【正文】 百，采用方案一經(jīng)費(fèi)將大大超過本次課程設(shè)計(jì)的預(yù)算；2. 方案二采用HX711A/D轉(zhuǎn)換器以及LCD12864液晶顯示器，但由于本次設(shè)計(jì)是第一次將單片機(jī)與數(shù)字電子電和模擬電子運(yùn)用于實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，我們尚未完全的掌握單片機(jī)的知識(shí)，對(duì)HX711以及LCD12864電路還不能達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)；3. 方案三所需元器件多為我們所熟悉以及常用的，其中的上位機(jī)部分也為我們本學(xué)期所學(xué)知識(shí)，且方案三思路清晰，操作可行。所以綜合各個(gè)方面的因數(shù)，我選擇了方案三做為本次課程設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象，本文也將注重介紹方案三的設(shè)計(jì)方法。工作原理簡(jiǎn)述：模擬量壓力傳感器采集信號(hào)變化，信號(hào)經(jīng)過放大器進(jìn)行信號(hào)放大然后通過A/D轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字量，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，人機(jī)交互界面采用鍵盤輸入以及LCD1602液晶顯示外加報(bào)警電路進(jìn)行超重報(bào)警，串口將處理后的重量數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)存儲(chǔ)以實(shí)現(xiàn)批量稱重功能。最終方案框圖如下： 設(shè)計(jì)方案框圖3單元模塊設(shè)計(jì)及仿真本節(jié)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以及各個(gè)單元模塊之間的聯(lián)接關(guān)系，同時(shí)本節(jié)也會(huì)對(duì)相關(guān)電路中的參數(shù)計(jì)算、元器件選擇、以及核心器件進(jìn)行必要說明。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR和MPLAB等多種編譯器。STC89C52是一種低功耗、高性能8位微控制器，具有8K的可編程flash存儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。內(nèi)512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHZ，6T/12T可選。片上flash允許程序存儲(chǔ)器在線可編程，也適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)上可編程閃爍存儲(chǔ)單元，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案，因此在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了51單片機(jī)作為解決方案。晶振：全稱為晶體振蕩器，其作用在于產(chǎn)生原始的時(shí)鐘頻率，這個(gè)頻率經(jīng)過頻率發(fā)生器的放大或縮小后就成了電腦中各種不同的總線頻率。晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機(jī)電器件，是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個(gè)很重要的特性，如果給它通電，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振蕩，反之，如果給它機(jī)械力，它又會(huì)產(chǎn)生電，這種特性叫機(jī)電效應(yīng)。復(fù)位電路：是用來讓單片機(jī)返回到初始狀態(tài)的輔助電路，其作用是當(dāng)單片機(jī)程序跑飛或系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)狀態(tài)時(shí)可以讓系統(tǒng)從新恢復(fù)工作。本系統(tǒng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)具有上電復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位兩種復(fù)位方式。系統(tǒng)主控電路由STC89C52單片機(jī)及晶振電路和復(fù)位電路組成，該電路作為整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心單元。數(shù)據(jù)采集模塊電路主要包括壓力傳感器、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，其中壓力傳感器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為可為系統(tǒng)所測(cè)量的電信號(hào)，信號(hào)放大電路將微弱的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可為后端采集的高電壓大電流信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換電路主要是將前端采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)易于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字信號(hào)。各模塊的具體選擇與設(shè)計(jì)如下：。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：，測(cè)量范圍廣；，性能穩(wěn)定可靠；、尺寸小、重量輕，因此在測(cè)量時(shí)，對(duì)工件工作狀態(tài)及應(yīng)力分布影響??；。應(yīng)變片響應(yīng)時(shí)間約為100ns；、高速、高溫、強(qiáng)烈振動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境條件下工作；，價(jià)格便宜。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。應(yīng)變片式電阻傳感器應(yīng)用很廣。本設(shè)計(jì)采用的是HL8梁式力傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高。適用于小壓力測(cè)量。表31 HL8壓力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)量程（kg）3,15綜合誤差(%)額定輸出溫度飄移(%℃)≤靈敏度(mv/v)177。零點(diǎn)輸出(mV/V)177。非線性(%)輸入電阻(Ω)1000177。50重復(fù)性(%)輸出電阻(Ω)1000177。50滯后(%)絕緣電阻(MΩ)≥2000(100VDC)蠕變(%)推薦激勵(lì)電壓(V)5～10零點(diǎn)漂移(%)工作溫度范圍(℃)10～+50零點(diǎn)溫度漂移(%℃)過載能力(%)150應(yīng)變式傳感器常用的測(cè)量電路有單臂電橋、差動(dòng)半橋和差動(dòng)全橋，其中差動(dòng)全橋可提高電橋的靈敏度，消除電橋的非線性誤差，并可消除溫度誤差等共模干擾。一般在測(cè)量中都使用4片應(yīng)變片組成差動(dòng)全橋，本設(shè)計(jì)所采用的傳感器就是全橋測(cè)量電路。橋式測(cè)量電路有四個(gè)電阻，其中任何一個(gè)都可以是電阻應(yīng)變片電阻，電橋的一個(gè)對(duì)角線接入工作電壓U，另一個(gè)對(duì)角線位輸出電壓Uo。其特點(diǎn)是：當(dāng)四個(gè)橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，可用靈敏檢流計(jì)來測(cè)量，所以電橋能夠精確地測(cè)量微小的電阻變化。應(yīng)變電阻作為橋臂電阻接在電橋電路中。無壓力時(shí)，電橋平衡，輸出電壓為零；有壓力時(shí)，電橋的橋臂電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡。 全橋測(cè)量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩片應(yīng)變片接入電橋?qū)叀Ｆ漭敵鲮`敏度比半橋提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到了改善。稱重傳感器輸出電壓振幅范圍0～20mV。而A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求為0～2V，因此放大環(huán)節(jié)要有100倍左右的增益。對(duì)放大環(huán)節(jié)的要求是增益可調(diào)的（70～150倍），根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況增益設(shè)為100倍即可，零點(diǎn)和增益的溫度漂移和時(shí)間漂移極小。按照輸入電壓20mV，分辨率20000碼的情況，漂移要小于1181。V。由于其具有極低的失調(diào)電壓的溫漂和時(shí)漂（177。1181。V），從而保證了放大環(huán)節(jié)對(duì)零點(diǎn)漂移的要求。殘余的一點(diǎn)漂移依靠軟件的自動(dòng)零點(diǎn)跟蹤來徹底解決。穩(wěn)定的增益量可以保證其負(fù)反饋回路的穩(wěn)定性，并且最好選用高阻值的電阻和多圈電位器。在前級(jí)處理電路部分，我們考慮可以采用以下幾種方案：方案一、利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成前級(jí)處理電路，普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)引入大量噪聲。由于A/D轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號(hào)就會(huì)直接影響最后的測(cè)量精度。所以，此種方案不宜采用。方案二、主要由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器，而構(gòu)成的前級(jí)處理電路；差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放(如OP07)做成一個(gè)差動(dòng)放大器。方案三、采用專用儀表放大器，如：INA128，INA121等構(gòu)成前級(jí)處理電路。 INA128原理圖本模塊首級(jí)采用專用儀表放大器INA128，對(duì)輸入電壓進(jìn)行初級(jí)10倍放大，且它很好的抑制了共模信號(hào)對(duì)電路的影響。采用雙電源供電，將該運(yùn)放功能充分利用，然后級(jí)采用低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路，由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。為了轉(zhuǎn)換精確，我們還是在1腳8和腳接滑動(dòng)變阻器來調(diào)節(jié)偏置電壓，OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為177。2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。INA128原理圖如下。 A/D轉(zhuǎn)換電路選擇與設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這一部分處理不好，會(huì)使得整個(gè)設(shè)計(jì)毫無意義。目前，世界上有多種類型的ADC，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型ADC，也有近年來新發(fā)展起來的∑Δ型和流水線型ADC，多種類型的ADC各有其優(yōu)缺點(diǎn)并能滿足不同的具體應(yīng)用要求。目前， ADC集成電路主要有以下幾種類型：（1）并行比較A/D轉(zhuǎn)換器：如ADC080 ADC0809等 。并行比較ADC是現(xiàn)今速度最快的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率在1GSPS以上，通常稱為“閃爍式”ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四種分組成。這種結(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換同時(shí)完成，其轉(zhuǎn)換時(shí)間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時(shí)間延遲等。缺點(diǎn)是：并行比較式A/D轉(zhuǎn)換的抗干擾能力差，由于工藝限制，其分辨率一般不高于8位，因此并行比較式A/D只適合于數(shù)字示波器等轉(zhuǎn)換速度較快的儀器中，不適合本系統(tǒng)。(2）逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ADS780ADS7804等。逐次逼近型ADC是應(yīng)用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，這一類型ADC的優(yōu)點(diǎn)：高速，采樣速率可達(dá) 1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當(dāng)?shù)?；在分辨率低?2位時(shí)，價(jià)格較低。缺點(diǎn)：在高于14位分辨率情況下，價(jià)格較高；傳感器產(chǎn)生的信號(hào)在進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要進(jìn)行調(diào)理，包括增益級(jí)和濾波，這樣會(huì)明顯增加成本。(3）積分型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ICL713ICL710ICL154MC14433等。積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，是應(yīng)用比較廣泛的一類轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔。與此同時(shí)，在此時(shí)間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。積分型ADC兩次積分的時(shí)間都是利用同一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和計(jì)數(shù)器來確定，因此