基于A(yíng)Tmega16單片機的數字電子秤的設計

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

0 引言

隨著(zhù)電子技術(shù)和自動(dòng)化測量技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統的稱(chēng)重系統在功能、精度、性?xún)r(jià)比等方面已難以滿(mǎn)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(lái)，新型單片機的出現和集成電路技術(shù)的發(fā)展為更新產(chǎn)品設計，研制高性?xún)r(jià)比的稱(chēng)重控制器提供了條件。本設計采用AVR單片機為控制核心，結合電阻應變式壓力傳感器和相應的信號采集電路，設計出一種高精度、多功能、低成本的新型電子秤。

1 系統總體設計

首先由稱(chēng)重傳感器采集因壓力變化而產(chǎn)生的電壓信號，通過(guò)A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號，把數字信號送入AVR單片機，單片機做相應的處理后，得到當前物體重量的數據，并通過(guò)LCD顯示出來(lái)。系統硬件結構如圖1所示。

系統硬件電路包括A/D轉換模塊、4×4矩陣鍵盤(pán)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(pán)掃描模塊、A/D轉換模塊和LCD1602模塊。

2 系統硬件設計

2.1 AVR單片機

本設計是選用AVR系列單片機中的ATmega16作為微控制器。ATmega16是基于增強型AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集和單時(shí)鐘周期指令執行時(shí)間，ATmega16L的數據吞吐量高達1MIPS/MHz，在片內集成了16kB的可編程FLASH，512B的E2PROM，1kB的片內SDRAM。在外設方面，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和其他外設進(jìn)行高速的數據傳輸。

2.2 稱(chēng)重傳感器

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

本設計選用湖南宇航公司的SB-B型懸臂式稱(chēng)重傳感器，額定量程5kg，靈敏度3mv/V，非線(xiàn)性誤差0.03%ES，重復性誤差0.02%ES，蠕變(30分鐘)O.03%F.S，零點(diǎn)溫度漂移0.03%F.S./10℃，溫度補償范圍-10～60℃。該系列傳感器采用懸臂單剪切結構，過(guò)載能力強，受力后自動(dòng)調心好，具有精度高、長(cháng)期穩定性好、抗疲勞、抗偏載能力強的特點(diǎn)。

2.3 高精度A/D轉換

稱(chēng)重傳感器輸出的是mV級的電壓信號，本設計采用AD7705對信號進(jìn)行采集。AD7705是AD公司推出的一種基于∑-△轉換技術(shù)的16位A/D轉換芯片，它具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準、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(chēng)重系統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。

當傳感器加上滿(mǎn)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提供基準電壓，因此工作電壓的變化不會(huì )產(chǎn)生系統誤差。分壓電阻為24kΩ和15kΩ，產(chǎn)生的基準電壓為1.92V。當器件的可編程增益為128時(shí)，對應的滿(mǎn)量程輸入電壓即為15mV。

2.4 人機通訊

人機通訊包括鍵盤(pán)掃描、LCD、蜂鳴器報警三個(gè)部分，鍵盤(pán)采用4×4矩陣掃描鍵盤(pán)，接在單片機的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液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了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;蜂鳴器的作用是當稱(chēng)重物品超出傳感器的量程時(shí)，以鳴響報警提示用戶(hù)。

3 系統軟件設計

系統軟件開(kāi)發(fā)平臺為WinAVR，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言。為了方便程序調試和提高可靠性，程序設計采用自上而下、模塊化、結構化的程序設計方法。本設計按任務(wù)模塊劃分的程序主要有初始化程序、主程序、A/D轉換子程序、LCD顯示子程序、鍵盤(pán)掃描子程序。

系統工作時(shí)分為初始界面模式和稱(chēng)重模式，可設一標志位進(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(hù)可以在電子秤上放置想要稱(chēng)重的物品;第二行顯示Price：”，提示用戶(hù)輸入物品的單價(jià)。

隨后系統進(jìn)入鍵盤(pán)掃描狀態(tài)，當相應的稱(chēng)重按鍵被按下時(shí)，單片機控制AD7705進(jìn)行AD轉換，把得到的結果進(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(chēng)重精度為1g。以此不斷地循環(huán)完成對物品的實(shí)時(shí)測量。主程序流程圖如圖5所示。

4 結束語(yǔ)

文章提出了一種基于A(yíng)Tmega16單片機的數字電子秤的設計，充分發(fā)揮了AVR單片機的強大的控制能力，通過(guò)稱(chēng)重傳感器和16位的AD7705轉換器實(shí)現了對重量的高精度測量，具有成本低、穩定性強、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。系統在電子秤的實(shí)際應用中得到了滿(mǎn)意的效果。