Электронные весы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В ходе выполнения данного курсового проекта были разработаны структурная схема электронных весов и на её основе реализована принципиальная электрическая схема на современной элементной базе. В пояснительной записке содержаться описание схемы. К работе прилагается принципиальная, структурная схемы и перечень элементов. Материалы пояснительной записки выполнены с требованиями к конструкторской документации. Полный перечень стандартов используемых в курсовом проекте определены на основе указателя ГОСТов.

Весы, рассмотренные в данной курсовой работе, являются удобным, дешевым и надежным средством для измерения грузов. Весы могут быть использованы как в домашних делах, так и торговой сфере. Кроме того, весы обладают большой точностью, если их хорошо отрегулировать. Например, взвесив груз весом 10кг, погрешность будет составлять всего 1 грамм. Весы собраны на микросхеме серии КР572ПВ2. Кроме названой большой интегральной микросхемы, в конструкции использованы цифровая индикация, стабилизация напряжения +5В и -5В, упругое стальное кольцо и блок тензорезисторов.

При подвешивании груза кольцо слегка деформируется, а приклеенные к нему тензорезисторы изгибаются и меняют сопротивление. Оно преобразуется в напряжение, пропорционально действующей на кольцо силе (массе груза). Усиленный сигнал попадает на вход микросхемы КР572ПВ2, там преобразуется и поступает на элемент цифрового индикатора. Вся система построена так, что каждому напряжению на входе микросхемы соответствует цифра, загорающаяся на панелях.

1. Общая часть

1.1 Общие сведения

Весы - прибор для определения массы тел по действующему на них весу. Различают весы: образцовые (для поверки гирь), лабораторные (аналитические, микроаналитические, пробирные и др.) и общего назначения. По принципу действия: рычажные, пружинные, электротензометрические, гидравлические и гидростатические. Вес тела - это сила, действующая на опору или подвес со стороны тела. Т.е, если встать на весы в момент старта лифта вверх, показания будут больше, чем в состоянии покоя, а если в момент старта вниз - меньше. Это происходит за счёт того, что помимо ускорения свободного падения действует ещё и другое ускорение, направленное либо в ту же, либо, а противоположную сторону.

Рисунок 1 - Электронные весы

Рассмотрим весы общего назначения. Существует целое множество разнообразных конструкций весов, среди которых:

- весы с чашечками - груз кладётся на одну чашечку, а эталонные гири на другую. Необходимо добиться равновесия, при этом вес груза будет равен весу гирек. Это неудобно, т.к. добиться равновесия довольно трудно. В данном случае точность измерения веса зависит от чувствительности весов и от номинала гирек;

- весы со стрелкой - груз, весом до одного килограмма взвешивается без дополнительных гирек, а свыше требует установки противовеса, в этом случае вес груза вычисляется как сумма веса гирек и показаний стрелки. Точность измерения зависит от чувствительности стрелки;

- электрические весы - существует чувствительный элемент, который реагирует на изменение веса, этой реакцией может быть: изменение сопротивления, изменение напряжения, изменение тока, редко изменение потребляемой мощности. В случае изменения сопротивления, необходимо нагрузить этот элемент на источник питания, и последовательно с ним поставить амперметр. Значение тока будет пропорционально значению веса. Если изменяется напряжение, просто можно поставить вольтметр. Точность измерения зависит от чувствительности амперметра (вольтметра);

- электронные весы - наиболее удобный в эксплуатации прибор. Необходимо только положить груз на весы, а дальше они сделают всё сами. При просмотре значения веса на электронных весах нет неоднозначности, как в случае со стрелкой (никогда нельзя однозначно сказать, на какое значение она указывает), значение выводится в понятном цифровом виде.

Микропроцессорное управление весов позволяет обеспечить большую точность измерения по сравнению с механическим прибором, электронные весы более долговечны, практически не имеют изнашивающихся деталей.

Немаловажным является тот фактор, что точность измерения во многих весах зависит от положения объекта на них (чем дальше от центра, тем меньше точность), это происходит за счёт того, что в них датчик веса или один и стоит посередине, или четыре и стоят по углам. В случае четырех датчиков микроконтроллер вычисляет среднее арифметическое от их показаний, это и есть результат.

2.Специальная часть

2.1 Построение структурной схемы

Согласно техническому заданию, в электронные весы должны входить следующие компоненты:

- датчик давления - первичный преобразователь давления в электрическое напряжение;

- индикатор - элемент, отображающий значение веса в виде десятичных цифр;

- микроконтроллер - элемент, управляющий электронными весами, т.е. опрашивающий датчик с некоторой периодичностью и преобразующий его аналоговый электрический сигнал в цифровой. А также выводящий это значение на индикатор;

- батарея питания - элемент, питающий электронные весы;

2.2 Выбор элементной базы

Для электронных весов необходимо выбрать следующие компоненты:

- датчик давления;

- индикатор;

- микроконтроллер.

2.3 Выбор датчика

Как уже было сказано в введении необходимо выбрать не датчик веса, а датчик давления. Рассчитаем необходимые параметры. Для начала вычислим диапазон измеряемого давления. Давление это отношение силы давления к площади соприкосновения. В нашем случае сила давления - это сила тяжести, вычисляемая по формуле (1)

F = mg, (1)

где m-масса объекта,

g-ускорение свободного падения, равное, для нашего региона 9,8 метр/cекунду2.

Площадь прикосновения в нашем случае равна площади пластины, лежащей на подушке, т.е. 0,25 м2 . Согласно техническому заданию измеряемая масса может быть в диапазоне от 0 до 250 кг, давление соответственно от 0 до 10 кПа. Погрешность, должна составлять не более 0,5 кг, а значит 20 Па. Напряжение питания - 5 В.

Существуют разнообразные датчики давления:

- датчик абсолютного давления. Абсолютное давление, такое как барометрическое давление, измеряется относительно вакуума во встроенной в кристалл датчика полости.

- датчик дифференциального давления. Дифференциальное давление, такое как падение давления, в регуляторе тяги или на фильтре в воздушном канале, измеряется подачей давления с противоположных сторон чувствительного элемента датчика.

- датчик относительного давления. Относительное давление, как в случае измерения кровяного давления, является частным случаем дифференциального, в котором в качестве давления сравнения служит атмосферное давление.

В нашем случае нужно выбрать датчик абсолютного давления. Рассмотрим датчик DMP330H, имеющий следующие характеристики :

- диапазон измерений - от 0..100 кПа до 0..16 МПа;

- относительная погрешность - 1%;

- выходной сигнал - 4..20 мА или 0..10 В;

- температура -25..85 °С;

- напряжение питания - 12..36 В;

Данный датчик не подходит - напряжение питания у него не 5 В.

Рассмотрим датчик DMP331, имеющий следующие характеристики :

- диапазон измерений - от 0..4 кПа до 0..4 МПа;

- относительная погрешность - 0,35%;

- выходной сигнал - 4..20 мА или 0..10 В;

- температура -25..125 °С;

- напряжение питания - 14..36 В;

Данный датчик не подходит - напряжение питания у него не 5 В.

Рассмотрим датчик DMP341, имеющий следующие характеристики :

- диапазон измерений - от 0..0,6 кПа до 0..10 кПа;

- относительная погрешность - 1%;

- выходной сигнал - 4..20 мА или 0..10 В;

- температура -40..125 °С;

- напряжение питания - 12..36 В;

Данный датчик не подходит - напряжение питания у него не 5 В.

Рассмотрим датчик DPS100, имеющий следующие характеристики :

- диапазон измерений - от 0 до 6 кПа;

- относительная погрешность - 1%;

- выходной сигнал - 4..20 мА или 0..10 В;

- температура 0..60 °С;

- напряжение питания - 19..31 В;

Данный датчик не подходит, т.к. не обеспечивает необходимого диапазона измеряемого давления и напряжение питания у него не 5 В.

Рассмотрим датчик MPX5010 GVP, имеющий следующие характеристики :

- диапазон измерений - от 0 до 10 кПа;

- относительная погрешность - 0,1%;

- выходной сигнал - 0..5 В;

- температура -40..125 °С;

- напряжение питания - 5 В;

Данный датчик подходит по всем критериям.

Рисунок 3 - Внешний вид датчика

Датчик оснащён схемой нормализации выходного напряжения, которая реализована посредством четырёхкаскадного биполярного линейного усилителя с использованием тонкоплёночной технологии и интерактивной лазерной подгонкой.

Согласно техническому заданию, индикатор должен отображать значения веса от 0 до 250 кг., с точностью 0,5 кг, а значит индикатор должен быть четырёхразрядным и иметь десятичную точку. Входное напряжение - 5 В. Существуют следующие виды индикаторов:

Семисегментные индикаторы - индикаторы, у которых управляется каждый сегмент:

- двоично-десятичные индикаторы - индикаторы, управляемые шестнадцатеричным кодом, т.е. могут выводиться числа от 0 до 9 и буквы английского алфавита от A до F.

- индикаторы с динамической индикацией - индикаторы, у которых все разряды выводятся по очереди (минимальная частота обновления 30 Гц)

- программируемые индикаторы - индикаторы, управляемые микропроцессорами.

Для электронных весов нужно выбрать семисегментный индикатор, имеющий четыре разряда.

Рассмотрим индикатор LFD2110-XX, имеющий следующие характеристики :

- число разрядов - 4;

- входное напряжение -1, 5..3 В;

- высота цифр - 7 мм;

- данный индикатор не подходит, входное напряжение не 5 В;

Рассмотрим индикатор LFD3162-XX, имеющий следующие характеристики :

- число разрядов - 4;

- входное напряжение -1, 5..3 В;

- высота цифр - 9,2 мм;

- данный индикатор не подходит, входное напряжение не 5 В;

Рассмотрим индикатор LFD3164-XX, имеющий следующие характеристики :

- число разрядов - 4;

- входное напряжение -1, 5..3 В;

- высота цифр - 9,2 мм;

- данный индикатор не подходит,. входное напряжение не 5 В;

- индикатор HD44780 не подходит, т.к. он программируемый, в данной работе не нужен весь спектр его возможностей;

Рассмотрим индикатор DE-119, имеющий следующие характеристики :

- число разрядов - 4;

- входное напряжение -5 В;

- высота цифр - 12,7 мм;

Данный индикатор подходит по всем критериям. Он является жидкокристаллическим, эти индикаторы характеризуются низким энергопотреблением по сравнению со светодиодными, но у них есть и недостатки: плохая видимость пли плохом освещении, плохая работоспособность при низкой температуре. Индикатор DE-119 имеет следующий вид:

2.4 Выбор микроконтроллера

Микроконтроллер для электронных весов должен иметь встроенный десятиразрядный АЦП (Аналогово-цифровой преобразователь), четыре восьмиразрядных порта ввода/вывода, напряжение питания 5 В.

Существуют разнообразные виды управляющих микроконтроллеров . Контроллеры классифицируют по разрядности:

Четырехразрядные - самые простые и дешёвые устройства, предназначенные для замены несложных схем на “жёсткой” логике в системах с невысоким быстродействием. Типичные случаи применения- часы, калькуляторы, игрушки, простые устройства управления.

Восьмиразрядные - наиболее многочисленная группа (оптимальное сочетание цены и возможностей). К этой группе относятся микроконтроллеры серии MCS-51 (Intel) и совместимые с ними: PIC (MicroChip), HC68 (Motorola), Z8 (Zilog) и др.

Шестнадцатиразрядные - MCS-96 (Intel) и др. - более высокопроизводительные, но более дорогостоящие и менее распространённые.

Тридцатидвухразрядные - обычно являющиеся модификациями универсальных микропроцессоров, например i80186 или i386EX.

Для электронных весов будем выбирать восьмиразрядный микроконтроллер семейства MCS-51, т.к. это семейство является несомненным чемпионом по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих его модификации.

2.5 Формирование принципиальной электрической схемы

Рисунок 4 - Схема электрическая принципиальная электронных весов

2.6 Разработка алгоритма

Алгоритм работы электронных весов должен быть следующим:

Подготовка АЦП - настройка АЦП (номер канала AN1..AN7, режим работы: стандартный или точный, прерывания), старт преобразования.

Считывание данных с АЦП. Преобразованное число хранится в регистрах ADDH и ADDL (старший и младший байты соответственно)

Преобразование кода младшего разряда в код семисегментного индикатора. Так как по техническому заданию необходимо обеспечить точность 0,5 кг., младший разряд (десятые) будет принимать значения “0” или “5”. Код, который нужно преобразовать находится в двух младших разрядах ADDL.

Вывод младшего разряда. Выводим преобразованное число на порт P3, т.е. на -1-й разряд индикатора.

Преобразование кода остальных разрядов в двоично-десятичный код. То есть преобразование двоичного восьмиразрядного числа в двоично-десятичное (число, в котором каждая десятичная цифра представлена четырьмя битами).

Преобразование кода остальных разрядов в код семисегментного индикатора. Каждая цифра двоично-десятичного должна быть представлена семиразрядным эквивалентом, для последующего вывода на индикатор.

Вывод остальных разрядов. Вывод 2-го, 1-го и 0-го разрядов на индикатор.

2.7 Построение программы

Теперь необходимо преобразовать -1-й разряд числа в семисегментный код и вывести на P3 (-1-й разряд хранится в двух младших битах младшего байта числа)

Таблица 1 - Таблица преобразования -1-го разряда.

Двоичный код	Семисегментный код
00	01101101
01	01101101
10	01111110
11	01111110

Необходимо сдвинуть 2 старших разряда числа (находящихся в R2) в R1, а два младших разряда убрать, т.к. они уже выведены на индикатор. Это можно сделать два раза сдвинув вправо через флаг переноса регистры R2 и R1, т.к. операцию сдвига можно осуществлять только над аккумулятором, предварительно запишем в него содержимое регистров R2 и R1. Весь алгоритм будет выглядеть следующим образом:

- записать содержимое R2 в аккумулятор;

- сдвинуть аккумулятор на один бит вправо;

- записать содержимое аккумулятора в R2;

- записать содержимое R1 в аккумулятор;

- сдвинуть аккумулятор на один бит вправо;

- записать содержимое аккумулятора в R1;

- записать содержимое R2 в аккумулятор;

- сдвинуть аккумулятор на один бит вправо;

- записать содержимое аккумулятора в R2;

- записать содержимое R1 в аккумулятор;

- сдвинуть аккумулятор на один бит вправо;

- записать содержимое аккумулятора в R1;

Теперь необходимо преобразовать код остальных разрядов в двоично-десятичный код, что делается следующим образом:

- делим исходное число на 10, остатком от деления будет двоично-десятичный код 0-го разряда.

- результат деления снова делим на 10, остатком от деления будет двоично-десятичный код 1-го разряда.

- результат деления снова делим на 10, остатком от деления будет двоично-десятичный код 2-го разряда.

- двоично-десятичный код запомним в регистрах R4, R3, R2, теперь его нужно преобразовать в код семисегментного индикатора, для этого будем использовать подпрограмму PR, предварительно записав преобразуемое число в стек, после вызова PR в стеке будет содержаться уже преобразованное число. Преобразование будет осуществляться методом простого перебора всех вариантов.

После вызова подпрограммы PR, считываем данные из стека и выводим их на соответствующий порт, также необходимо вывести десятичную точку P2.7.

Заключение

электронный весы датчик микроконтроллер

В данном курсовом проекте разработана схема электронных весов. Кроме этого его принципиальная, структурная и логическая схемы, описан полный принцип его действия, способы настройки весов и полный перечень элементов, и их технические характеристики.

Выполняя курсовой проект, был закреплен теоретический материал, изученный в IV и V семестрах по дисциплине «Схемотехника ЭВМ». При выполнении курсового проекта были использованы знания, полученные при изучении «Электроники и электротехники».

Литература

1 www.gaw.ru/html/cgi/txt/pub/sensor/index.html

2 Техническая документация к датчику давления DMP330H.-108 с.

3 Техническая документация к датчику давления DMP331.-109 с.

4 Техническая документация к датчику давления DMP341.-115 с.

5 Техническая документация к датчику давления DPS100.- 118 с.

6 sub.chipdoc.ru/html.cgi/txt/lcd/chips/hd44780/start.htm

7 www.powerlight.ru

8 А.В.Фрунзе, А.А.Фрунзе. Микроконтроллеры? Это же просто! ООО “ИД СКИМЕН”, 2003г. - 14 с.

Размещено на Allbest.ru

...