多功能数字电子计价秤.doc
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1、 多功能数字电子计价秤摘 要该设计以AVR系列单片机ATMEGA16为控制核心,实现电子秤的基本控制功能。在设计系统时,为了更好地采用模块化设计法,分步的设计各个单元功能模块,系统的硬件部分可以分为数据采集、最小系统、人机交互界面、无线语音报数和系统电源五大部分。该电子秤在实现基本的称重功能(称重范围为015.000公斤,重量误差不大于0.1)的同时,并发挥语音报数的功能,可以设置日期和设定十种商品的单价, 还具有自动校零和去皮功能。整个系统结构简单,使用方便,功能齐全,人性化,具有一定的开发价值。 关键词:电子秤 AVR单片机 仪用放大器 语音报数 1引言质量是测量领域中的一个重要参数,称重
2、技术自古以来就被人们所重视。秤是最普遍、最普及的计量设备,电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。本设计就是为了制作这样一种多功能电子秤,它以AVR单片机为核心在实际使用时达到以下要求: (1)能用键盘设置单价,称重后能同时显示重量、单价和总额;电子计价秤:最大称重为15.000公斤,重量误差不大于0.1;(2)具有数码显示,显示重量、单价、总额等信息。a.重量显示为5位数码,单位为公斤,最大重量显示值为99.999公斤;b.单价金额显示为5位数码,单位为元,最大单价金额显示值值为999.99元;c.总价金额显示为6位数码,单位为元,最大总
3、价金额显示值值为9999.99元,总价金额误差不大于0.01元;据以上要求,设计系统框图,如下图所示图(1)系统框图2方案设计2.1设计思路为达到设计要求,本系统数据采集模块由电阻应变式称重传感器、仪用放大器、二阶低通滤波器组成。转换后的数字信号送给控制器处理,由控制器完成对该数字量的处理,驱动显示模块完成人机间的信息交换。此部分对软件的设计要求比较高,系统的大部分功能都需要软件来控制。在扩展功能上,本设计增加了万年历、掉电保护和语言播放功能。系统整体原理图见附录1以AVR单片机为控制核心,其内部集成10位AD,不需外围扩展AD转换电路,而测量误差又能达到要求。具体方案简图如下图(3)2.2.
4、 压力传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应,将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件,其工作原理是基于材料的电阻应变效应,电阻应变片即可单独作为传感器使用,又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为R/R后,由于应变量及相应电阻变化一般都很微小,难以直接精确测量,且不便处理。因此,要采用转换电路把应变片的R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响,抗干扰能力强,但因机械应变的输出信号小,
5、要求用高增益和高稳定性的放大器放大。电阻应变式传感器有如下特点:(1)应用和测量范围广,应变片可制成各种机械量传感器。(2)分辨力和灵敏度高,精度较高。(3)结构轻小,对试件影响小, 对复杂环境适应性强,可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用,频率响应好。(4)商品化,使用方便,便于实现远距离、自动化测量。 综合考虑后,我们选择方案二。2.2.3 信号处理方案一:采用集成仪用放大器专用芯片AD620此类芯片内部采用差动输入,共模抑制比高,差模输入阻抗大,增益高,精度也非常好,且外部接口简单。以AD620为例,内部结构如所示接口如附录2所示:图4 AD620的接口图在接口图4中,通过改变可变电阻
6、R3的阻值大小来改变放大器的增益,放大器增益计算公式如下: 方案二:采用运放NE5532搭建仪用放大器被称为“运放之皇”的NE5532具有低零漂、低噪声、高共模抑制比的特性,其内部集成两个运放,是一款性价比很高的运放芯片。其结构图如下图5 NE5532内部简图方案一中AD620最大增益为1000倍,在系统设计过程中,我们要求对采集信号放大1333倍,不能达到要求。方案二中用两个NE5532构成仪用放大器,多出的一个运放可以制作二阶有源低通滤波器。这样综合比较,我们选择方案二。2.2.3 显示模块方案一:采用七段数码管显示。根据系统要求,至少需要四组数码管来显示所有数据。这样硬件结构比较复杂,程
7、序也很繁琐。并且只能显示数据,无法显示菜单,需要另外标注。方案二:采用LCD12864显示。12864是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及12864全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示,也可以显示84个(1616点阵)汉字。通过软件进行菜单切换,这样就可以完成更多内容的显示,而且操作简便,完全可以达到要求。基于以上考虑,我们选择了方案二。2.3硬件模块设计2.3.1 信号处理据电阻应变式传感器的相关参数(见附录3),知传感器的灵敏度()为2.0mV/V。所以向传感器提供5V()电压时其最大输出电压()为10mV。具体计算公式如下:AD满额采集电压为()5V, Av=/根据计算
8、,得到Av为500倍。放大原理图,如下图所示图6 仪用放大器原理图由上图可知, = =22K,=2K,=20K,为可调电阻2K具体计算公式如下Av=调节,当为900时,Av=500。放大后经示波器观察,纹波范围为40mV60mV。所以需要经过滤波处理,用滤波器设计软件(FilterLab_V2.0)设计以1KHz为上限频率的二阶有源低通滤波器可以有效滤除纹波。具体原理图见附录42.3.5电源模块设计的电源需提供单片机、显示器、信号处理模块所需的不同电压。设计的电源原理图如附录5所示,三端稳压芯片7805、7905、LM317和LM337起稳压作用,2200uf电解电容、100uf和0.33uf
9、瓷片电容起滤除纹波作用,输出分别为、提供给各单元电路。2.4 系统软件设计本软件基于AVR单片机实现,主要负责AD转换和菜单显示功能,其中对AD转换部分进行了相应的数据处理,从而实现了数据去抖动、手动清零和自动校零的功能。总体流程图见下图图7 主程序流程图3设计实现3.1 语音报数的实现凌阳单片机SPCE061A 介绍:SPCE061A 是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是,在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能,SPCE061A里只内嵌32K字的闪存(FLASH)。较高的处理速度使nSP能够非常
10、容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此,与SPCE500A相比,以nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种经济的选择。最小系统见附录(7)24L01介绍:nRF2401是单片射频收发芯片,工作于2.42.5GHz ISM频段,芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低,以-5dBm的功率发射时,工作电流只有10.5mA,接收时工作电流只有18mA,多种低功率工作模式,节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线,同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适
11、用于多种无线通信的场合,如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。2.1芯片结构 nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器,功率放大器等功能模块,需要很少的外围元件,因此使用起来非常方便。QFN24引脚封装, 外形尺寸只有55mm。nRF2401有工作模式有四种:收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三个引脚决定,详见附录(8)。3.2 数据去抖和自动校零的实现以上功能实现见下图所示图(8)数据去抖原理图图(9)去毛重原理图4 系统测试4.1测试条件
12、和测试仪器设备传感器受较低或较高温度变化时会产生形变,所以测试时必须在室温下进行,并要确保供电电源的稳定性,测试仪器设备如下表1所示:表1 测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注出厂编号1Tektronix示波器1TektronixC0390702函数信号发生器 EE164281南京新联电子设备有限公司0013983数字万用表 UT58E1UNI-T30500306334.2测试方法和测试结果5 结论 经过为期5天的时间,在我们小组的配合下,除发挥部分测量误差不大于0.01没能实现外,其它指标都得以实现。由韩冰负责硬件,将压力信号通过传感器转变成电信号,通过放大,滤波,然后由王笑康负责
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