模數轉換芯片， 可以實現對稱重傳感器輸出信號的放大和ad轉換處理，采用矩陣鍵盤進行對電子稱重 儀的控制和相關數據的修改，使用at24c02串行eeprom進行各單價的存儲，還利用 了12864液晶顯示，對物體重量的進行實時顯示，使用戶界面友好，方便控制讀取。 實際研究結果表明，該系統具有性價比高、體積小、攜帶方便、使用簡易和性能 穩定等優點。 關鍵詞：電子稱重儀，單片機， lm324， stc89c52，tlc2543 based on scm electron weighing apparatus author: bo yujia tutor: wang

3、junwei abstract electron weighing apparatus in the use of trade has quite common, but there is the existence of limitations: large size, high cost, needing ac power supply, inconvenience and application of place limited. therefore, this paper aims to design a electronic weighing apparatus, which is

4、measurement accuracy, low cost, easy to carry and widely used. this paper introduces the basic principle of weighing technology and designs a resistance strain type electronic weighing apparatus, in which the stc89c52 microcontroller is as the core to control. the electron weighing apparatus convert

5、s resistance strain to voltage signal through the bridge circuit according to the principle of the resistance strain effects, adopts lm324 amplifier and tlc2543 analog-to-digital conversion chip to realize the output signal of weighing transducer of amplifier and ad transform processing, uses matrix

6、 keyboard for electronic weighing device control and related data changes and at24c02 serial eeprom memory for each unit, and also apply 12864 liquid crystal display (lcd) to achieve the real-time display of the weight of object, and to make the user interface friendly and observation and control ea

7、sy. practical results indicate that the system has more advantages such as high ratio, small volume, convenient to carry, use simple and stable performance, etc. keywords: electron weighing apparatus, scm, lm324, stc89c52, tlc2543 目 錄 1 緒論 .1 1.1 課題稱重技術的現狀及發展狀況 .1 1.2 當前稱重技術的原理方法和特點 .1 1.2.1 電磁式 .1

8、1.2.2 壓電式 .2 1.2.3 振弦式 .3 1.2.4 電容式 .4 1.2.5 電阻應變式 .4 2 系統方案及工作原理 .7 2.1 方案論證與比較 .7 2.2 系統組成及基本工作原理 .8 3 系統硬件設計 .10 3.1 主控電路部分設計 .10 3.1.1 單片機的選用與基本特性 .10 3.1.2 單片機管腳分配 .10 3.2 電源部分設計 .11 3.2.1 獨立電源供電 .11 3.2.2 運放所用正負壓的產生 .13 3.3 稱重傳感器部分設計 .14 3.3.1 傳感器特性 .14 3.3.2 傳感器內部結構原理 .16 3.4 信號放大部分設計 .17 3.4

9、.1 lm324 基本特性.17 3.4.2 放大工作原理 .18 3.5 ad 轉換部分設計 .19 3.5.1 tlc2543 基本特性.19 3.5.2 基本工作過程 .22 3.6 顯示部分設計 .24 3.7 鍵盤控制部分設計 .29 3.8 存儲部分設計 .30 3.8.1 at24c02 基本特性.30 3.8.2 at24c02 與單片機連接.35 4 系統軟件設計 .37 4.1 系統主程序 .37 4.2 ad 轉換程序 .38 4.3 液晶顯示程序 .38 4.4 鍵盤控制程序 .38 4.4.1 44 矩陣鍵盤掃描的實現.38 4.4.2 矩陣鍵盤控制功能的實現 .39

10、 4.5 串行存儲程序 .40 5 調試與分析 .41 5.1 調試系統簡介.41 5.2 調試故障及原因分析.41 結 論 .42 致 謝 .43 參考文獻 .44 附 錄 .46 附錄 a 英文文獻 .46 附錄 b 對照翻譯 .49 附錄 c 系統電路圖 .51 附錄 d 系統源程序 .52 1 緒論 1.1 課題稱重技術的現狀及發展狀況 電子稱重技術是現代稱重計量和控制系統工程的重要基礎之一。自50年代中期電 子技術滲入到衡器的輔助測量裝置，60年代初期出現機電結合式電子衡器以來，經過 多年的不斷改進與完善，電子衡器從最初的機電結合型發展到現在的全電子型和數字 化智能型。由于它具有稱量

11、準確、快速，讀數方便，環境適應性強，便于與電子計算 機結合而實現稱重計量與過程控制自動化等特點，在工商貿易、能源交通、冶金礦山、 輕工食品、醫藥衛生、航空航天等部門得到了廣泛的應用。 近年來，隨著計算機和稱重傳感器技術的迅速發展，現代科學技術的相互滲透， 電子稱重技術及應用又有了新發展。稱重技術從靜態稱重向動態稱重發展，計量方法 從模擬測量向數字測量發展，測量特點從單參數測量向多參數測量發展，特別是對快 速稱重和動態稱重的研究與應用，已為世界各國所關注。可以說電子稱重技術的發展 水平，已成為衡量一個國家科學技術水平和工業發達程度的重要標志之一。 各工業發達國家長期以來, 都把電子稱重技術的研究

12、及應用提高到電子稱重設備制 造工程的高度來認識。稱重計量的內涵不斷擴展，由狹義到廣義，由單項到系統，新 型的現代稱重計量概念已脫穎而出，一躍成為當代世界矚目的技術與行業。盡管 80 年 代以來，我國衡器行業打破了部門和地區的界限，取得了較好的成績，但電子稱重技 術的研究與應用，電子衡器產品的數量和質量與工業發達國家相比還有較大差距，行 業的總體水平還跟不上國家經濟的發展步伐。 1.2 當前稱重技術的原理方法和特點 目前，各種不同物理原理在電子稱重系統中獲得了應用。稱重傳感器也有多種形 式，大致有電磁式、壓電式、振弦式、電容式、電阻應變式等。 1.2.1 電磁式 電磁式稱重傳感器的機械傳感器部分

13、是一個杠桿結構，多用于電子天平。當電磁 式稱重傳感器為上電時（空載），杠桿是不平衡的。上電后，由于pid調節網絡的作用， 杠桿恢復到平衡狀態，此時磁缸線圈中有初始電流，當加載重物時，通過調節加力線 圈中的電流的大小，使得杠桿再次平衡，這樣根據加力線圈中的電流和力矩平衡，便 可測得重物的質量。可見，加載重物的重量與加力線圈中電流的大小成正比，確定空 載時的電流，即可測得重物的重量，進而確定待測物的質量。圖1.1為電磁式傳感器結 構圖。 圖1.1 電磁式稱重傳感器結構圖 電磁式稱重傳感器主要特點如下： （1）速度快。約5 8秒即可穩定。 （2）精度高。目前最高精度可達0.lg。 （3）重復性好。

14、（4）可偏心測重，而且也很準。 電磁式傳感器廣泛地應用于國防、科研、工廠、實驗室。不僅能作常規的測試， 還可以在一些特殊的場合做物質質量的測定，如：在流水線上作檢測儀、對放射性物 質的稱量、在鐘表元件廠對鐘表元件進行程量及計數、作糧食水分檢測儀等。 1.2.2 壓電式 壓電式稱重傳感器是利用石英晶體的縱向壓力效應將重量信號轉換成電信號的裝 置。傳感器中的石英晶體敏感元件測量的是應力，是它產生的電荷對于應力的平均值， 也就是說石英晶體具有把敏感元件（石英圓片）整個表面上的載荷進行積分的能力。 內部結構如圖1.2。 圖1.2 壓電式稱重傳感器結構圖 壓電式稱重傳感器特點如下： （1）石英晶體沒有熱

15、電效應，即使是溫度瞬變也不會引起信號漂移，而且靈敏度 溫度系數非常小，約為0.02%c，因此不必采取特殊手段補償溫度的影響。 （2）壓電式傳感器的量程范圍廣，測量范圍達10的幾次方，一個稱重傳感器即可 完成全程測量。 （3）靈敏度高，測量值可到上百噸載荷，又能分辨出小至幾公斤的動態力。 （4）剛度大，固有頻率高（幾十千赫以上），動態響應快。 （5）時間老化率低，無熱釋電現象，工作可靠性高，壽命長。 （6）石英晶體的居里點高（573c），對溫度的靈敏性低，靈敏度變化極小，長 期穩定性好。 （7）石英晶體具有較好的線性，在一般情況下無滯后，組裝成稱重傳感器其動態 測量的綜合誤差優于1%。 （8）結

16、構緊湊，體積小，高度低，重量輕，可用多個石英晶體片組裝大型稱重傳 感器。 （9）用多分量稱重傳感器進行稱重計量時，抗交叉干擾能力強，交叉干擾達到 800hz時，測量誤差仍然低于10%，交叉干擾到400hz時，測量誤差小于2%以內。 （10）使用溫度范圍廣，通常為200 200c。 （11）不能在長時間內進行靜態測量。 以石英晶體為敏感元件的稱重傳感器多用于測量動態量，應用于公路車輛軸載超 載預判，橋梁超載報警，隧道保護和車輛軸載計量等。 1.2.3 振弦式 振弦式傳感器主要用于實驗室的電子稱和其他小稱以及在工業上的臺秤和皮帶電 子稱重。振弦是在兩個永久磁鐵的氣隙內，每根振弦都與使振弦按固有頻率

17、振蕩的電 子振蕩回路相連。用參考質量對兩根振弦預加負荷，當未知負荷通過角度為e的弦線施 加于負荷連接點d時，左弦將受到增強的張力作用。從而增大了該弦的固有頻率，反之 右弦由于張力減弱將降低其固有頻率。左右弦的頻率之差正比于所施加的負荷a，傳感 器的輸出與將頻率差變成脈沖串的電子線路相連。通過一個預設定時間的脈沖計數器 對該脈沖采樣，即可直接讀出重量值。圖1.3為振弦式稱重傳感器稱重原理圖。 圖1.3 振弦式稱重傳感器稱重原理圖 1.2.4 電容式 電容傳感器分為三種：變極距式、變面積式、變介質式。變極距式電容傳感器， 在傳感器中裝有一對平行極板構成的一個平板電容器。圖1.4為變極距式電容傳感器

18、的 原理圖。圖中固定極板與傳感器基座相固定，動極板1與傳感器彈性元性活動端相連。 當在秤盤上施加重物時， 彈性元件活動端帶動定極板1向下移動平板電容，兩極板之 間的距離6發生變化，從而改變了平板電容器的電容量。通過計算變化的電容量就可以 計算出所稱物體的重量。 圖1.4 電容式傳感器結構原理圖 電容傳感器具有結構簡單，靈敏度高，動態特性好，抗過載能力大，對高溫、輻 射、強烈振動等惡劣條件適應性強，價格便宜等一系列優點。因此國內外不少人認為 電容式傳感器是未來最有希望的傳感器。 1.2.5 電阻應變式 電阻應變式稱重傳感器之所以能作為質量電量的轉換元件，是基于金屬絲在受 拉或受壓后會發生彈性形變

19、，其電阻值也隨之產生相應的變化這一物理特性實現的。 傳感器由兩個部分組成：一為彈性敏感元件，其作用是將待測量轉變為彈性體的應變 值；二為電阻應變片，它作為一種傳感元件負責將彈性體的應變值同步轉換為電阻值 的變化值。傳感器通過上述變化后，必須將其轉換成電流或電壓值后才能進行測量和 顯示。通常采用惠斯通電橋對轉換量進行測量。目前電阻應變片式稱重傳感器的測量 形式主要有懸臂梁式、平行梁式、柱式、s 型式、輪輻式等等，如圖1.5。 (a)懸臂梁式 (b)平行梁式 (c)柱式 (d)s型式 (e)輪輻式 圖1.5 電阻應變片式稱重傳感器的測量形式 電阻應變式稱重傳感器具有如下特點： （1）穩定性、線性度

20、好； （2）具有較高的分辨率； （3）可以進行絕對測量和靜態稱重，特別是非常適用于精確稱重； （4）具有較長的疲勞壽命，一般這一指標可達106。 電阻應變式稱重傳感器的固有缺點是： （1）在動態稱重中受到較多限制，不適合動態稱重； （2）剛度偏小，固有頻率低； （3）適用溫度范圍小，一般為10 60c； （4）容易受溫度的影響，需要進行零點和靈敏度溫度補償。 近年來，隨著經濟的持續發展，人民生活水平的不斷提高，電阻應變式稱重傳感 器已開始從工業電子衡器領域發展到商業和家用電子衡器領域，廣泛應用于商業、輕 工、食品、郵電等部門，已經成為應用較多、較廣泛的傳感器形式。 2 系統方案及工作原理 2.

21、1 方案論證與比較 方案一：利用 at89s52 作為主控制芯片；顯示部分采用八段數碼管；電阻應變式 稱重傳感器采用雙孔平衡梁式，惠斯通電橋結構；信號放大部分采用集成放大器芯片 lm324；ad 轉換部分采用 8 通道 8 位模數轉換芯片 adc0809；存儲部分采用 eeprom 串行存儲方式的 at24c02 芯片；鍵盤操作部分采用 44 矩陣鍵盤；電源部 分采用獨立電源。結構如圖 2.1。 圖 2.1 方案一原理框圖 此方案不足的地方有：該電子稱重儀要求能顯示類別、單價、重量和總金額，用 的數碼管很多，就需要外加至少兩片 max7219，占用單片機較多的 i/o 口，由于該電 子稱重儀是

22、用獨立電源供電，需要功耗消耗少，數碼管數量多會增加能量的消耗； adc0809 是 8 位分辨率的 ad 轉換芯片，若設定的承重上限為 10kg，10000/25540， 即最小精度 40g，誤差太大，滿足不了要求，此外 adc0809 是逼近式并行轉換結構， 占用單片機過多的 i/o 口，需要外加鎖存器，增加了芯片的數量，也增加了能量的消 耗。 方案二：采用 stc89c52 作為主控芯片；顯示部分采用 12864lcd 液晶顯示；稱 重傳感器采用雙孔平衡梁式，電阻應變式；惠斯通電橋輸出信號利用 lm324 組成差動 放大電路進行放大；ad 轉換部分采用 11 通道 12 位分辨率的模數轉換

23、芯片 tlc2543；存儲部分采用 at24c02；鍵盤操作采用 44 矩陣鍵盤；電源為獨立電源。 組成如圖 2.2 所示。 此方案較方案二優點有：stc89c52 單片機完全兼容 at89s52，國產芯片，價格 便宜，低功耗，穩定可靠；12864lcd 液晶顯示可顯示漢字，能夠提供友好客戶界面， 控 圖 2.2 方案二原理框圖 制管腳少，占用單片機 i/o 口少，此外，可以選擇液晶背光開或關，能夠根據周圍環 境光線的情況不同來節省電源能量；ad 轉換部分的 tlc2543 能進行 12 位高精度模數 轉換，稱重上限 10kg，10000/40962.44，即最小精度 2.44g，基本滿足要求

24、，且數據 輸入輸出采用串行通訊，占用單片機 i/o 口少。 鑒于上述內容，本設計采用方案二。 2.2 系統組成及基本工作原理 圖 2.3 系統組成框圖 系統框圖如圖 2.3 所示。系統由獨立電源部分、稱重傳感器部分、信號放大部分、 ad 轉換部分、單片機主控部分、顯示部分、存儲部分和鍵盤控制部分。獨立電源由電 池提供，l7805 保證電壓穩定在 5v，給整個系統器件供電。稱重傳感器的電橋電路由 正壓供電，系統正壓通過 max232 產生正負壓，給運算放大器 lm324 供電，保證工 作。當有物體放在托盤內，由于電阻應變片形變產生電壓的變化，稱重傳感器輸出電 壓信號，微弱信號通過運放的放大，使之

25、轉變成 0 5v 信號，再由 tlc2543 轉換成單 片機識別的數字信號。單片機對 ad 部分采集的信號進行處理，通過 12864lcd 實時 地顯示在液晶屏上。通過矩陣鍵盤可以對物品單價進行修改，并存儲在 at24c02 串行 eeprom 內。此外，系統開啟時，可以根據物品情況通過矩陣鍵盤選擇相應的價格， 根據相應的按鍵，單片機從 at24c02 內讀出相應的數據。 3 系統硬件設計 3.1 主控電路部分設計 3.1.1 單片機的選用與基本特性 主控部分采用宏晶科技公司的 stc89c52rc 單片機，stc89c52rc 單片機是宏晶 科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，

26、指令代碼完全兼容傳統的 8051 單片機。 stc89c52 單片機有如下特點： （1）增強型 12 時鐘/機器周期 8051 cpu （2）工作電壓：3.4v 5.5v （3）工作頻率范圍：0 80mhz （4）用戶應用程序空間 8k 字節 rom （5）片上集成 512 字節 ram （6）通用 i/o（32 個） ，復位后為：p0、p1、p2、p3 是準雙向口、弱上拉，p0 口 是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 i/o 口用時，需加上拉電阻 （7）isp（在線系統可編程） 、iap（在線應用可編程） ，無需專用編程器、仿真器， 可通過串口（p3.0、p3.1）直接下載程

27、序，8k 程序 3 秒即可完成一片 （8）具有 eeprom 功能 （9）內有真正的看門狗，可放心省去外部看門狗 （10）外部晶振 20m 以下時，可省外部復位電路 （11）共 3 個 16 位定時器/計數器，其中定時器 0 還可以當成 2 個 8 位定時器使用 （12）外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發中斷，power down 模式可由外部 中斷低電平觸發中斷方式喚醒 （13）通用異步串口（uart） ，還可用定時器軟件實現多個 uart （14）工作溫度范圍：商業級 0 +75c、工業級 40 +85c （15）內部 flash 擦寫次數為 100,000 次以上，stc89c52

28、rc 系列單片機加密性強 3.1.2 單片機管腳分配 系統采用最小系統模式，如圖 3.1 所示。 圖 3.1 單片機最小系統連接圖 （1）p0 口作為 12864lcd 顯示的數據口，主要向液晶內部寫指令和需要顯示的 數據，由于 p0 口是開漏方式輸出，單片機內部沒有上拉電阻，所以，需要外接上拉電 阻，如圖所示，接 10k 的排阻。 （2）p1 口接 44 矩陣鍵盤，p1.0 p1.3 接橫行，p1.4 p1.7 接豎列。 （3）p2 口主要接 a/d 轉換芯片 tlc2543 的各個控制管腳，用于將模數轉換后的 數字量送到單片機內進行處理。 （4）p3 口主要接 12864lcd 的控制管腳

29、，對顯示部分進行控制。 3.2 電源部分設計 3.2.1 獨立電源供電 獨立電源部分采用 l7805 對電源進行穩壓，使其對系統的供電穩定、連續、可靠。 1、l7805 簡介 l7805 是三端固定正穩壓器，輸出 5v 固定的電壓，廣泛應用于各種電子設備中， 電路使用安全可靠。有 to-220、to-220fp、to-220fm、to-3 和 ddpak 等多種封裝 形式。雖然穩壓器按固定穩壓器設計，但外部接少量元件，即可做成可調穩壓器或可 調穩流器使用。 2、主要性能 最大輸出電流 1.5a 輸出電壓 5v 內部熱過載保護 內部短路、過流保護 輸出晶體管安全區保護 工作溫度范圍65 150

30、c 運行條件下結點溫度55 150 c 3、各部分說明 獨立電源部分主要包括外部電源接口部分、穩壓部分和系統供電開關顯示部分。 如圖 3.2。 圖 3.2 電源接口圖 （1）外部電源接口部分 外部電源接口包括獨立電源接口 power 和非獨立電源接口 power2 兩部分。采 用多種形式供電，方便實用。 power 為獨立電源接口，可接各種 5v 以上電池，此設計采用 4 節 1.5v 的 5 號 干電池作為獨立電源，為整個系統供電。 power2 為外部電源適配器接口，主要是通過電源適配器將交流電轉換成額定電 壓值，再通過穩壓電路對系統供電。 （2）穩壓部分 根據 l7805 的數據手冊提供

31、的典型應用電路，輸入輸出兩端接電解電容，主要是 為了穩壓，d4 是為了防止電流倒流損壞器件。 （3）系統供電開關顯示部分 s1 是系統的電源開關；f1 是熔斷絲，當出現短路或是電流過大時，用來保護系統 的各器件；p-led 是電源指示燈，用來指示系統是否工作。 3.2.2 運放所用正負壓的產生 為了使運算放大器較好地工作，需要為其提供一對正負工作電壓，為解決這一問 題，本系統利用 max232 的串口發送接收管腳來產生正負電壓。 1、max232 簡介 max232 是一種雙組驅動器/接收器，片內含有一個電容性電壓發生器以便在單 5v 電源供電時提供 eia/tia-232-e 電平。每個接收

32、器將 eia/tia-232-e 電平輸入轉換 為 5v ttl/cmos 電平。這些接收器具有 1.3v 的典型門限值及 0.5v 的典型遲滯，而 且可以接收30v 的輸入。每個驅動器將 ttl/cmos 輸入電平轉換為 eia/tia-232-e 電平。主要應用在 eia/tia-232-e、電池供電系統、終端、調制解調器、計算機等方面。 2、特點 單 5v 電源工作 兩個驅動器及兩個接收器 30v 輸入電平 低電源電流：典型值是 8ma 符合甚至優于 ansi 標準 eia/tia-232-e 及 itu 推薦標準 v.28 esd 保護大于 mil-std-883（方法 3015）標準

33、的 2000v 3、工作溫度（自然通風）范圍內的極限參數 輸入電源電壓范圍 vcc： 0.3v 至 6v 正輸出電源電壓范圍 vs+： vcc0.3v 至 15v 負輸出電源電壓范圍 vs-： 0.3v 至-15v 輸入電壓范圍 vi：驅動器 0.3v 至 vcc0.3v 接收器 30v 輸出電壓范圍 vo：t1out，t2out vs-0.3v 至 vs+0.3v r1out，r2out 0.3v 至 vcc0.3v 短路持續時間：t1out，t2out 未限制 工作溫度（自然通風）范圍 ta：max232 0c 至 70c max232i 40c 至 85c 存儲溫度范圍 tstg 65c

34、 至 150c 引線溫度，離外殼 1.6mm(1/16 英寸)，10 秒 260c 強度超出所列的極限參數可能導致器件的永久性損壞。這些僅僅是極限參數，并 不意味著在極限參數件下或在任何其它超出推薦工作條件所示參數的情況下器件能有 效地工作。延長在極限參數條件下的工作時間會影響器件的可靠性。 在稱重系統中，在管腳 11 上加入+5v 電壓，經過反相器從管腳 14 輸出負壓，在 管腳 10 上加入 0v 電壓，經過反相器可從管腳 7 輸出正壓，經實際測量正負電壓值可 以達到8v，電流可達到8ma，基本滿足運算放大器所需的工作條件。max232 內部 邏輯如圖 3.3 所示。 圖 3.3 max2

35、32 內部邏輯圖 3.3 稱重傳感器部分設計 3.3.1 傳感器特性 稱重傳感器采用平衡雙臂梁應變式傳感器，主要由電橋電路產生差壓信號。傳感 器參數如表 3.1，平衡雙臂梁應變式傳感器外觀如圖 3.4 所示。 表表 3.1 傳感器參數表傳感器參數表 額定載荷10kg 額定輸出1.80.2mv/v 綜合誤差0.02% 輸出溫度影響0.002%/c 零點溫度影響0.002%/c 零點平衡0.02mv/v 輸入阻抗4005 輸出阻抗3502 絕緣阻抗5000m 安全過載率120% 極限過載率200% 工作溫度范圍-30 70c 推薦工作電壓5 12v(ac or dc) 最大工作電壓18v(ac o

36、r dc) 重復性、線性、滯后0.02% 溫補范圍-10 +50c 容許范圍-20 +60c 安全過載范圍150% 蠕變0.02%/30min 防護等級ip65 - (a) (b) 圖 3.4 平衡雙臂梁應變式傳感器外觀圖 3.3.2 傳感器內部結構原理 傳感器內部結構如圖 3.5 所示。 圖 3.5 傳感器內部結構原理圖 電橋接入電阻應變片時，即為應變橋，四個橋臂接入應變片連接成全臂橋。設電 橋各臂電阻均有增量，不平衡輸出電壓為 0= ( 1+ 1)(4+ 4)(2+ 2)( 3+ 3) (1 + 1+ 2+ 2)( 3+ 3+ 4+ 4) (3.1) 其中，u0為輸出信號電壓，u 為供電電

37、壓，ri為電阻變化值，ri為原電阻值。 等臂電橋 r1 = r2 = r3 = r4 = r，則有 0= (1 2 3+ 4)+ 14 23 (2 + 1+ 2)( 2 + 3+ 4) (3.2) 當 時，略去高階增量，得 0= 4( 1 1 2 2 3 3 + 4 4) = 4 (1 2 3+ 4) (3.3) 其中，i 為電阻應變。 差動全橋電路中，電橋輸出為 0= 4 (1 2 3+ 4) (3.4) 圖 3.6 稱重傳感器接口圖 在實際應用中，當應變片承受應變很大時，電阻的相對變化較大，電橋的輸出電 壓與應變不成正比例關系，就會產生非線性誤差，采用差動全橋電路可以消除非線性， 提高輸出

38、靈敏度，同時起到了溫度補償的作用。如圖 3.6 所示為傳感器接口，接口 2 和 接口 3 為電橋差動電壓輸出端。 3.4 信號放大部分設計 在測量系統中，通常被測物理量均通過傳感器轉換為電信號，然后進行放大。因 此，傳感器的輸出是放大器的信號源。然而，多數傳感器的等效電阻均不是常量，他 們隨所測物理量的變化而變化，這樣，對于放大器而言信號源內阻是變量。設為放 大輸出電壓，為輸入電壓，rs 為信號源內阻，ri 為放大器的輸入內阻，則有電壓放 大倍數的表達式 = + (3.5) 根據表達式(3.5)可知，放大器的放大能力將隨信號大小而變。為了保證放大器對不同 幅值信號具有穩定的放大倍數，就必須使得

39、放大器的輸入電阻 ri rs，ri 愈大，因信 號源內阻變化而引起的放大誤差就愈小。此外，從傳感器所獲得的信號常為差模小信 號，并含有較大共模部分，其數值又是遠大于差模信號。因此，要求放大器具有較強 的抑制共模信號的能力。綜上述說，儀表放大器出來具有足夠大的放大倍數外，還應 具有高輸入電阻和高共模抑制比。 本系統信號放大部分采用 lm324 構成儀表差分放大電路對傳感器產生的微弱信號 進行放大，達到 ad 轉換芯片能夠進行轉換的電壓范圍。 3.4.1 lm324基本特性 1、lm324 簡介 lm324 系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場 合的標準運算放大器相比，

40、它們有一些顯著優點。該四運算放大器可以工作在低到 3.0v 或者高到 32v 的電源下，靜態電流大致為 mc1741 的靜態電流的五分之一（對每 一個放大器而言） 。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部 偏置元件的必要性。輸出電壓范圍也可包含負電壓。 2、特點 寬增益帶寬：1.3mhz 低供給電流：375a 低補償電流：20na 低輸入補償電壓：5mv max 單電源工作范圍：+3v +30v 雙電源工作范圍：1.5v 15v 輸入共模電壓范圍擴展到地 短路保護輸出 真差動輸入級 每一封裝四個放大器 內部補償 行業標準引腳輸出 在輸入端的靜電放電鉗位增加可靠性而不影響器件

41、的工作 3.4.2 放大工作原理 圖 3.7 高阻抗差動放大器原理圖 圖 3.7 為高阻抗差動放大器原理圖，該放大器起到電壓放大作用，它是一個由運算 放大器 ic1、ic2 組成的高輸入阻抗差動放大電路，傳感器的輸出電壓加在 ic1、ic2 的同相輸入端，ic1、ic2 的兩個輸出端之間的電壓送至下一級。前置放大器的電壓放 大倍數可通過電位器 r2調整。 設 r1 = r5 ，r3 = r6 ，r4 = r7則 2 1= 2 21+ 2(2 1) (3.6) 即 (2 1)=(1 + 21 2)(2 1) (3.7) 所以輸出電壓 = 4 3(2 1)= 4 3(1 + 21 2)(2 1)

42、(3.8) 當時，中電流為零，輸出電壓。可見，電路放大差模信 1= 221= 2= 0 號，抑制共模信號。差模放大倍數數值愈大，共模抑制比愈高。當輸入信號中含有共 模噪聲時，也將被抑制。 3.5 ad 轉換部分設計 ad 部分采用 12 位高精度的 ad 轉換芯片 tlc2543，把稱重傳感器通過放大電路 放大的模擬信號轉換成單片機能識別的邏輯數字信號。 3.5.1 tlc2543基本特性 1、tlc2543 簡介 tlc2543 是 ti 公司的 12 位串行模數轉換器，采用 cmos 技術，使用開關電容逐 次逼近完成 a/d 轉換過程。由于是串行輸入結構，能節省 51 系列單片機 i/o

43、管腳資源， 且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應用。 tlc2543 與外圍電路的連線簡單，有三個輸入端，輸入/輸出時鐘（i/o clock） 、 地址輸入（address）和數據輸出（data out）和一個 3 態輸出端片選（cs） ，這 樣就和主處理器的串行口有一個直接的 4 線接口。這些器件可以從主機高速傳輸數據。 除了高速的轉換器和通用的控制能力外， 這些器件有一個片內的 14 通道多路器 可以選擇 11 個輸入中的任何 1 個或 3 個內部自測試（self-test）電壓中的一個。采樣 保持是自動的。在轉換結束時，轉換結束（eoc）輸出端變高以指示轉換的完成。這

44、些器件中的轉換器結合外部輸入的差分高阻抗的基準電壓，具有簡化比率轉換、刻度 以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點。開關電容的設計可以使在整個溫度 范圍內有較小的轉換誤差。 2、特點 12 位分辨率 a/d 轉換器 在工作溫度范圍內 10s 轉換時間 11 個模擬輸入通道 3 路內置自測試方式 固有的采樣與保持 線性誤差 1lsb max 轉換結束（end-of-conversion，eoc）輸出指示 具有單雙極性輸出 3、管腳說明 tlc2543 管腳說明如表 3.2 所示，管腳圖如圖 3.8 所示。 圖 3.8 tlc2543 管腳圖 地址位 在 i/o clock 的前 4 個上升沿

45、將 address 端呈現的下一個轉換周期的 4 位模擬 通道選擇位（msb 在前）輸入地址寄存器。這個地址選擇 14 個輸入（11 個模擬輸入 和 3 個內部測試電壓）中的 1 個。 模擬輸入和測試方式 11 個模擬輸入和 3 個內部測試電壓由 14 通道多路器按照輸入地址選擇。輸入多路 器是一種斷開先于接通式的多路開關，以減小由通道開關所引入的輸入與輸出間耦合 的噪聲。模擬輸入的采樣開始于第 4 個 i/o clock 的下降沿，而采樣一直持續 6 個 i/o clock 周期。采樣一直保持到第 10 個 i/o clock 的下降沿。3 個內部測試輸入 端被加到多路器，以與外部模擬輸入同

46、樣的方式采樣和轉換。 轉換器和模擬輸入端 在逐次逼近轉換系統中的 cmos 門限檢測器通過檢測在一系列二進制加權的電容 器上的電荷來決定每一位的值。在轉換過程的第一步，通過同時接通 sc 開關和所有的 st 開關對模擬輸入采樣。這樣使得所有電容器充電到輸入電壓。 表表 3.2 管腳說明管腳說明 名稱說明 a0a10 模擬輸入端。這 11 個模擬信號輸入由內部多路器選擇。驅動源的阻抗必須小 于或等于 1k gnd 地。gnd 是內部電路的地回路端。除另有說明外，所有電壓測量都相對于 gnd ref-負基準電壓端。基準電壓的低端（通常為地）被加到 ref- ref+正基準電壓端。基準電壓的正端（通

47、常為 vcc）被加到 ref+。最大的輸入電 壓范圍取決于加于本端與加于 ref-端的電壓差 cs 片選端。在 cs 端的一個由高至低變化將復位內部計數器并控制和使能 data out、address 和 i/o clock。一個由低至高的變化將在一個設置時 間內禁止 address 和 i/o clock data out 用于 a/d 轉換結果輸出的 3 態串行輸出端。data out 在 cs 為高時處于高 阻抗狀態，而當 cs 為低時處于激活狀態。cs 一旦有效，按照前一次轉換結果 的 msb 值將 data out 從高阻抗狀態轉變成相應的邏輯電平。 i/o clock 的 下一個下

48、降沿將根據 msb 的下一位將 data out 驅動成相應的邏輯電平，剩 下的各位依次移出，而 lsb 在 i/o clock 的第九個下降沿出現。在 i/o clock 的第十下降沿，data out 端被驅動為邏輯低電平，因此多于十個時鐘 時串行接口傳送的是一些“零” address 串行數據輸入端。一個 4 位的串行地址選擇下一個即將被轉換的所需的模擬 輸入或測試電壓。串行數據以 msb 為前導并在 i/o clock 的前 4 個上升沿被 移入。在 4 個地址位被讀入地址寄存器后，這個輸入端對后續的信號無效 i/o clock 輸入/輸出時鐘端。i/o clock 接收串行輸入并完成

49、四個功能： 1.在 i/o clock 的前 4 個上升沿，它將 4 個輸入地址位鍵入地址寄存器。在第 4 個上升沿之后多路器地址有效 2.在 i/o clock 的第 4 個下降沿，在選定的多路器輸入端上的模擬輸入電壓開 始向電容器充電并繼續到 i/o clock 的第十個下降沿 3.它將前一次轉換的數據的其余 9 位移出 data out 端 4.在 i/o clock 的第十個下降沿它將轉換的控制信號傳送到內部的狀態控制器 eoc 轉換結束端。在第十個 i/o clock 該輸出端從邏輯高電平變為低電平并保持 低直到轉換完成及數據準備傳輸 vcc正電源端 在轉換過程的第二步，所有 st

50、和 sc 開關被斷開并且門限檢測器開始通過辨認每 個電容器上相對于基準（ref）電壓的電荷（電壓）來確定每一位的值。在開關系列 中， 10 個電容器分別被檢測直到所有 10 位被確認，以后轉換過程又重復進行。在辨 認第一個電容上的電壓時，門限檢測器檢查第一個電容（權重=1024） 。這個電容的節 點 1024 被切換到 ref+電壓，而在這個多級連接中的所有其它電容器的相同節點被切 換到 ref-。當在總和節點上的電壓大于門限檢測器的跳變點（近似 1/2vcc）時，位 0 被送入輸出寄存器，并且這個 1024 權重的電容器被切換到 ref-。當在總和節點上的 電壓小于門限檢測器的跳變點時，位

51、1 被送入寄存器，并且這個 1024 權重的電容器保 持與 ref+的連接參與逐次逼近過程的后面幾步。這個過程對 512 權重的電容器、256 權重的電容器以及沿線的其它電容依次檢測直到所有位都被確定。對逐次逼近過程的 每一步，初始的電荷在電容器間被重新分配。這個轉換過程依靠電荷的重新分配來決 定從 msb 到 lsb 各位。 片選（cs）的工作 cs 的后沿啟動所有的工作方式， 并且 cs 能在任何方式下中止一次轉換序列。 在一個正在進行的周期中，cs 從高到低的一次跳變在規定的時間內中止該周期，若使 器件返回到初始狀態（輸出數據寄存器的內容仍保留前次轉換的結果） 。必須注意避免 靠近在轉換

52、結束時使 cs 變低，因為這樣輸出數據會受到干擾。 基準電壓輸入 本器件有兩個基準電壓輸入：ref+和 ref-。這些電壓值建立了模擬輸入電壓的 高端和低端極限以相應地產生滿度和零度讀數。ref+、ref-以及模擬輸入必須不超過 正電源或低于 gnd。當輸入信號等于或高于 ref+時，數字輸出為滿度；當輸入信號 等于或低于 ref-時，數字輸出為零。 3.5.2 基本工作過程 芯片在不同模式下工作時，所需的時鐘模式不同，其時鐘時序如圖 3.9 和圖 3.10 所示。 一開始，片選（cs）為高，i/o clock 和 address 被禁止以及 data out 為 高阻抗狀態。當串行接口使 c

53、s 變低開始轉換過程，i/o clock 和 address 使能， 并使 data out 端脫離高阻抗狀態。然后，串口向 address 端提供 4 位通道地址， 同時 i/o 時鐘序列輸入 i/o clcok。在這時，串口也從 data out 端接收前一次轉換 的結果。i/o clock 端從主串行接口接收一個 10 至 16 個時鐘長的輸入時鐘序列。前 4 個 i/o 時鐘用 4 位地址從 address 端裝載地址寄存器，選擇所需的模擬通道，以后 6 個時鐘對模擬輸入的采樣提供控制時序。 圖 3.9 使用 cs 時，11 至 16 時鐘傳送時序圖（串行傳送短于轉換時間） 圖 3.1

54、0 不使用 cs 時，16 時鐘傳送時序圖（串行傳送短于轉換時間） 從時序圖可以看出，在 tlc2543 的片選（cs）變低時開始轉換和數據傳送，cpu 將通道選擇、數據長度選擇、前導選擇、單雙極性選擇的控制信息送入 data input 腳的同時，還從 data out 腳讀出 ad 轉換的結果。因此本次讀出的 ad 轉換結果是 上一次操作 tlc2543 所選擇的通道對應的數據。通道選擇、數據長度選擇、前導選擇、 單雙極性選擇這四項的設置數據共 8 位，i/o clock 的前 8 個上升沿將這 8 位的工作 模式設置數據從 data input 輸入數據存儲器，如果工作在 12 或 16

55、 時鐘周期模式， 則后 4 位或 8 位的 data input 數據沒意義，可任意給出，這 4 或 8 位時鐘只是為了 補齊 12 或 16 個時鐘，使 12 位的 ad 轉換結果同步輸出。使用 16 時鐘時，讀出 ad 數據為 16 位，因為有效數據只有 10 位，應根據程序屏蔽高或低 4 位。在 i/o clock 上升沿時數據變化。即 i/o clock 低電平時將要寫入 data input 的數據準備好， 當 i/o clock 高電平時讀出 data out 的數據。當 cs 為高時，i/o clock 和 data input 被禁止，data out 位高阻態，不能操作。 圖

56、 3.11 為 tlc2543 與單片機的接口電路圖。 圖 3.11 tlc2543 接口圖 3.6 顯示部分設計 顯示部分采用大屏幕的液晶屏 12864，用戶界面友好，單價、重量、總金額和物品 類別等多項數據值可以很直觀地進行顯示。顯示屏 12864 可以根據光線的情況選擇背 光的亮滅來進行節能，如圖 3.12 所示，lcd-light 是屏幕背光的開關，12864led 是 背光的工作指示燈。 圖 3.12 12864lcd 接口圖 1、12864lcd 簡介 12864 液晶顯示模塊是 12864 點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖 形，內置國標 gb2312 碼簡體中文字庫（

57、1616 點陣） 、128 個字符（816 點陣）及 64256 點陣顯示 ram（gdram） 。可與 cpu 直接接口，提供兩種界面來連接微處理 機：8-位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標顯示、畫面移位、睡眠模式 等。利用該模塊靈活的接口方式和簡單方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形 界面。可以顯示 84 行 1616 點陣的漢字，也可完成圖形顯示，具體漢字顯示坐標如 表 3.3。 表表 3.3 漢字顯示坐標漢字顯示坐標 x 坐標 line180h81h82h83h84h85h86h87h line290h91h92h93h94h95h96h97h line388h89h8a

58、h8bh8ch8dh8eh8fh line498h99h9ah9bh9ch9dh9eh9fh 2、基本特性 低電源電壓（vdd：+3.0 v +5.5v） 顯示分辨率：12864 點 內置漢字字庫，提供 8192 個 1616 點陣漢字（簡繁體可選） 內置 128 個 168 點陣字符 1/65 占空比，1/9 偏壓比 單電源供電對比度編程可調 2mhz 時鐘頻率 顯示方式：stn、半透、正顯、反轉 驅動方式：1/32duty、1/5bias 視角方向：6 點 背光方式：側部高亮白色 led，功耗僅為普通 led 的 1/5 1/10 通訊方式：串行、并口可選 內置 dc-dc 轉換電路，無需

59、外加負壓 無需片選信號，簡化軟件設計 工作溫度：0c +55c，存儲溫度：20c +60c 3、讀寫時序圖： 圖 3.13 8 位并行總線模式數據傳輸時序圖 圖 3.14 4 位并行總線模式數據傳輸時序圖 圖 3.15 串行連接時序圖 圖 3.16 mpu 寫資料到模塊 圖 3.17 mpu 從模塊讀出資料 4、管腳功能說明 管腳說明見表 3.4。 表表 3.4 管腳功能描述管腳功能描述 管腳號管腳名稱電平管腳功能描述 1vss0v電源地 2vcc3.0 5.5v電源正 3v0h/l對比度（亮度）調節 4rs(cs)h/l rs=“h”，表示 db7db0 為顯示數據 rs=“l”，表示 db

60、7db0 為顯示指令數據 5r/w(std)h/l r/w=“h”，e=“h”，數據被讀到 db7db0 r/w=“l”，e=“hl”，db7db0 的數據被寫到 ir 或 dr 6e(sclk)h/l使能信號 714db0db7h/l三態數據線 15psbh/l h：8 位或 4 位并口方式 l：串口方式 16nc-空腳 17h/l復位端，低電平有效（見注釋 2） 18nc-空腳 19ledavdd背光源正端（+5v） （見注釋 3） 20ledkvss背光源負端（0v） （見注釋 3） 5、控制器接口信號說明 rs、r/w 的配合選擇決定控制界面的 4 種模式，見表 3.5；e 信號的狀態