基于AVR單片機(jī)高精度電子秤設(shè)計(jì)

摘要：本設(shè)計(jì)是采用AVR單片機(jī)作為微控制器，結(jié)合壓力傳感器、AD7705、LCD1602實(shí)現(xiàn)的一種高精度多功能數(shù)字電子秤。文章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件電路組成以及軟件的開(kāi)發(fā)流程。本設(shè)計(jì)具有體積小、成本低、精確度高、可靠性高等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：AVR；稱重：AD轉(zhuǎn)換；SPI；液晶

0 引言
    隨著電子技術(shù)和自動(dòng)化測(cè)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(jià)比等方面已難以滿足人們的需要，尤其在智能化、便攜式、對(duì)微小質(zhì)量的測(cè)量方面更顯得力不從心。近年來(lái)，新型單片機(jī)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(jì)，研制高性價(jià)比的稱重控制器提供了條件。本設(shè)計(jì)采用AVR單片機(jī)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(hào)采集電路，設(shè)計(jì)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(jì)
    首先由稱重傳感器采集因壓力變化而產(chǎn)生的電壓信號(hào)，通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，把數(shù)字信號(hào)送入AVR單片機(jī)，單片機(jī)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(guò)LCD顯示出來(lái)。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(bào)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(jì)
2．1 AVR單片機(jī)
    本設(shè)計(jì)是選用AVR系列單片機(jī)中的ATmega16作為微控制器。ATmega16是基于增強(qiáng)型AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集和單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16L的數(shù)據(jù)吞吐量高達(dá)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(gè)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(jìn)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(jì)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(hào)的傳感器。在電阻應(yīng)變式稱重傳感器中通過(guò)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(jì)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(diǎn)溫度漂移0．03％F．S．／10℃，溫度補(bǔ)償范圍-10～60℃。該系列傳感器采用懸臂單剪切結(jié)構(gòu)，過(guò)載能力強(qiáng)，受力后自動(dòng)調(diào)心好，具有精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、抗疲勞、抗偏載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
2．3 高精度A／D轉(zhuǎn)換
    稱重傳感器輸出的是mV級(jí)的電壓信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用AD7705對(duì)信號(hào)進(jìn)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(dòng)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(diǎn)，適合于稱重系統(tǒng)中微機(jī)信號(hào)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(jī)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(shí)，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(huì)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(shí)，對(duì)應(yīng)的滿量程輸入電壓即為15mV。
2．4 人機(jī)通訊
    人機(jī)通訊包括鍵盤掃描、LCD、蜂鳴器報(bào)警三個(gè)部分，鍵盤采用4×4矩陣掃描鍵盤，接在單片機(jī)的PC口；顯示部分采用的是LCD1602液晶，能夠同時(shí)顯示16×2即32個(gè)字符。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器(CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，編程時(shí)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(shí)，以鳴響報(bào)警提示用戶。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為WinAVR，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言。為了方便程序調(diào)試和提高可靠性，程序設(shè)計(jì)采用自上而下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)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(shí)分為初始界面模式和稱重模式，可設(shè)一標(biāo)志位進(jìn)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(jià)。
    隨后系統(tǒng)進(jìn)入鍵盤掃描狀態(tài)，當(dāng)相應(yīng)的稱重按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)控制AD7705進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，把得到的結(jié)果進(jìn)行處理后通過(guò)LCD顯示出來(lái)。顯示包括物品的重量和總價(jià)，稱重精度為1g。以此不斷地循環(huán)完成對(duì)物品的實(shí)時(shí)測(cè)量。主程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文章提出了一種基于ATmega16單片機(jī)的數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了AVR單片機(jī)的強(qiáng)大的控制能力，通過(guò)稱重傳感器和16位的AD7705轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了對(duì)重量的高精度測(cè)量，具有成本低、穩(wěn)定性強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。系統(tǒng)在電子秤的實(shí)際應(yīng)用中得到了滿意的效果。