单片机简易电子秤设计报告

ID:137190 · 发表于 2016-9-24 15:51

2016年TI杯大学生电子设计竞赛

赛题（G题）：简易电子秤

摘要

本系统以STC12C5A32S2为主控芯片，设计了全桥电路、OP07运算放大电路、单片机最小系统电路及数码管显示电路和键盘。采集并显示测量结果功能：通过运算放大电路放对从全桥电路采集到的电压进行放大，再经过STC12C5A32S2自带的A/D转换电路送到单片机进行处理，单片机处理完后，把数字信号输送到显示电路，由显示电路输出测量结果。键盘输入及显示功能：进入单片机外中断，并对P3.3,P3.4.P3.5的高低电平进行扫描，进行相应的程序操作，并用数码管显示出来。

本设计硬件电路结构与程序简单，灵敏度高，能实现对0~500g物品质量的测量，且可以手动输入物品的单价，计算出所花费的金额。

关键字：桥式传感器差分运算放大电路 STC12C5A32S2

方案的论证和选择.........................................3

1.1方案的选择............................................3

1.2总体设计思想..........................................3

二、理论分析与计算...........................................4

2.1桥式称重传感器电路的灵敏度分析........................4

2.2 OP07差分放大电路的分析...............................4

三、电路与程序设计...........................................4

3.1全桥电路..............................................4

3.2 OP07差分放大电路.....................................4

3.3键盘电路..............................................5

3.4单片机STC12C5A32S2处理系统...........................5

3.4.1系统主函数.......................................5

3.4.2 A/D数据采集子函数...............................6

3.4.3 键盘输入扫描函数.................................6

3.4.4 数码管显示子函数.................................6

四、测试方案与测试结果.......................................6

五、总结和体会...............................................6

六、参考文献.................................................7

一、方案选择与论证

1.1方案选择与论证

方案一：差动半桥测量电路，三运放大电路，ADC0809A/D转换电路，LED显示电路，4X4按键电路。

方案二：差动全桥测量电路，OP07放大电路，单片机自带A/D转换电路，LED显示电路，按键电路由3个拨码开关与1个四脚轻触开关组成。

综上所示，与方案一相比，方案二的灵敏度更高，电路结构简单，且编程也简单，我们争取用最简单的设计实现大赛要求的功能，故选择方案二为系统基本方案。

1.2总体设计思想

主要以单片机STC12C5A32S2为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。系统主要可以分为单片机最小系统、数据采集、人机交互界面部分。最小系统部分主要包括STC12C5A32S2和经典复位电路；数据采集部分由差动全桥电路、信号放大和A/D转换部分组成，信号放大由OP07的差分运算放大电路构成，A/D转换部分主要由单片机内部自带的A/D转换器构成；人机交互界面为键盘输入和数码管显示，可以方便的输入数据和直观的显示数据。总体设计框图如图1。

图1

二、理论分析与计算

2.1桥式称重传感器电路的灵敏度分析

我们所用的电阻应变片是组委会要求的电阻应变片，一个桥臂工作时电路灵敏度为KE/4；两个桥臂工作时电路灵敏度为KE/2;四个桥臂工作时电路灵敏度为KE。其中四个桥臂的电路线性程度更高，为了精确测量，我们选择全桥电路。

2.2 OP07差分放大电路的分析

由于检测到的电压信号只有几毫伏，而单片机I/O口输入电压也不应太高，所以我们所用的放大电路的放大倍数为56倍，根据UO=-Rf(U1-U2)/R,我们取R=1千欧，Rf=56千欧。

三、电路与程序设计

3.1全桥电路

应变式传感器常用的测量电路有单臂电桥、差动半桥和差动全桥，其中差动全桥的灵敏度是单臂电桥的4倍，且能消除电桥的非线性误差，并可消除温度误差等共模干扰，故本设计采用4片应变片组成差动全桥，如图2所示。桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片。电桥的一个对角线位接入工作电压VCC，另一个对角线位输出电压V0。

图2

3.2 OP07差分放大电路

OP07差分放大电路将输入信号放大56倍后输入到单片机的A/D转换电路。如图3。

图3

3.3键盘电路

键盘电路由3个拨码开关和1个按键开关构成，此种接法使得实现输入单价的功能的编程简单化，如图4所示。

图4

3.4 单片机STC12C5A32S2处理系统

本设计采用STC12C5A32S2为主控芯片，用软件进行调零和定标，即只需对程序进行修改。对比在AD转换电路外加调理电路来说，用软件调零方便，清晰，可以简化整个设计。

系统主函数

在系统通电后，主程序首先完成系统初始化，其中包括系统变量定义和给系统变量赋初值等，然后调用A/D采集函数，将A/D采集模块输出的8位二进制串行数据转化为十进制，接着进行调零和定标，最后分离出四位十进制数的千位、百位、十位和个位，调用数码管显示函数，将对应的数值送到对应的数码管上进行显示。系统主函数流程图如图5所示。

图5

A/D数据采集子函数

A/D数据采集程序主要是采集经运算放大电路放大后的桥式传感器输出信号，然后单片机对此信号进行处理。

键盘输入扫描函数

手动调节3个拨码开关，按下按键开关后，进入外中断，然后通过判断不同的拨码开关组合，执行相应的程序，以实现设置单价等功能。

（4）数码管显示子函数

数码管显示程序用LED动态显示数据信息，依次扫描千位、百位、十位和个位，在延时程序中对延时时间的设置要到位，本设计中千位位选、百位位选、十位位选的延时时间为1ms。如果延时时间太长，因为视觉的暂留效果，会观察到四位数码管是从左到右依次地显示，而不是同时显示，如果设置的太短，数码管亮度会变暗，不便于观察实验现象，程序中没有对个位数据延时，因为个位位选打开以后，没有立即关闭，接着执行数码管显示程序，起到了一定的演示效果。

测试方案与测试结果

系统硬件的调试，首先检查电路的焊接是否正确，用万用表检测电路板是否存在短路或者断路。经检测后再接上电源，用万用表测量电源部分的各个输出电压值，经调试正常后方可接到各部分电路。将单片机复位，调用数码管显示子函数显示1234，显示无误后，接上全桥电路和放大电路，将全部程序烧到芯片中，观察数码管上是否显示0000.如果没有显示，即进行软件调零工作，待调零完成后，用手给传感器慢慢施加压力，看数码管上的数值是否也随着增大，当放手后，看数码管的数值是否回到0000附近。

在软件设计中，如果没有加入清零程序，当没有砝码放在传感器上时，数码管显示初值为130，接着依次放上10g,20g,40g,50g......，记下数码管的示数，再通过MATLAB进行绘图，得出数码管的显示值和砝码值呈线性关系，未定标时的线性测试曲线如图6所示。

图6

此时用最小二乘法进行拟合，求出k=1.463,b=104.04。接着在软件设计中加入清零程序，定标过程就完成了，定标后的校验曲线如图7所示。

图7

从实验测试数据可以看出最大偏差为1g。由于所采用的传感器灵敏度很高，如果传感器在水平方向固定的不是很好，会存在一定的误差，另外传感器的引线也很灵敏，稍微触动一下，也会产生误差。

总结与体会

通过这几天的比赛，我们觉得比比赛更重要的是参与其中。我们在竞赛的过程中遇到了很多问题，我们一度沮丧万分，但是我们坚持了下来，最终完成了作品的制作。在这过程中也对自己有了重新的认识，了解到了自己的不足之处，也意识到了团队合作的重要性。四天的比赛对我们来说是非常难得的人生体验：熬夜调硬件，通宵写程序，白天吃泡面，晚上睡实验室，解决一个问题，遇到另一个问题……这段经历，必将成为我们今后学习生活中一笔宝贵的财富。