摘要：本設(shè)計是采用AVR單片機作為微控制器，結(jié)合壓力傳感器、AD7705、LCD1602實現(xiàn)的一種高精度多功能數(shù)字電子秤。文章詳細介紹了系統(tǒng)的硬件電路組成以及軟件的開發(fā)流程。本設(shè)計具有體積小、成本低、精確度高、可靠性高等特點。

0 引言

隨著電子技術(shù)和自動化測量技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)在功能、精度、性價比等方面已難以滿足人們的需要，尤其在智能化、便攜式、對微小質(zhì)量的測量方面更顯得力不從心。近年來，新型單片機的出現(xiàn)和集成電路技術(shù)的發(fā)展為更新產(chǎn)品設(shè)計，研制高性價比的稱重控制器提供了條件。本設(shè)計采用AVR單片機為控制核心，結(jié)合電阻應(yīng)變式壓力傳感器和相應(yīng)的信號采集電路，設(shè)計出一種高精度、多功能、低成本的新型電子秤。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

首先由稱重傳感器采集因壓力變化而產(chǎn)生的電壓信號，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，把數(shù)字信號送入AVR單片機，單片機做相應(yīng)的處理后，得到當(dāng)前物體重量的數(shù)據(jù)，并通過LCD顯示出來。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)硬件電路包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、4×4矩陣鍵盤模塊、LCD模塊和蜂鳴器報警模塊;軟件模塊又可分為主程序模塊、矩陣鍵盤掃描模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和LCD1602模塊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 AVR單片機

本設(shè)計是選用AVR系列單片機中的ATmega16作為微控制器。ATmega16是基于增強型AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集和單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16L的數(shù)據(jù)吞吐量高達1MIPS/MHz，在片內(nèi)集成了16kB的可編程FLASH，512B的E2PROM，1kB的片內(nèi)SDRAM。在外設(shè)方面，具有兩個可編程的串行UART，8路10位ADC，四通道PWM，并支持SPI、TWI、JTAG接口，允許ATmega16L和其他外設(shè)進行高速的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 稱重傳感器

電阻應(yīng)變式稱重傳感器是把電阻應(yīng)變計粘貼在彈性敏感元件上，然后以適當(dāng)方式組成電橋的一種將力(重量)轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。在電阻應(yīng)變式稱重傳感器中通過橋式電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。電阻應(yīng)變式稱重傳感器工作原理如圖2所示。

本設(shè)計選用湖南宇航公司的SB-B型懸臂式稱重傳感器，額定量程5kg，靈敏度3mv/V，非線性誤差0.03%ES，重復(fù)性誤差0.02%ES，蠕變(30分鐘)O.03%F.S，零點溫度漂移0.03%F.S./10℃，溫度補償范圍-10～60℃。該系列傳感器采用懸臂單剪切結(jié)構(gòu)，過載能力強，受力后自動調(diào)心好，具有精度高、長期穩(wěn)定性好、抗疲勞、抗偏載能力強的特點。

2.3 高精度A/D轉(zhuǎn)換

稱重傳感器輸出的是mV級的電壓信號，本設(shè)計采用AD7705對信號進行采集。AD7705是AD公司推出的一種基于∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)的16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓、低功耗等特點，適合于稱重系統(tǒng)中微機信號處理的需求。其具有可編程增益放大器，增益范圍1～128，可與壓力傳感器直接相連，使用同步串行SPI接口，可以與AVR單片機的硬件SPI接口直接相連，其電路連接圖如圖3所示。

當(dāng)傳感器加上滿量程重量5kg時，傳感器在5V的工作電壓下取得15mV的輸出電壓。5V工作電壓經(jīng)分壓后為AD7705提供基準(zhǔn)電壓，因此工作電壓的變化不會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。分壓電阻為24kΩ和15kΩ，產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓為1.92V。當(dāng)器件的可編程增益為128時，對應(yīng)的滿量程輸入電壓即為15mV。

2.4 人機通訊

人機通訊包括鍵盤掃描、LCD、蜂鳴器報警三個部分，鍵盤采用4×4矩陣掃描鍵盤，接在單片機的PC口;顯示部分采用的是LCD1602液晶，能夠同時顯示16×2即32個字符。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，編程時可以用AS-CII碼直接賦值，還可以用字符型常量或變量賦值;蜂鳴器的作用是當(dāng)稱重物品超出傳感器的量程時，以鳴響報警提示用戶。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺為WinAVR，開發(fā)語言為C語言。為了方便程序調(diào)試和提高可靠性，程序設(shè)計采用自上而下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法。本設(shè)計按任務(wù)模塊劃分的程序主要有初始化程序、主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、LCD顯示子程序、鍵盤掃描子程序。

系統(tǒng)工作時分為初始界面模式和稱重模式，可設(shè)一標(biāo)志位進行更改以及判斷。在初始界面中，液晶屏第一行顯示"Place object!”，提示用戶可以在電子秤上放置想要稱重的物品;第二行顯示"Price：”，提示用戶輸入物品的單價。

隨后系統(tǒng)進入鍵盤掃描狀態(tài)，當(dāng)相應(yīng)的稱重按鍵被按下時，單片機控制AD7705進行AD轉(zhuǎn)換，把得到的結(jié)果進行處理后通過LCD顯示出來。顯示包括物品的重量和總價，稱重精度為1g。以此不斷地循環(huán)完成對物品的實時測量。主程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié)束語

文章提出了一種基于ATmega16單片機的數(shù)字電子秤的設(shè)計，充分發(fā)揮了AVR單片機的強大的控制能力，通過稱重傳感器和16位的AD7705轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了對重量的高精度測量，具有成本低、穩(wěn)定性強、電路簡單等特點。系統(tǒng)在電子秤的實際應(yīng)用中得到了滿意的效果。