AT89C51 体 重 称 电 路 图 原 理 本 文 设 计 一 种 利 用 电 阻 应 变 式 压 力 传 感 器 和 MCS-51 单 片 机 等 器 件 制 作 的 体 重 秤 该 体 重 秤 的 量 程 为 100kg, 能 实 现 称 重 数 码 显 示 调 零 等 功 能 该 体 重 秤 利 用 电 桥 测 量 原 理, 将 压 力 应 变 传 感 器 阻 值 转 换 为 电 压 值, 再 经 过 放 大 器 将 电 压 放 大, 通 过 确 定 输 出 电 压 和 标 准 重 量 的 关 系, 形 成 一 台 原 始 体 重 秤 将 此 输 出 电 压 经 过 模 数 转 换, 送 入 MCS-51 单 片 机 处 理, 再 控 制 数 码 管 驱 动 电 路, 最 后 显 示 出 测 量 结 果 1 总 体 方 案 设 计 本 设 计 由 以 下 几 部 分 组 成 : 电 阻 应 变 传 感 器 信 号 放 大 器 模 数 转 换 单 片 机 显 示 器 传 感 器 获 取 信 号 信 号 放 大 模 数 转 换 微 处 理 器 处 理 即 时 显 示 由 电 阻 应 变 式 传 感 器 感 受 被 测 物 体 的 质 量, 通 过 电 桥 输 出 电 压 信 号, 通 过 放 大 电 路 将 输 出 信 号 放 大, 而 后 送 入 A/D 转 换 单 元 进 行 模 数 转 换, 将 转 换 后 的 数 字 信 号 送 给 单 片 机 ; 单 片 机 接 收 数 据 后, 对 数 据 进 行 处 理, 将 其 转 换 为 对 应 的 重 量 信 息, 送 数 码 显 示 模 块 进 行 显 示 单 片 机 同 时 也 可 以 进 行 调 零 操 作 2 硬 件 电 路 设 计 2.1 电 阻 应 变 传 感 器 传 感 器 框 图 :
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 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 电 阻 应 变 片 产 生 的 误 差, 主 要 来 源 于 温 度 的 影 响, 本 设 计 主 要 在 实 验 室 内 进 行, 温 度 的 影 响 暂 不 处 理 在 电 桥 测 量 电 路 中, 将 一 对 变 化 相 反 的 应 变 片 接 入 电 桥 一 臂, 另 一 臂 接 两 个 相 同 的 阻 值 作 为 基 准 值 ; 假 设 桥 臂 电 阻 初 始 值 R1=R2=R3=R4=350 时 平 衡, 其 变 化 值 为 ΔR1=ΔR2 = Δ R3 = Δ R4=d 时, 其 桥 路 输 出 电 压 Uout 与 d 成 正 比 2.2 输 入 调 零 电 路 调 零 电 路 用 以 抵 消 传 感 器 的 零 点 输 出 和 称 体 本 身 的 自 重 引 起 的 传 感 器 输 出 信 号 它 是 由 高 稳 定 的 电 阻 多 圈 线 绕 电 位 器 和 直 流 稳 压 源 组 成 的 电 桥 电 路 图 ( 下 图 ), 称 为 调 零 电 桥 将 调 零 电 桥 串 接 在 传 感 器 输 出 和 放 大 器 之 间, 通 过 调 节 调 零 电 桥 内 的 可 变 电 位 器 RV1, 改 变 桥 路 不 平 衡 输 出 电 压 u02, 使 之 与 传 感 器 空 载 输 出 电 压 u01 大 小 相 等, 极 性 相 反 这 样 就 可 以 使 电 子 称 在 空 载 时 总 的 输 出 电 压 u0 为 零 到 放 u 01 u 02 大 环 节 u0 RV1 调 零 范 围 的 计 算 : 供 桥 电 压 为 12V RV1 的 滑 动 臂 在 极 端 位 置 时, 其 输 出 电 压 为 uw1, uw1=12v/(r5+r6)=12 (±5)/(10+10+10)=±2V 调 零 电 桥 的 输 出 为 u02, u02= uw1r1/[r5//(r6+rv1)+r7+r1]=±18.6mv
2.3 放 大 环 节 所 选 的 称 重 传 感 器 输 出 灵 敏 度 为 2mv, 输 入 电 桥 电 压 为 12V, 因 此 传 感 器 输 出 的 摆 幅 约 为 0~24mV 而 A/D 转 换 的 输 入 电 压 要 求 为 0~5V, 因 此 放 大 环 节 要 有 200 倍 左 右 的 增 益 放 大 环 节 如 下 : 接 传 感 器 接 A/D 转 换 反 相 器 传 感 器 满 额 输 出 时 的 电 压 为 24mv, 放 大 204 倍 后 输 入 到 A/D 转 换 模 块 的 模 拟 量 为 4.896V, 用 10 位 A/D 时 对 应 输 出 的 数 字 量 为 4.896/5 *1023=1001, 即 输 出 100.1kg, 误 差 0.1% 2.4 A/D 转 换 设 计 要 求 四 位 数 码 管 显 示, 精 度 为 0.1kg, 因 此 转 换 分 辨 率 为 1/1000 这 里 采 用 10 位 模 数 转 换 芯 片 AD7810 AD7810 是 美 国 模 拟 器 件 公 司 (Analog Devices) 生 产 的 一 种 低 功 耗 10 位 高 速 串 行 A/D 转 换 器 该 产 品 有 8 脚 DIP 和 SOIC 两 种 封 装 形 式, 并 带 有 内 部 时 钟 它 的 外 围 接 线 极 其 简 单,AD7810 的 转 换 时 间 为 2μs, 采 用 标 准 SPI 同 步 串 行 接 口 输 出 和 单 一 电 源 (2.7V~5.5V) 供 电 在 自 动 低 功 耗 模 式 下, 该 器 件 在 转 换 吞 吐 率 为 1kSPS 时 的 功 耗 仅 为 27μW, 因 此 特 点 适 合 于 便 携 式 仪 表 及 各 种 电 池 供 电 的 应 用 场 合 使 用 1 AD7810 引 脚 功 能 AD7810 引 脚 排 列 如 图 1 所 示, 各 引 脚 的 功 能 如 下 : 1 脚 CONVST: 转 换 启 动 输 入 信 号 2 脚 VIN+: 模 拟 信 号 同 相 输 入 端 3 脚 VIN-: 模 拟 信 号 反 相 输 入 端 4 脚 GND: 接 地 端 口 5 脚 VREF: 转 换 参 考 电 压 输 入 端 6 脚 DOUT: 串 行 数 据 输 出 端 7 脚 SCLK: 时 钟 输 入 端 8 脚 VDD: 电 源 端
2 AD7810 主 要 参 数 AD7810 的 主 要 参 数 如 下 : 分 辨 率 :10 位 二 进 制 ; 转 换 时 间 :2μs; 非 线 性 误 差 :±1LSB; 电 源 电 压 范 围 :2.7~5.5V; 电 源 功 耗 : 高 速 方 式 时 为 17.5mW, 低 功 耗 方 式 时 为 5μW; 参 考 电 压 VEFR 范 围 :1.2V~VDD; 模 拟 电 压 输 入 范 围 :0V~VREF; 输 出 形 式 :SPI 同 步 串 行 输 出, 与 TTL 电 平 兼 容 3 AD7810 的 工 作 模 式 3.1 高 速 模 式 工 图 2 是 AD7810 工 作 在 高 速 模 式 时 的 时 序 图 在 此 模 式 下, 启 动 信 号 CONVST 一 般 处 于 高 电 平 在 CONVST 端 输 入 一 个 负 脉 冲, 其 下 降 沿 将 启 动 一 次 转 换 若 采 用 内 部 时 钟, 那 么, 转 换 需 要 2μs 的 时 间 ( 图 中 t1) 当 转 换 结 束 时 ( 图 中 A 点 ),AD7810 会 自 动 将 转 换 结 果 锁 存 到 输 出 移 位 寄 存 器 中 此 后, 在 每 一 个 SCLK 脉 冲 的 上 升 沿, 数 据 按 由 高 到 低 的 原 则 ( 首 先 发 送 DB9, 最 后 发 送 DB0) 依 次 出 现 在 DOUT 上 如 果 在 转 换 还 未 结 束 之 前 就 发 出 SCLK 信 号 来 启 动 数 据 输 出, 那 么, 在 DOUT 上 出 现 的 将 是 上 一 次 转 换 的 结 果 启 动 信 号 CONVST 应 在 转 换 结 束 前 变 为 高 电 平, 即 t3 应 小 于 t1, 否 则 器 件 将 自 动 进 入 低 功 耗 模 式 另 外, 串 行 时 钟 SCLK 的 最 高 频 率 不 能 超 过 20MHz 3.2 自 动 低 功 耗 模 式 图 3 是 AD7810 工 作 在 自 动 低 功 耗 模 式 时 的 时 序 图 在 此 模 式 下, 启 动 信 号 CONVST 为 低 电 平 时, 器 件 处 于 低 功 耗 休 眠 状 态 当 在 CONVST 端 输 入 一 个 正 脉 冲 时, 可 在 其 上 升 沿 将 器 件 从 休 眠 状 态 唤 醒, 唤 醒 过 程 需 要 1μs 的 时 间 ( 图 中 t2) 当 器 件 被 唤 醒 后, 系 统 将 自 动 启 动 一 次 转 换, 转 换 时 间 也 是 2μs( 图 中 t1) 转 换 结 束 时,AD7810 将 转 换 结 果 锁 存 到 输 出 移 位 寄 存 器 中, 同 时 自 动 将 器 件 再 一 次 置 于 低 拉 耗 状 态 启 动 信 号 CONVST 正 脉 冲
的 宽 度 ( 图 2 中 t3) 应 小 于 1μs, 否 则 器 件 被 唤 醒 后 将 不 会 自 动 启 动 转 换, 而 是 将 A/D 转 换 的 启 动 时 间 顺 延 至 CONVST 的 下 降 沿 处 自 动 低 功 耗 模 式 是 AD7810 是 一 大 特 色, 一 般 当 数 据 吞 吐 率 小 于 100kSPS 时, 应 使 器 件 工 作 在 此 模 式 下 在 5V 电 源 电 压 下, 当 数 据 吞 吐 率 为 100kSPS 时, 器 件 的 功 耗 2.7mW; 而 当 数 据 吞 吐 率 为 10kSPS 时, 功 耗 为 270μW; 若 数 据 吞 吐 率 为 1kSPS, 则 其 功 耗 仅 27μW (3) 接 口 电 路 : 模 拟 输 入 2.5 显 示 输 出 单 元 与 单 片 机 接 口 用 4 位 LED 共 阳 数 码 管 显 示,P0 口 输 出 段 码 数 据,P2 口 做 扫 描 控 制, 每 个 LED 数 码 管 亮 1ms 时 间 再 逐 位 循 环, 可 以 正 常 显 示 而 不 会 产 生 闪 烁
2.6 总 电 路 图 3 单 片 机 程 序 设 计 主 程 序 流 程 图 所 示 A/D 转 换 子 程 序 流 程 图
初 始 化 子 程 序 开 始 A/D 转 换 赋 循 环 初 值 R0=10 计 算 启 动 AD7810 显 示 读 数 据 移 位 R--=0? Y 返 回 N 源 程 序 : ;******************************************************************* ; 体 重 秤 * ; 采 用 4 位 LED 共 阳 显 示 重 量 值, 显 示 精 度 0.1kg, 测 量 范 围 0~100kg * ; 用 AT89C51 单 片 机,11.0592MHz 晶 振 * ;******************************************************************** ;**************** 引 脚 定 义 ****************** SCLK BIT P1.0 DOUT BIT P1.1 CONVST BIT P1.2 ;****************** 系 统 初 始 化 ***************** ORG 1000H START: SP,#60H SJMP INIT ERROR: NOP LJMP START NOP INIT: NOP PSW,#00H CLR SCLK SETB SCLK CLR CONVST LJMP MAIN
;********************* 主 程 序 *************************** MAIN: LCALL MS0 ; 调 用 模 数 转 换 程 序 LCALL WORK ; 数 据 处 理 LCALL DISP ; 显 示 LJMP MAIN ;***************************************************** ; 子 程 序 区 ;***************************************************** ;******************************************** ;A/D 转 换 子 程 序, 返 回 时 数 据 低 8 位 在 R4 中, 高 2 位 在 R5 中 MS0: R1,#10 ;10 位 数 据 R4,#0 SETB CONVST ; 唤 醒 启 动 AD7810 CLR CONVST MS1: SETB SCLK ; 发 送 SCLK 信 号 C,DOUT ; 读 一 位 数 据 CLR SCLK A,R4 ; 数 据 移 位 R4,A A,R5 R5,A DJNZ R1,MS1 RET 中 ;************************************************* ; 计 算 程 序 50H~53H 分 别 存 个 十 百 千 位 WORK: R3,#03H R2,#0E8H ; 求 千 位,R3R2=1000 LCALL DIV2BY2 ;R5R4/1000 53H,R4 ; 商 小 于 10, 以 二 进 制 的 形 式 存 于 R4 A,R1 R5,A ; 余 数 存 于 R5R4 中, 准 备 下 一 次 计 算 A,R0 R4,A R3,#00H R2,#64H ; 求 百 位
LCALL DIV2BY2 52H,R4 A,R1 R5,A A,R0 R4,A R3,#00H R2,#0AH ; 求 十 位 LCALL DIV2BY2 51H,R4 50H,R0 ;R0 中 为 个 位 RET ;************************************************************** ; 显 示 子 程 序 ;************************************************************** ; 显 示 数 据 在 50H~53H 单 元 内, 用 4 位 LED 共 阳 数 码 管 显 示,P0 口 输 出 段 码 数 据, ;P2 口 做 扫 描 控 制, 每 个 LED 数 码 管 亮 1ms 时 间 再 逐 位 循 环 DISP: R1,#50H ; 指 向 显 示 数 据 首 址 R5,#0FEH ; 扫 描 控 制 字 初 值 PLAY: P0,#0FFH A,R5 ; 扫 描 子 放 入 A P2,A ;P2 口 控 制 哪 个 灯 亮 A,@R1 ; 取 显 示 数 据 到 A DPTR,#TAB ; 取 段 码 表 地 址 C A,@A+DPTR ; 查 显 示 数 据 对 应 段 码 P0,A A,R5 JB ACC.1,LOOP ; 小 数 点 处 理 CLR P0.7 LOOP: LCALL DL1MS ; 显 示 1ms INC R1 ; 指 向 下 一 个 指 针 A,R5 ; 扫 描 控 制 字 放 入 A JNB ACC.3,ENDOUT ;ACC.3=0 时 一 次 显 示 结 束 RL A ;A 中 数 据 循 环 左 移 R5,A ; 放 回 R5 内 AJMP PLAY ; 跳 回 PLAY 循 环 ENDOUT: P0,#0FFH ; 一 次 显 示 结 束,P0 复 位 P2,#0FFH ;P2 复 位 RET ; 子 程 序 返 回 TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH ; 共 阳 断 码 表 "0 ","1 ","2 ","3 ","4","5","6","7 ","8","9"," 不 亮 ","A","-"
;******************** 延 时 程 序 ********************* ; 延 时 1ms DL1MS: R6,#14H DL1: R7,#19H DL2: DJNZ R7,DL2 DJNZ R6,DL1 RET ;**************2 字 节 /2 字 节 无 符 号 数 除 法 程 序 ***************** ;R5R4/R3R2=RR5R4( 商 )...R1R0( 余 数 ) DIV2BY2: 46H,#10H ; 循 环 16 次 R0,#00H R1,#00H DIVLOOP1: A,R4 R4,A A,R5 R5,A A,R0 R0,A A,R1 R1,A CLR C A,R0 SUBB A,R2 B,A A,R1 SUBB A,R3 JC DIVLOOP2 R0,B R1,A DIVLOOP2: CPL C DJNZ 46H,DIVLOOP1 A,R4 R4,A A,R5 R5,A RET END
4 仿 真 测 试 4.1 传 感 器 部 分 其 他 部 分 的 仿 真 由 于 protes 软 件 元 件 库 中 没 有 AD7810 芯 片, 使 得 仿 真 没 有 能 进 一 步 下 去, 由 于 时 间 关 系, 没 换 成 其 他 的 A/D 转 换 芯 片 4.2 软 件 编 译
5 总 结 本 课 程 设 计 制 作 的 体 重 秤, 集 传 感 器 技 术 微 机 技 术 于 一 体, 实 现 了 基 本 的 秤 重 显 示 功 能, 稍 加 扩 展, 还 可 与 其 他 生 产 质 量 管 理 系 统 相 连 接, 实 现 数 据 交 换 记 录 分 析 等 功 能, 具 有 推 广 应 用 价 值 在 仿 真 过 程 中,A/D 转 换 部 分 遇 到 的 问 题 最 大 由 于 没 有 相 应 的 元 件 和 实 物, 使 得 系 统 电 路 的 调 试 任 务 比 较 困 难 对 此, 我 们 先 是 选 用 合 适 的 仿 真 元 件 进 行 软 件 仿 真 成 为 可 能, 刚 开 始 我 们 选 用 的 是 由 National Semiconductor 公 司 生 产 的 ADC0809, 这 给 系 统 的 仿 真 得 到 了 很 大 的 便 利, 可 是 其 分 辨 率 只 有 1//255 达 不 到 要 求, 因 而 最 终 选 择 了 Analog Devices 的 AD7810 在 设 计 过 程 中, 我 们 组 两 人 分 工 学 习, 相 互 配 合, 终 于 完 成 了 课 程 设 计 的 要 求 课 程 设 计 过 程 中, 我 们 将 课 上 学 习 的 理 论 知 识 加 以 运 用, 锻 炼 了 自 主 学 习 能 力, 遇 到 不 懂 的 查 资 料, 出 现 问 题 相 互 讨 论, 实 际 操 作 中 锻 炼 的 动 手 能 力, 还 学 会 了 使 用 Protel 和 Proteus 软 件 的 方 法, 收 获 颇 多