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    基于 24 位 A/D 轉換的高精度電子秤的設計

    文章出處:admin 人氣:發表時間:2021-05-26 13:57

    物料計量是工業生產與貿易流通中的一個重要環節。稱重裝置是其中不可或缺的計量工具之一。集現代傳感器技術、電子技術和計算機技術于一體的電子秤,具有稱量快速、顯示直觀、不易磨損等優點,同時能夠有效地消除人為誤差,使之更符合法制計量管理和工業生產過程控制的應用要求,因而正逐漸取代傳統的機械杠桿測量秤成為主流產品。本設計采用 AT89C52 單片機為控制核心,結合電阻應變式壓力傳感器和 A/D 轉換芯片 HX711,設計出一種低成本、高性能的電子秤。1 基于單片機控制的電子秤結構與原理本設計中電子秤的結構如圖1所示,其原理為橋式壓敏電阻傳感器將被測物體的重量轉換為模擬電壓信號,電壓信號的強弱隨物重的大小而變化。NTC 熱敏電阻傳感器進行環境溫度測量。A/D 轉換芯片 HX711作為計量和 NTC 溫度補償的轉換器,將模擬電壓信號轉換成數字信號,得到的數字量與物 重成正比 。AT89C52 單片機負責處理數字信號,并通過LCD顯示物體的質量。通過按鍵輸入被測物體的單價,單片機將物重及單價經過乘法運算產生總價,并在 LCD 顯示器上顯示。此外,電子秤還可以將被測物體的質量、單價、總價等信息打印輸出。2 硬件設計2.1 橋式壓敏電阻傳感器設計圖 2 所示為橋式壓敏電阻傳感器,橋式壓敏電阻傳感器主要利用電阻應變片形變,將相應的壓力轉換成電參數的。電參數經由濾波電路濾波之后輸入模數轉換器。2.2 濾波電路采用的復式濾波電路所示,把對交流阻抗大的元件電感與負載串聯, 以降落較大的紋波電壓,而把對交流阻抗小的元件電容與負載并聯,以旁路較大的紋波電流。其濾波原理與電容、電感濾波類似,它實質上是電容濾波與一級 LC 濾波電路的組合??蓽p小脈動成分,使輸出電壓更平滑,抗外部干擾性更好。2.3 A/D 轉換模塊設計濾波之后得到的電壓信號是模擬信號。 而單片機處理的是數字信號。因此,模擬量要輸入到單片機中進行處理,首先要經過模擬量到數字量的轉換。實現模/數轉換的部件稱 A/D 轉換器。設計中使用的重量傳感器為傳統的橋式傳感器,這就要求模塊輸出位數至少為 15 位(2^15=32768),傳統的 8 位模數轉換器已不能滿足要求。HX711 是一款高精度的 24 位 A/D 轉換器芯片,內置增益控制,精度高,性能穩定。 該芯片集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等外圍電路,具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點。 降低了電子秤的整機成本,提高了整機的HX711 的通道 A 模擬差分輸入可直接與橋式傳感器的差分輸出相接。 由于橋式傳感器輸出的信號較小,為了充分利用 A/D 轉換器的輸入動態范圍,該通道的可編程增益較大,為 128 或 64。 這些增益所對應的滿量程差分輸入電壓分別±20mV 或±40mV。 通道 B 為固 定 的 32 增 益, 所對應的滿量程差分輸入電壓為±80mV。通道 B 應用于溫度參數檢測。HX711 通過采集A 通道的重量傳感器模擬量及 B 通道的溫度傳感器模擬量后轉換成數據,以多位數據的串口傳輸形式,輸送給單片機。串口通信線由管腳 PD_SCK 和 DOUT 組成,用來輸出數據,選擇輸入通道和增益。2.4 溫度補償設計橋式壓敏電阻傳感器為半導體,在輸入壓力的數值不變的情況下,當工作溫度變化時將引起傳感器輸出發生變化,傳感器的輸出信號產生溫度漂移,影響物體質量的測量精度。針對壓敏電阻傳感器溫度特性差的問題,本設計采用 NTC 環氧封裝熱敏電阻傳感器進行環境溫度測量,繼而可以對稱重傳感器在當時溫度下(正常使用溫度范圍內-30℃~70℃)的重量漂移進行修正補償處理。此修正補償系數,通過對應的溫度環境下以 2Kg標準砝碼作為標定(標定,即秤的重量校準)的值實際測量數據得到。對應有一個R-T 溫度阻值變化表,通過查表法可推導出對應的環境溫度,即可用于秤體的溫度重量補償和修正。R-T特性曲線示意圖如圖5所示。圖5R-T特性曲線示意圖2.5電源設計本設計中的打印機的12V電源采用了3A電流輸出降壓開關型集成穩壓芯片LM2576HVT-12方案,將220V的交流電壓通過整流橋,濾波,再通過LM-2576HVT-12集成穩壓管得到穩定的12V直流穩壓電源。另外為保障AD采集的穩定性,HX711芯片單獨使用一路5V電源,該5V 電源使用打印機的 2V電源輸入,通過 LM1117-5.0DC-DC 穩壓芯片得到穩定的5V電源,另一路5V電源供其他功能模塊使用,采用LM1117-5.0 LDO 穩壓芯片,共兩路5V電源。圖6為電源轉換示意圖。3 軟件設計為了方便程序調試和提高可靠性,程序設計采用自上而下、模塊化、結構化的程序設計方法,把總的編程過程逐步細分,分解成一個個功能模塊,每個功能模塊相互獨立,每個模塊都能完成一個明確的任務,實現某個具體的功能。軟件設計流程圖如圖7所示。圖 6 電源轉換示意圖圖 7 軟件設計流程圖4 結 語將電子技術的原理運用到日常生活中,以解決實際生活和生產中遇到的問題, 設計出的產品就到了需求,從而會有更強的生命力。本文設計的電子秤融合了微處理技術、傳感器技術和數字顯示技術,具有精度高,抗干擾性強的優點。

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