2016年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽
賽題（G題）：簡易電子秤
摘要
本系統(tǒng)以STC12C5A32S2為主控芯片，設(shè)計了全橋電路、OP07運(yùn)算放大電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路及數(shù)碼管顯示電路和鍵盤。采集并顯示測量結(jié)果功能：通過運(yùn)算放大電路放對從全橋電路采集到的電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)過STC12C5A32S2自帶的A/D轉(zhuǎn)換電路送到單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)處理完后，把數(shù)字信號輸送到顯示電路，由顯示電路輸出測量結(jié)果。鍵盤輸入及顯示功能：進(jìn)入單片機(jī)外中斷，并對P3.3,P3.4.P3.5的高低電平進(jìn)行掃描，進(jìn)行相應(yīng)的程序操作，并用數(shù)碼管顯示出來。
本設(shè)計硬件電路結(jié)構(gòu)與程序簡單，靈敏度高，能實(shí)現(xiàn)對0~500g物品質(zhì)量的測量，且可以手動輸入物品的單價，計算出所花費(fèi)的金額。
關(guān)鍵字：橋式傳感器 差分運(yùn)算放大電路 STC12C5A32S2
目錄
1.1方案的選擇............................................3
1.2總體設(shè)計思想..........................................3
二、理論分析與計算...........................................4
2.1橋式稱重傳感器電路的靈敏度分析........................4
2.2 OP07差分放大電路的分析...............................4
三、電路與程序設(shè)計...........................................4
3.1全橋電路..............................................4
3.2 OP07差分放大電路.....................................4
3.3鍵盤電路..............................................5
3.4單片機(jī)STC12C5A32S2處理系統(tǒng)...........................5
3.4.1系統(tǒng)主函數(shù).......................................5
3.4.2 A/D數(shù)據(jù)采集子函數(shù)...............................6
3.4.3 鍵盤輸入掃描函數(shù).................................6
3.4.4 數(shù)碼管顯示子函數(shù).................................6
四、測試方案與測試結(jié)果.......................................6
五、總結(jié)和體會...............................................6
六、參考文獻(xiàn).................................................7
一、方案選擇與論證
1.1方案選擇與論證
方案一：差動半橋測量電路，三運(yùn)放大電路，ADC0809A/D轉(zhuǎn)換電路，LED顯示電路，4X4按鍵電路。
方案二：差動全橋測量電路，OP07放大電路，單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換電路，LED顯示電路，按鍵電路由3個撥碼開關(guān)與1個四腳輕觸開關(guān)組成。
綜上所示，與方案一相比，方案二的靈敏度更高，電路結(jié)構(gòu)簡單，且編程也簡單，我們爭取用最簡單的設(shè)計實(shí)現(xiàn)大賽要求的功能，故選擇方案二為系統(tǒng)基本方案。
1.2總體設(shè)計思想
主要以單片機(jī)STC12C5A32S2為控制核心，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。系統(tǒng)主要可以分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互界面部分。最小系統(tǒng)部分主要包括STC12C5A32S2和經(jīng)典復(fù)位電路；數(shù)據(jù)采集部分由差動全橋電路、信號放大和A/D轉(zhuǎn)換部分組成，信號放大由OP07的差分運(yùn)算放大電路構(gòu)成，A/D轉(zhuǎn)換部分主要由單片機(jī)內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成；人機(jī)交互界面為鍵盤輸入和數(shù)碼管顯示，可以方便的輸入數(shù)據(jù)和直觀的顯示數(shù)據(jù)。總體設(shè)計框圖如圖1。
圖1
二、理論分析與計算
2.1橋式稱重傳感器電路的靈敏度分析
我們所用的電阻應(yīng)變片是組委會要求的電阻應(yīng)變片，一個橋臂工作時電路靈敏度為KE/4；兩個橋臂工作時電路靈敏度為KE/2;四個橋臂工作時電路靈敏度為KE。其中四個橋臂的電路線性程度更高，為了精確測量，我們選擇全橋電路。
2.2 OP07差分放大電路的分析
由于檢測到的電壓信號只有幾毫伏，而單片機(jī)I/O口輸入電壓也不應(yīng)太高，所以我們所用的放大電路的放大倍數(shù)為56倍，根據(jù)UO=-Rf(U1-U2)/R,我們?nèi)=1千歐，Rf=56千歐。
三、電路與程序設(shè)計
3.1全橋電路
應(yīng)變式傳感器常用的測量電路有單臂電橋、差動半橋和差動全橋，其中差動全橋的靈敏度是單臂電橋的4倍，且能消除電橋的非線性誤差，并可消除溫度誤差等共模干擾，故本設(shè)計采用4片應(yīng)變片組成差動全橋，如圖2所示。橋式測量電路有四個電阻，其中任何一個都可以是電阻應(yīng)變片。電橋的一個對角線位接入工作電壓VCC，另一個對角線位輸出電壓V0。
圖2
3.2 OP07差分放大電路
OP07差分放大電路將輸入信號放大56倍后輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換電路。如圖3。
圖3
3.3鍵盤電路
鍵盤電路由3個撥碼開關(guān)和1個按鍵開關(guān)構(gòu)成，此種接法使得實(shí)現(xiàn)輸入單價的功能的編程簡單化，如圖4所示。
圖4
3.4 單片機(jī)STC12C5A32S2處理系統(tǒng)
本設(shè)計采用STC12C5A32S2為主控芯片，用軟件進(jìn)行調(diào)零和定標(biāo)，即只需對程序進(jìn)行修改。對比在AD轉(zhuǎn)換電路外加調(diào)理電路來說，用軟件調(diào)零方便，清晰，可以簡化整個設(shè)計。
在系統(tǒng)通電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括系統(tǒng)變量定義和給系統(tǒng)變量賦初值等，然后調(diào)用A/D采集函數(shù)，將A/D采集模塊輸出的8位二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，接著進(jìn)行調(diào)零和定標(biāo)，最后分離出四位十進(jìn)制數(shù)的千位、百位、十位和個位，調(diào)用數(shù)碼管顯示函數(shù)，將對應(yīng)的數(shù)值送到對應(yīng)的數(shù)碼管上進(jìn)行顯示。系統(tǒng)主函數(shù)流程圖如圖5所示。
圖5
A/D數(shù)據(jù)采集程序主要是采集經(jīng)運(yùn)算放大電路放大后的橋式傳感器輸出信號，然后單片機(jī)對此信號進(jìn)行處理。
手動調(diào)節(jié)3個撥碼開關(guān)，按下按鍵開關(guān)后，進(jìn)入外中斷，然后通過判斷不同的撥碼開關(guān)組合，執(zhí)行相應(yīng)的程序，以實(shí)現(xiàn)設(shè)置單價等功能。
（4）數(shù)碼管顯示子函數(shù)
數(shù)碼管顯示程序用LED動態(tài)顯示數(shù)據(jù)信息，依次掃描千位、百位、十位和個位，在延時程序中對延時時間的設(shè)置要到位，本設(shè)計中千位位選、百位位選、十位位選的延時時間為1ms。如果延時時間太長，因?yàn)橐曈X的暫留效果，會觀察到四位數(shù)碼管是從左到右依次地顯示，而不是同時顯示，如果設(shè)置的太短，數(shù)碼管亮度會變暗，不便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，程序中沒有對個位數(shù)據(jù)延時，因?yàn)閭�位位選打開以后，沒有立即關(guān)閉，接著執(zhí)行數(shù)碼管顯示程序，起到了一定的演示效果。
系統(tǒng)硬件的調(diào)試，首先檢查電路的焊接是否正確，用萬用表檢測電路板是否存在短路或者斷路。經(jīng)檢測后再接上電源，用萬用表測量電源部分的各個輸出電壓值，經(jīng)調(diào)試正常后方可接到各部分電路。將單片機(jī)復(fù)位，調(diào)用數(shù)碼管顯示子函數(shù)顯示1234，顯示無誤后，接上全橋電路和放大電路，將全部程序燒到芯片中，觀察數(shù)碼管上是否顯示0000.如果沒有顯示，即進(jìn)行軟件調(diào)零工作，待調(diào)零完成后，用手給傳感器慢慢施加壓力，看數(shù)碼管上的數(shù)值是否也隨著增大，當(dāng)放手后，看數(shù)碼管的數(shù)值是否回到0000附近。
在軟件設(shè)計中，如果沒有加入清零程序，當(dāng)沒有砝碼放在傳感器上時，數(shù)碼管顯示初值為130，接著依次放上10g,20g,40g,50g......，記下數(shù)碼管的示數(shù)，再通過MATLAB進(jìn)行繪圖，得出數(shù)碼管的顯示值和砝碼值呈線性關(guān)系，未定標(biāo)時的線性測試曲線如圖6所示。
圖6
此時用最小二乘法進(jìn)行擬合，求出k=1.463,b=104.04。接著在軟件設(shè)計中加入清零程序，定標(biāo)過程就完成了，定標(biāo)后的校驗(yàn)曲線如圖7所示。
圖7
從實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)可以看出最大偏差為1g。由于所采用的傳感器靈敏度很高，如果傳感器在水平方向固定的不是很好，會存在一定的誤差，另外傳感器的引線也很靈敏，稍微觸動一下，也會產(chǎn)生誤差。
通過這幾天的比賽，我們覺得比比賽更重要的是參與其中。我們在競賽的過程中遇到了很多問題，我們一度沮喪萬分，但是我們堅持了下來，最終完成了作品的制作。在這過程中也對自己有了重新的認(rèn)識，了解到了自己的不足之處，也意識到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。四天的比賽對我們來說是非常難得的人生體驗(yàn)：熬夜調(diào)硬件，通宵寫程序，白天吃泡面，晚上睡實(shí)驗(yàn)室，解決一個問題，遇到另一個問題……這段經(jīng)歷，必將成為我們今后學(xué)習(xí)生活中一筆寶貴的財富。
黃志偉 常用電路模塊制作 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.1
龔建軍 電子電路精選圖集500例 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.4
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