电子信息工程师实践
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开 课 学 院:计算机与信息学院
专 业 班 级:
学 生 姓 名及学号:
指 导 教 师:
课 题 名 称: 3kg电子秤
2017年1月6日
1、课题概述
作为一名电子信息工程专业的学生,掌握基本的电路知识,并运用到项目实践中非常重要,能够提高自身的科学文化素养,对知识更加全面的掌握。本课程设计为制作一个电子秤,比较具有实用价值,同时通过制作PCB电路板和AD采样芯片的使用提高自己的能力,掌握基本的专业技能。
2、课题任务
本课程设计主要任务是设计一个电子秤,电子秤称重范围是:0-3kg,精度是:5g。具有超过称重上限报警功能和复位功能。
3、技术方案及关键问题
本课程设计从硬件和软件两个方面开始。硬件方面主要分为两个部分,第一部分是基本主电路板的设计,利用51单片机为主电路板。第二部分是AD采样电路板的设计。AD芯片用的是HX711芯片。软件部分主要是驱动HX711芯片以及实现电子秤的功能。
关键问题:
1、AD采样芯片的使用。在制作电子秤的过程中要将传感器输出的模拟量转换为数字量,因此要用到AD采样芯片。采样芯片的位数直接影响了最终的测量结果,也就是所谓的分辨率。本课程设计使用的是24位的HX711采样芯片,采样精度较高,测量结果较为准确。
2、由于普通电脑USB输出电流为500mA会出现电子秤因电流过小而不工作问题并且利用电脑USB作为单片机供电电源携带不方便,因此利用利用了一个电源220V转9V的电源适配器,再利用LM7805稳压芯片将9v电源稳压到5v为单片机供电。
3、由于未使用电脑USB作为电源,因此没有USB下载电路,本单片机程序下载器使用的是USB转TTL转RS232下载器。
4、称重传感器用的是桥式传感器。
4、设计实现及测试
课程设计的第一步便是电路板的制作,本课程设计使用51单片机作为基本电路。电路原理图附后。
1、 AD转换电路
本次课程设计AD转换电路使用的是24位的HX711芯片。HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比,该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路,具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本,提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单,所有控制信号由管脚驱动,无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B,与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64,对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的32增益,用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源,系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。
(1)、HX711芯片特点如下:
两路可选择差分输入。
片内低噪声可编程放大器,可选增益为64 和128。
片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内A/D 转换器提供电源。
片内时钟振荡器无需任何外接器件,必要时也可使用外接晶振或时钟。
上电自动复位电路。
简单的数字控制和串口通讯:所有控制由管脚输入,芯片内寄存器无需编程。
可选择10Hz 或80Hz 的输出数据速率。
同步抑制50Hz 和60Hz 的电源干扰。
耗电量(含稳压电源电路):典型工作电流:<1.7mA, 断电电流:<1μA。
工作电压范围:2.6 ~ 5.5V。
工作温度范围:-20 ~ +85℃。
16 管脚的SOP-16 封装。
(2)、管脚说明
SOP-16L封装
表
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一 管脚描述
(3)、模拟输入
通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。由于桥式传感器输出的信号较小,为了充分利用A/D转换器的输入动态范围,该通道的可编程增益较大,为128或64。这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV或±40mV。通道B为固定的32增益,所对应的满量程差分输入电压为±80mV。通道B应用于包括电池在内的系统参数检测。因此本课程设计使用通道A作为模拟差分输入,选择增益是128。
(4)、串口通信
串口通信线由管脚PD_SCK和DOUT组成,用来输出数据,选择输入通道和增益。当数据输出管脚DOUT为高电平时,表明A/D转换器还未准备好输出数据,此时串口时钟输入信号PD_SCK应为低电平。当DOUT从高电平变低电平后,PD_SCK应输入25至27个不等的时钟脉冲(图一)。其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24位数据的最高位(MSB),直至第24个时钟脉冲完成,24位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。第25至27个时钟脉冲用来选择下一次A/D转换的输入通道和增益,参见表二。
表二输入通道和增益选择
PD_SCK的输入时钟脉冲数不应少于25或多于27,否则会造成串口通讯错误。当A/D转换器的输入通道或增益改变时,A/D转换器需要4个数据输出周期才能稳定。DOUT在4个数据输出周期后才会从高电平变低电平,输出有效数据。
图一 数据输出,输入通道和增益选择时序图
(5)、AD采样电路原理图如下
(6)AD采样电路获取输出数据代码如下:
//读取HX711
unsigned long HX711_Read(void) //增益128
{
unsigned long count;
unsigned char i;
HX711_DOUT=1; //DOUT为高电平时,表明A/D转换器没有准备好数据
Delay__hx711_us();
HX711_SCK=0;
count=0;
while(HX711_DOUT); //直到DOUt为低电平,表明已经准备好数据
for(i=0;i<24;i++)
{
HX711_SCK=1;
count=count<<1;
HX711_SCK=0;
if(HX711_DOUT)
count++;
}
HX711_SCK=1; //第25个脉冲下降沿来时,转换数据,选择的是A通道增益为128
count=count^0x800000; //异或操作
Delay__hx711_us();
HX711_SCK=0;
return(count);
}
2、LCD1602显示
本课程设计使用的1602液晶为5V电压驱动,带背光,可显示两行,每行16个字符,不能显示汉字,只有并行接口无串行接口。
(1)、信号接口说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
Vss
电源地
9
D2
数据口
2
VDD
电院正极
10
D3
数据口
3
VO
液晶显示对比度调节端
11
D4
数据口
4
RS
数据/命令选择端(H/L)
12
D5
数据口
5
R/W
读写选择端(H/L)
13
D6
数据口
6
E
使能信号
14
D7
数据口
7
D0
数据口
15
BLA
背光电源正极
8
D1
数据口
16
BLK
背光电源负极
(2)、主要技术参数
显示容量
16*2字符
芯片工作电压
4.5~5.5V
工作电流
2.0mA
模块最佳工作电压
5.0V
字符尺寸
2.95*4.35(W*H)mm
(3)、基本操作时序
读状态 输入:RS=L,R/W=H,E=H 输出:D0~D7=状态字
读数据 输入:RS=H,R/W=H,E=H 输出:无
写指令 输入:RS=L,R/W=L,D0~D7=指令码,E=高脉冲 输出:D0~D7=数据
写数据 输入:RS=H,R/W=L,D0~D7=数据,E=高脉冲 输出:无
(4)电路原理图如下
(5)液晶显示代码详见附后代码。
3、9V转5V稳压电路
由于电子秤要携带方便,便于使用,因此本课程设计用电压为220v转9v,交流电转直流电的电源适配器。然后需要一个9V转5V的稳压电路为电子秤供电。稳压电路使用的是三端稳压集成电路芯片LM7805。LM7805芯片引脚①为最高电位,③脚为最低电位,②脚居中为接地端。芯片引脚图片如下:
从左到右依次为1,2,3脚
稳压电路原理图如下:
4、桥式称重传感器
(1)、HL-8型称重传感器主要技术参数
HL-8型称重传感器主要技术参数表
(2)、HL-8型传感器受力方式图
开始
5、程序流程图
否
是
5、电路原理图和PCB
六、结果分析
课设电子秤所称
书
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的重量为:617g
在书本的基础上加上50g砝码之后实际测得的总质量:667g
在实际使用的电子秤上重量:615g