基于CS5550的电子计价秤设计.docx

1、 专业 课程设计 题目 ： 基于 CS5550的电子计价秤 设计 学 院： 信息科学与工程学院 专 业 班 级： 测控技术与仪器 1102 班 学 号： 110401233 学 生 姓 名： 李宁 指 导 教 师： 傅元 设 计 时 间 ： 2014.12.08 2014.12.26 课程设计任务书 1 目录 第一 章 .摘要 2 第二章 .系统方案论证与选型 3 1.控制部分 3 2.数据采集 4 3.传感器的选择 4 4.放大电路选择 5 5.A/D 转换器的选择 7 6.键盘 处理部分方案论证 8 7.显示部分电路的选择 8 8.超量程报警部分电路的选择 9 第三章 .硬件电路设计 10

2、 1.ATMEGA16 的最小系统电路 10 2.数据采集部分电路设计 13 3.A/D 转换与单片机接口部分设计 14 4.显示电路与单片机接口设计 15 5.键盘电路与单片机接口电路设计 17 6.报警电路的设计 19 第 四 章 .总结 20 参考文献 21 附录 1 22 课题设计 2 第一章 摘要 随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子称重的控制系统中。本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及 A/D 转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、性能

3、价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。 本系统以 ATMEGA16 单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、报警电路、键盘电路等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重 系统的称重功能、报警功能、数据计算功能以及人机交换功能。可以说 ,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。 关键词 :CS5550， CZAF-602 压力传感器 ， ATMEGA16 单片机 ， A/D 转换器， LCD显示器 . 本课题的主要设计思路是：利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信

4、号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。 在设计期间，本人努力查阅相关资料，对称重的基本原理以及各软件、硬件模块做了认真的分析、研究。根据性能成本考虑，做了仔细的分析研究，主要有：系统模块的划分、 A/D 精度的考虑、单片机与外围模块的接口电路以及电子秤应用程序的实现等。 课题设计 3 第 二 章 系统方案论证与选型 按照本设计功能的要求，本设计大致可分为五个模块：数据采集模块、信号放大模块、模数转换模块、单片机控制模块、人机交换模块。（其中人机交换模块中包括 :声光报警、 LCD 显示、键盘输入）系统设计总体方

5、案框图如图 2-1 所示。 设计思路框图 图 2.1 测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送 A/D 转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自 A/D 转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展 I/O 的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。 2.1 控制器部分 本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器 ,而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将

6、计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。再则由于系统没有其它高标准的要求，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带 EPROM 的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。 INTEL公司的 8051 和 8751 都可使用，在这里选用 ATMEGA16 系列单片机。 ATMEGA16 系列与 MCS-51 相比有两大优势：第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加

7、方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。此外价格课题设计 4 低廉、性能比较稳定的 MCPU，具有 8K 8ROM、 256 8RAM、 3 个 16 位定时计数器、 4个 8位 I/O 接口。这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。 最后我们最终选择了 ATMEGA16 这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。ATMEGA16 内部带有 8KB 的程序存储器，基本上已经能够满 足我们的需要。 2.2 数据采集部分 电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、信号放大电路和 A/D 转换电路，因此对于这部分的论证主要分三方面。 2.3 传感器的选择 在设计中 ,传感器是一

8、个十分重要的元件 ,因此对传感器的选择也显的特别的重要 ,不仅要注意其量程和参数 ,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比等等 .传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和 寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。 为保证电子秤称

9、量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。在实际工作中，要求称重传感器的有效量程在 20% 80%之间，线性好，精度高。重量误差应控制在 0.01Kg，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以我们确定传感器的额定载荷为 5Kg，允许过载为 150%F.S，精度为 0.05%，最大量程时误差 0.01kg。可以满足本系统的精度要求 . 使用特别注意：传感器属于精密部件，剧烈振动、自由 落体、碰撞、过载、过压等等，都非常容易造成传感器永久损坏或者影响精度和线性。传感器是测量机构最重要的部件，目前常用的有电阻应变式压力传感器和电容式压力传感器、压电式压力传感器。选用是

10、应按着稳定性、精度等级、灵敏度、寿命和安装环境依次作为优先考虑。现比较如下： 1.电容式压力传感器稳定性较差，精度和灵敏度高，寿命较短，对环境要求苛刻，不易长距离传输。 2.压电式压力传感器稳定性好，精度和灵敏度高，寿命长，但大量程的压力传感器有待进一步研究。 3.电阻应变式压力传感器稳定性好，精度和灵敏度较高，寿命较长， 对测量环境要求不太严格。 电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到课题设计 5 拉伸或压缩应变片变形后，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

11、后续电路测量和处理。 综合考虑 ,本设计要实现的电子秤的是绝对压力值，同时为了简化电路，提高稳定性和抗干扰能力，要求使用具有温度补偿能力的电阻应变式压力传感器。本设计选用 CZAF-602 压力传感器，其最大量程为 5 Kg， CZAF-602 压力传感器的接 线图如下： 图 2.2 注释： 黑 S-红 S+激励电压输入端 (简称输入端 ) 绿 +白 -GND重量毫伏信号输出端 (简称输出端 ) CZAF-602 压力传感器参数如下表： 传感器参数 项目 参数 项目 参数 综合误差： 0.02%F.S 绝缘电阻 : 5000M (100VDC) 非线性 : 0.01%F.S 温度补偿范围 :

12、-10 +40 滞后 : 0.02%F.S 激励电压 : 3VDC12VDC 重要性 : 0.01%F.S 使用温度范围 : -20 +60 零点输出 : 1%F.S 零点温度影响 : 0.01%F.S 输入阻抗 : 1000 10 灵敏度温度影响 : 0.02%F.S 输出阻抗 : 1000 5 安全过载范围 : 120% 灵敏度 : 1 0.1mV/V 极限过载范围 : 150% 蠕变 : 0.02%F.S 防护等级 : IP66 2.4 放大电路选择 称重传感器输出电压振幅范围 0 2mV。而 A/D转换的输入电压要求为 0 2V，因此放大环节要有 1000 倍左右的增益。对放大环节的要

13、求是增益可调的（ 7001500 倍），根据本设计的实际情况增益设为 1000 倍即可，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。按照输入电压 2mV，分辨率 20000码的情况，漂移要小于 1V。由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（ 1V），从而保证了放大环节对零点课题设计 6 漂移的要求。残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。 由称重传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械 应变转换成 R/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值 120，灵敏系数 K=2，弹性体在额定载荷作

14、用下产生的应变为 1000，应变电阻相对变化量为： R/R =K =2 1000 10 6 =0.002（ 1-1） 由式 1-1 可以看出电阻变化只有 0.24，其电阻变化率只有 0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的 R/R 变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被 A/D 转换芯片接收的信号。在前级处理电路部分，我们考虑可以采用以下几种方案： 方案一、主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路； 差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利

15、用普通运放 (如 LM324)做成一个差动放大器。其设计电路如下 图 2.3 方案（二）：采用专用仪表放大器，如： INA126， INA121 等构成前级处理电路。下面举例用 INA128 仪用仪表放大器来实现。 一般说来，集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器。然而，绝大多数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。而集成化仪器放大器作为心电前置放大器时，由于极化电压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很

16、高。有学者试图在前置放大器的输入端加上隔直电容（高通网络）来避免极化电压使高增益的前置放大器进入饱和状课题设计 7 态，但由于信号源的内阻高， 且两输入端不平衡，隔直电容（高通网络）使等共模干扰转变为差模干扰，结果适得其反，严重地损害了放大器的性能。 为了实现信号的放大，设计电路如下： 图 2.4 1）前级采用运放 A1 和 A2 组成并联型差动放大器。理论上不难证明，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。更值得一提的是，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。 2）阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器

17、和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可为后级仪 器放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称（匹配）导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。 3）后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。 从理论上计算整个电路的共模抑制比为： 212121221121lg201CMRACMRRCMRACMRAAAAACMRCMRCMRdTotaldd CdcdT 或 (1-2)式中： To

18、talCMR 或 TotalCMRR放大器的总共模抑制比； 1CMR第一级放大器的共模抑制比； 2CMR 或 2CMRR第二级放大器的共模抑制比； dA1、cA1、 dA2 和 cA2分别为第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。 由以上分析以及基于电子秤的要求精确度不是很高，所以采取方案一，选择由普通放大器所组成的差动放大器作为本设计的信号 2.5 A/D 转换器的选择 A/D 转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。目前，世界上有多种类型的 ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型 ADC，课题设计 8 也有近年来新发展起来的 -型和流水线型 ADC，多

19、种类型的 ADC 各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。 根据系统的精度要求以及综合的分析其优点和缺点，本设计采用了 12位 A/D转换器 CS5550。 CS5550 是 Cirrus Logic 公司推出的一款双通道低成本 -型A/D 转换器，内部集成有 2 个 - A/D 转换器、 2个放大器、 1 个串行接口以及 1个温漂为 25 ppm/的 2.5 V 参考电压源。 CS5550 在两个通道上都具有24位寄存器，其中通道 1具有 13 位有效位，通道 2 具有 10 位有效位。 2.6 键盘处理部分方案论证 由于电子秤需要设置单价（十个数字键，一个小数点），总共需设置 13 个键（

20、包括一个清除键和一个确认键）。 本设计采用矩阵式键盘：矩阵式键盘的特点是把检测线分成两组，一组为行线，一组列线，按键放在行线和列线的交叉点上。图 2-5 给出了一个 4 4 的矩阵键盘结构的键盘接口电路，图中的每一个按键都通过不同的行线和列线与主机相连这。 4 4矩阵式键盘共可以安装 16个 键，但只需要 8条测试线。当键盘的数量大于 8 时，一般都采用矩阵式键盘。结合本设计的实际要求，采用 4 4 矩阵式键盘。 图 2.5 2.7 显示电路部分的选 择 数据显示是电子秤的一项重要功能，是人机交换的主要组成部分，它可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。数据显示部分可以有以下

21、两种方案供选择。显示的组成有以下两种方案可供选择：一是 LED 数码管显示 ,二是 LCD 液晶显示两种选择。 LCD 液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表到计算器，从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器。本设计采用的是 HJ12864ZW 液晶显示。 课题设计 9 2.8 超量程报警部分选择 智能仪器一般都具有报警功能，报警主要用于系统运行出错、当测量的数据超过仪表量程或者是超过用户设置的上下限时为提醒用户而设置。在本系统中，设置报警的目的就是在超出电子秤测量范围以及总价不能正常显示时，发出声光报警信号，防止损坏仪器。 超限报警电路是由单片机的 I/O 口来控制的，当称重物体重量超过系统设计所允许的重量，通过程序使单片机的 I/O 值为低电平，从而三极管导通，使蜂鸣器 SPEAKER 发出报警声，同时使连接报警灯的 I/O 置为低电平，则发光二极管导通，二极管发光。在设计过程中一定得注意发光二极管的极性，否则 ，发光二级管是不会正常发光。