【正文】 人們所需要的皮帶速度。一般地信號(hào)的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換以及信號(hào)各種運(yùn)算處理都在儀表中完成。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路微控制器技術(shù)傳感器技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,電子產(chǎn)品的更新速度達(dá)到了日新月異的地步。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中,除了能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能外,還增加了打印和通訊功能,可以實(shí)現(xiàn)和其他機(jī)器或設(shè)備（包括上位PC機(jī)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備）,系統(tǒng)的微控制器部分選擇了兼容性比較好的AT89系列單片機(jī),在系統(tǒng)更新?lián)Q代的時(shí)候,只需要增加很少的硬件電路,甚至僅僅刪改系統(tǒng)控制程序就能夠?qū)崿F(xiàn)。另外由當(dāng)中，稱可以有一定于實(shí)際應(yīng)用量的過載，但不能超出要求的范圍。綜上所述,本系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思路是：利用壓力傳感器采集因壓力變化產(chǎn)生的電壓信號(hào)，經(jīng)過電壓放大電路放大，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后把數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)過相應(yīng)的處理后，得出當(dāng)前所稱物品的重量，然后再顯示出來。同時(shí)依據(jù)操作人員所給的設(shè)定值，單片機(jī)通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到對(duì)皮帶的速度相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以此達(dá)到工作時(shí)人們所想要的皮帶速度。第2章 系統(tǒng)方案論證與選型第2章 系統(tǒng)方案論證與選型本系統(tǒng)由5個(gè)部分組成:控制部分、測(cè)量部分、數(shù)據(jù)顯示部分、鍵盤部分、和電路電源部分,系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖21所示。單片機(jī)A\D轉(zhuǎn)換稱重傳感器皮帶機(jī)電機(jī)放大電路LED鍵盤可控硅調(diào)功調(diào)速電路 設(shè)計(jì)思路框圖測(cè)量部分是利用稱重傳感器檢測(cè)壓力信號(hào)，得到微弱的電信號(hào)（本設(shè)計(jì)為電壓信號(hào)），而后經(jīng)處理電路（如濾波電路，差動(dòng)放大電路，）處理后，送A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出?？刂破鞑糠纸邮軄碜訟/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號(hào)，并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元中。同時(shí)控制器還可以接受來自鍵盤輸入的數(shù)字速度數(shù)值命令，經(jīng)過控制器相應(yīng)的軟件處理，指令信號(hào)通過I\O口送入可控硅調(diào)功調(diào)速電路，可控硅調(diào)功調(diào)速電路依據(jù)指令調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而受電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的皮帶的傳輸速度也發(fā)生相應(yīng)的改變?？刂破鬟€可以通過對(duì)擴(kuò)展I/O的控制，對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，而后通過鍵盤散轉(zhuǎn)程序，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)顯示功能。 控制器選擇本系統(tǒng)由于要求必須使用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器,而且以單片機(jī)為主控制器的設(shè)計(jì)，可以容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測(cè)量控制系統(tǒng)”。這種新型的智能儀表在測(cè)量過程自動(dòng)化、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、控制過程的便捷性以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進(jìn)展。根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)的分析,可以選用帶EEPROM的單片機(jī),由于應(yīng)用程序不大,應(yīng)用程序直接存儲(chǔ)在片內(nèi),不用在外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器，這樣電路也可簡(jiǎn)化。intel公司的8051和8751都可使用，在這里選用ATMENL生產(chǎn)的AT89CXX系列單片機(jī)。AT89CXX有兩大優(yōu)勢(shì):第一，片內(nèi)存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器,使程序?qū)懭敫臃奖?；第二，提供了更小尺寸的芯?使整個(gè)硬件電路體積更小,此外價(jià)格低廉性能比較穩(wěn)定的MCPU,具有8K8ROM、2568RAM、2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、4個(gè)8位I/O接口,這些配置能夠很好地實(shí)現(xiàn)本儀器的測(cè)量和控制要求。[2]最后方案確定選擇AT89C51這個(gè)比較常用的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。 系統(tǒng)檢測(cè)控制部分的硬件選擇由于定量給料皮帶秤的數(shù)據(jù)采集部分主要包括稱重傳感器、處理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，而對(duì)電機(jī)的控制是可控硅電路，因此此部分的論證主要分以下四方面。 傳感器的選擇傳感器是一個(gè)十分重要的元件,因此對(duì)傳感器的選擇也顯的特別的重要,不僅要注意其量程和參數(shù),還有考慮到與其相配置的各種電路的設(shè)計(jì)的難以程度和設(shè)計(jì)性價(jià)比等等。傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個(gè)數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最大偏載及動(dòng)載等因素綜合評(píng)價(jià)來確定。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個(gè)傳感器的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高。但在實(shí)際使用時(shí)，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動(dòng)沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時(shí)，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。傳感器量程的計(jì)算公式是在充分考慮到影響秤體的各個(gè)因素后，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)而確定的。其公式如下：C=K0K1K2K3(WmaxW)/N (21) C—單個(gè)傳感器的額定量程；W—秤體自重；Wmax—被稱物體凈重的最大值；N—秤體所采用支撐點(diǎn)的數(shù)量；K0—保險(xiǎn)系數(shù)，～；K1—沖擊系數(shù)；K2—秤體的重心偏移系數(shù)；K3—風(fēng)壓系數(shù)。[3]綜合考慮,本系統(tǒng)采用CHBW電阻應(yīng)變式傳感器,其最大量程為1000kg的稱重傳感器由雙彎曲梁結(jié)構(gòu)，優(yōu)質(zhì)合金鋼制造。四角誤差校準(zhǔn)，偏聽偏信心載荷保持精度。長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，可靠性高，密封防塵設(shè)計(jì)，感器測(cè)量精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于基于單片機(jī)的電子皮帶秤。該稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成。【4】其工作原理如圖22所示： 稱重傳感器工作原理圖表21 壓力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)準(zhǔn)確度等級(jí) Accuracy class C3 額定載荷Rated load kg 501000靈敏度 Sensitivity mV/V 非線性 Nonlinearity %. 滯后 Hysteresis 重復(fù)性 Repeatability 蠕變 Creep %./30min 蠕變恢復(fù) creep recovery 零點(diǎn)輸出 Zero balance %. 177。1 零點(diǎn)溫度系數(shù) Zero temperature coefficient %./10℃ 177。 額定輸出溫度系數(shù)Rated output temperature coefficient 輸入電阻 Input resistance Ω 380177。2Ω輸出電阻 Output resistance Ω 350177。2Ω絕緣電阻 Insulation resistance MΩ ≥5000 放大電路選擇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?！?】由圖22稱重傳感器的工作原理圖可知，電阻應(yīng)變片組成的傳感器是把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成ΔR/R，而應(yīng)變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應(yīng)變片電阻值120Ω，靈敏系數(shù) K=2，彈性體在額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000ε，應(yīng)變電阻相對(duì)變化量為：ΔR/R=Kε=21000－6 = （22），%。這樣小的電阻變化既難以直接精確測(cè)量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變計(jì)的ΔR/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，但是這個(gè)電壓或電流信號(hào)很小，需要增加增益放大電路來把這個(gè)電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以被A/D轉(zhuǎn)換芯片接收的信號(hào)。在前級(jí)處理電路部分，我們考慮可以采用以下兩種方案：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(TL062)做成一個(gè)差動(dòng)放大器?！?】： 利用普通運(yùn)放設(shè)計(jì)的差動(dòng)放大器比較稱重傳感器和差動(dòng)放大器的放大倍數(shù)，如果差動(dòng)放大器倍數(shù)略大于稱重傳感器（≤5%），則系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求。其計(jì)算結(jié)果如下： 稱重傳感器輸出電壓為5V，并且它的靈敏度為2MV/V，則放大倍數(shù)為： 52 = 10 MV 差動(dòng)放大器運(yùn)算放大倍數(shù)： K =（1+R3/R4）?（1+2R5/W） =（1+400/100）?（1+2*200/4） = 505倍 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇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。ADC集成電路類型介紹⑴ 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)。⑵ 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。⑶ 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，因此所得到的表達(dá)式與時(shí)鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對(duì)交流噪聲的干擾有很強(qiáng)的抑制能力。若把積分器定時(shí)積分的時(shí)間取為工頻信號(hào)的整數(shù)倍，可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而有效地抑制電網(wǎng)的工頻干擾。這類ADC主要應(yīng)用于低速、精密測(cè)量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表。其優(yōu)點(diǎn)是：分辨率高，可達(dá)22位；功耗低、成本低。缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在12位時(shí)為100～300SPS。 ⑷ 壓頻變換型ADC：其優(yōu)點(diǎn)是：精度高、價(jià)格較低、功耗較低。缺點(diǎn)是：類似于積分型ADC，其轉(zhuǎn)換速率受到限制，12位時(shí)為100～300SPS?！?】MAX187功能及應(yīng)用介紹 根據(jù)系統(tǒng)的精度要求以及綜合的分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了12位A/D MAX187轉(zhuǎn)換器。A/D MAX187轉(zhuǎn)換器是美國MAXIM公司生產(chǎn)的一種串行A/D 轉(zhuǎn)換器,具有低功耗、高精度、高速度、體積小、接口簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。它是一種單通道12 位逐次逼近型串行A/ D 轉(zhuǎn)換器,內(nèi)部設(shè)有采樣保持電路,采用單一的+5V 供電,接收0～+5V 模擬信號(hào)輸入。⑴ MAX187特點(diǎn)① 12位分辨率；② 單一+ 5V 工作電壓, ,關(guān)斷電流2μA ；③ 內(nèi)部采樣/ 保持電路,75Ksps 采樣速率；④ 177。1/2LSB 整體非線形度；⑤ 基準(zhǔn)電壓, 與SPI、QSPI 及Mi2crowire 兼容的3 線串行接口。⑵ MAX187結(jié)構(gòu)① MAX187引腳MAX187 串行A/ D 轉(zhuǎn)換器有DIP/ SO 兩種封裝。如圖24所示(DIP封裝) 。VDD ：電源端　接+ 5V ；AIN ：采樣模擬信號(hào)輸入端,0 VREF ；SHDN ：三電平關(guān)閉輸入端；REF : 用于模擬轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓端,使用外部基準(zhǔn)電源時(shí)用作輸；。GND : 模擬地和數(shù)字地；CS: 片選信號(hào)輸入端；SCLK:串行時(shí)鐘輸入端；DOUT:串行數(shù)據(jù)輸入端,數(shù)據(jù)在SCLK下降沿輸出。② MAX187內(nèi)部結(jié)構(gòu) MAX187內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 。片內(nèi)包括12 位逐次逼近ADC、比較器、DAC、采樣/ 保持器、輸出移位寄存器等?！?】⑶ MAX187特性及特點(diǎn)① 工作方式控制選擇1）SHDN = 0 ,MAX187 工作在關(guān)斷方式,僅需提供10μA 電流；2）SHDN = 1 ,MAX187 工作在普通方式,使用內(nèi)部參考電源；3) SHDN 懸空,MAX187 內(nèi)部參考電壓無效,允許在REF 管腳輸入外部參考電源。② 工作過程簡(jiǎn)述MAX187 。 MAX187工作時(shí)序圖MAX187 的工作過程實(shí)現(xiàn)如下：1）保持SCLK= 0 ,CS 的下降沿使采樣/ 保持器開始工作,轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 在轉(zhuǎn)換期間應(yīng)始終保持SCLK= 0 。數(shù)據(jù)輸出前應(yīng)保持CS = 0。2）經(jīng)過一個(gè)內(nèi)部8. 5μs 轉(zhuǎn)換周期后,DOUT 被拉為高點(diǎn)平,轉(zhuǎn)換結(jié)束,數(shù)據(jù)在SCLK的時(shí)序控制下從OUT 端輸出。3) 在轉(zhuǎn)換結(jié)束后,可在任何時(shí)刻通過SCLK時(shí)鐘將數(shù)據(jù)移出移位寄存器。DOUT 在SCLK的下降沿開始輸出,下一個(gè)時(shí)鐘的下降沿在DOUT 端產(chǎn)生一個(gè)MSB ,由于有12 位和一個(gè)開始位,所以至少有13 個(gè)時(shí)鐘周期來移出這些數(shù)據(jù)。4) 連續(xù)13 個(gè)SCLK周期后,使CS = 1 ,DOUT 變?yōu)楦咦钁B(tài),結(jié)束一個(gè)完整的轉(zhuǎn)變周期。如果13 個(gè)SCLK周期后,CS 仍為0 ,這時(shí)SCLK仍不斷發(fā)生,DOUT 端在LSB 后將輸出“0”,成為無效位。5) 在兩個(gè)操作周期間應(yīng)保持一個(gè)最小時(shí)間間隔Tcs = ,以使A/ D 轉(zhuǎn)換器完成初始化,。⑷ MAX187 在工業(yè)污水水質(zhì)及排放總量在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用① MAX187 與AT89C51 單片機(jī)的接口MAX187 和AT89C51 。 MAX187與89C51接口電路工業(yè)污水水質(zhì)及排放總量在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要有污水采樣和