【正文】 合考慮，目前大量生產(chǎn)的仍然是電阻應變式傳感器。它在稱重傳感器中所占的比例達 90％以上。電阻應變式傳感器 近幾年在性能上又有了提高。 隨著工業(yè)控制系統(tǒng)向數(shù)字化發(fā)展，近幾年來數(shù)字式稱重傳感器也被開發(fā)和應用。由干它直接輸出數(shù)字量，大大提高了傳輸中的抗干擾能力，并使得與計算機的通信極為方便 [12]。由于取消了儀表中的模擬放大、 A/D 轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，使儀表大為簡化在計算機中顯示和控制的場合，可以不用稱重儀表。目前這種傳感器大致有兩類：電阻應變式數(shù)字稱重傳感器和新型數(shù)字式稱重傳感器。 稱重儀是電子衡器的一種，電子衡器是自動化稱重控制和貿(mào)易計量的重要手段，對加強企業(yè)管理、嚴格生產(chǎn)、貿(mào)易結(jié)算、交通運輸、港口計量和科學研究都起到了 重要作用。電子衡器具有反應速度快、測量范圍廣、應用面廣、結(jié)構簡單、使用操作方便、信號遠傳便于計算機控制等特點，被廣泛應用于煤炭、石油、化工、電力、輕工、冶金、礦山、交通運輸、港口建筑機械制造和國防等各個領域。 稱重儀表由于采用了低漂移高增益放大器、高分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器、單片微型機、電可擦存儲器 EEPROM 和非易失性隨機存儲器 NOVRAM ，使其性能和功能都有了很大提高 [1]。近幾年來稱重儀表又增加了兩項新技術：∑－Δ 積分的增量 調(diào)制型模數(shù)轉(zhuǎn)換器和印刷電路板的表面安裝技術 SMT 。這些新技術的采用， 進一步提高了儀表性能和可靠性，井為儀表小型化創(chuàng)造了有利條件。在性能上已能做到：非線性優(yōu)于 ％靈敏度優(yōu)十 ， A/D 轉(zhuǎn)換速度一般為 10～ 30 次 /秒，用于動態(tài)稱重可達 100 次 /秒以上。由于采用了比較方式測量，傳感器供橋電源和 A/D 轉(zhuǎn)換基準電源共用一個電源，使電源波動的影響得到了補償。 為了便于與計算機通信，現(xiàn)代稱重儀表都配有各種輸出接口供選用。如RS232C、 RS485 或 RS422A、 20mA 電流環(huán)、模擬量 4～ 20mA 以及繼電器接點輸出。有些制造廠為了加強儀表與計算機的通信，采用直接與工業(yè) 控制機總線相連的方式 [5]。如西門子 SIWARE 稱重儀的輸出能直接與兩門子 PLC 控制器的總線相連。 在工業(yè)現(xiàn)場和環(huán)境中干擾源是各種各樣的，如噪音干擾、工頻干擾等，抗工頻干擾能力成為衡量電子衡器性能的重要指標。為了具備這一性能，市場上的電子衡器的電路普遍較復雜，相對地，成本也較高。而本產(chǎn)品電路簡單，成本低，抗工頻干擾強，具有很好的推廣價值。 為了適應各種應用的需要，當前稱重儀表發(fā)展的一個趨勢是：通過硬件或軟件的積木式組合來實現(xiàn)不同的功能需求。例如在儀表機箱內(nèi)通過不同電路板的組合或更換軟件存儲芯片，來實現(xiàn)不同的 功能，以滿足各種用途。 承載器是承載重力并將力傳遞到稱重傳感器的機械結(jié)構。國外已較多的采用CAD 進行承載器 秤臺或秤架 的設計，在保證一定強度和剛度的前提下優(yōu)化設計，從而達到節(jié)省鋼材，降低造價的目的 [2]。 據(jù)國外資料介紹，在電子稱重裝置中，稱重傳感器的價格這幾年變動不大，儀表價格隨著電子器件價格下降而成下降趨勢，而占成本比重比較大的承載器由于鋼材和加工費用的上漲使成本提高。此要降低成本提高競爭力，重點是降低秤臺造價，所以優(yōu)化設計，發(fā)展薄型結(jié)構己是制造廠向的主要目標。 隨著工業(yè)自動化和管理現(xiàn)代化的進展，自動 在線稱重、快速在線稱重和稱重系統(tǒng)有了很大發(fā)展。進一步采用新技術，開發(fā)各種自動稱重系統(tǒng)，提高動態(tài)稱重的準確度，加強網(wǎng)絡功能是當今各國發(fā)展的重點 [3]。本課題正是從這一方面出發(fā)進行設計的，使得本課題設計的自動稱重系統(tǒng)既能獲取稱重信息，又能實現(xiàn)對稱重信息的管理，而且其穩(wěn)定性好，稱量速度快、精度高，可連續(xù)自動稱重，顯示稱量結(jié)果，實現(xiàn)了稱重數(shù)據(jù)的存儲，并且該自動稱重系統(tǒng)還實現(xiàn)了可視化，從而杜絕不真實計量現(xiàn)象，維護企業(yè)和客戶的利益。另外，其界面直觀，便于使用。而且本設計電路簡單，成本低，抗工頻干擾強，具有很好的推廣價值 。 本課題是設計一種基于 AT89C51 單片機的乳粉包裝稱重控制的電路，主旨是設計一稱重儀，對模擬器輸出的微弱信號 0～ 12mV 進行前級放大處理，再以較小的失真、誤差來進行 A/D 轉(zhuǎn)換，并要求具備較強的抗工頻干擾能力。最后利用單片機 AT89C51 對數(shù)字信號進行處理，控制數(shù)碼管顯示等。主要要求： 1 該稱重系統(tǒng)中每袋乳粉額定重量為 500克； 2 要求每小時包裝數(shù)量為 200袋； 3 系統(tǒng)的稱重控制控制精度要求為177。 ％。采用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809。 ADC0809 是逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換，雙列直插式，最 快的轉(zhuǎn)換速度為 100us，其引腳圖如圖 21 所示： 圖 21 ADC0809 引腳圖 它由 8 路模擬開關， 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，三態(tài)輸出鎖存器以及地址鎖存器譯碼器等組成。但由于其抗工頻干擾能力較弱，因此綜合考慮下來，我們決定采用雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器。 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器具有很強的抗工頻干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對 50HZ 的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用 [5]。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻 信號的影響。故而采用雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器可大大降低對濾波電路的要求。 作為稱重儀，系統(tǒng)對 AD 的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上 11 位的 AD 足以滿足要求。另外雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器較強的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價格。綜合的分析其優(yōu)點和缺點，我最終選擇了 MC14433。 MC14433 是美國 Motorola 公司推出的單片 3 1/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器所有的 CMOS 模擬電路和數(shù)字電路 [3]。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性 轉(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容件即可構成一個完整的 A/D 轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下： ：讀數(shù)的177。 %177。 1 字； ：檔； ： 2―25 次 /s； ：大于 1000MΩ ； ：177。 ―177。 8V； ：8mW（177。 5V 電源電壓時，典型值）； BCD 碼輸出方式，即千、百、十、個位 BCD 碼分時在 Q0― Q3 輪流輸出，同時在 DS1― DS4 端輸出同步字位選通脈沖，很方便實現(xiàn) LED 的動態(tài)顯示。 MC1443 內(nèi)部結(jié)構如圖 22 所示： 圖 22 MC1443 內(nèi)部結(jié)構圖 本設計開始時，我原本想采用 CPLD（復雜可編程邏輯電路）或 FPGA（現(xiàn)場可編程門列陣）作為系統(tǒng)的控制器。因為 CPLD 具有豐富的可編程 I/O 引腳，使用方便靈活，不但可實現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，還可實現(xiàn)復雜的時序邏輯功能，適合完成各種算法和組合邏輯 [9]。但是功耗要比較大 ,且集成度越高越明顯。FPGA 可作為實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，特別用于大電流、大電壓場合的控制，規(guī)模大，密度高，它將所有的器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可用 EDA 軟件仿真、調(diào)試，易于進行功能擴展。 FPGA 采用 并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。 但考慮到由于設計的是擺錘運動控制， FPGA 的高速處理功能不能得到充分的體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時芯片的引腳多使實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計的實際焊接的工作，降低了 PCB 板的靈活性。因此我們決定改變思路，采用普通單片機控制，第一個想到的便是 8 位的 51 單片機 AT89C51。 AT89C51 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的 AT89C51 提供了高性價比的解決方案 [7]。 單片機 AT89C51 是一個低功耗高性能單片機， 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口， AT89C51 可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一 起，特別是可反復擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。如圖為 AT89C51 引腳圖： 圖 23 AT89C51 引腳圖 由于壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級，所以對運算放大器精度的要求很高。因此我們原本想采用高精度低漂移運算放大器構成差動放大器。因為差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放 如 OP07 做成一個差動放大器，如圖 24 所示： 圖 24 OP07 構成的差動放大器 電阻 R R2 電容 C1 、 C2 、 C3 、 C4 用于濾除前級的噪聲， C1 、 C2 為普通小電容，可以濾除高 頻干擾， C C4 為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。 但考慮到其電路復雜，需要的元器件多，成本較高。因此綜合討論下來我們還是選用儀表放大器 INA121 芯片。其內(nèi)部結(jié)構圖如圖 25 所示： 圖 25 INA121 內(nèi)部結(jié)構圖 INA121 是 Texes Instruments BB 公司生產(chǎn)的 FET 輸入、低功耗儀器放大電路，性能優(yōu)越。前置放大電路的放大倍數(shù)設置為 50。較小的前置放大倍數(shù)可以避免極化電壓的影響。電壓放大電路的放大倍數(shù)設置的較高（取為 100~200 倍），則可以保證總的放大倍數(shù)。同時采用儀表放大器 INA121 構成的電路還有結(jié)構簡單，元器件少，成本較低等優(yōu)勢。 放大模塊與 A/D 轉(zhuǎn)換模塊需要正負電源，且要求電源具有穩(wěn)定性。故剛開始首先考慮采用 MC7812 正壓 MC7912MC（負壓）構成的的177。 12V 穩(wěn)壓電源。但其不可調(diào)，不能滿足所需要的正負 5V 電源的要求，所以我采用自制電源，可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器是輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的 CW317 系列（ LM317）三端穩(wěn)壓器；有輸出負電壓的 CW337 系列（ LM337）三端穩(wěn)壓器。其中，CW317 系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓， CW337 系列穩(wěn)壓器輸出 連續(xù)可調(diào)的負電壓。穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流、過熱保護電路。自制電源輸出電壓的可調(diào)范圍為Uo 12~12V，滿足要求。 如圖 26 所示為 CW317 應用電路圖： 圖 26 穩(wěn)壓器 CW317 應用電路圖 顯示模塊主要用于重量的顯示，原本采用字符型液晶模塊 JM1602C， JM1602C能顯示基本的 ASCⅡ碼字符，采用 CMOS 工藝低功耗，內(nèi)置 KS0066 驅(qū)動器，數(shù)據(jù)可直接傳送，用并行輸入輸出形式，數(shù)據(jù)傳送快，低延遲顯示體現(xiàn)多樣性，但是JM1602C 的引腳電平為 +5V， RAM 的引腳電平為 +，這樣就要解決電壓不匹配問 題，靈活性降低 [10]。因此經(jīng)過反復比較決定選用七段 LED 數(shù)碼管顯示， LED能顯示數(shù)字和一些基本的字母，簡單易用，把它和 74LS164（串入并出移位寄存器）相使用，大大減少了控制器的 I/O 口。 本章小結(jié) 經(jīng)過仔細的分析和比較、實際模擬和理論論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：（ 1）電源模塊：采用自制可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓電源；（ 2）放大模塊：采用儀表放大器 INA121；（ 3） A/D 轉(zhuǎn)換模塊：采用雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433；（ 4）控制模塊：采用單片機 AT89C51；（ 5）顯示模塊：采用七段 LED 數(shù) 碼管。 本系統(tǒng)單片機選用 ATMEL 公司的閃速存儲器 flash ROM 型單片機芯片AT89C51。 AT89C51 是 ATMEL 公司的新一代 8 位的一片機產(chǎn)品，帶有 4KROM、128BRAM，最大工作頻率 24MHZ[13]；同時，具有 32 條輸入輸出線， 16 位定時 /計數(shù)器， 5 個中斷源，一個串行口；它具有集成度高、系統(tǒng)結(jié)構簡單，體積小可靠性高，處理功能強，速度快等特點。 乳粉稱重控制的總體結(jié)構如圖 31 所示。輸入信號送入前級放大器放大，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成 BCD 碼，然后把 BCD 碼送入單片機 AT89C51 中進行 處理，最后把數(shù)據(jù)送出數(shù)碼管顯示。 圖 31 系統(tǒng)總體原理框圖 1．電源引腳。 2．外接晶體引腳 XTAL1。 XTAL1 是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端， XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應直接加到 XTAL1，而 XTAL2 懸空。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為 12MHz，時鐘頻率就為 6MHz。晶振的頻率可以在 1MHz24MHz 內(nèi)選擇。電容取 30PF 左右，具體實現(xiàn)如圖 32 所示： 圖 32 晶振電路圖 3 復位 RST。在振蕩器運行時，有兩個機器周期（ 24 個振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在 此引腿時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平， 51 芯片便循環(huán)復位。復位后 P0－ P3 口均置 1 引腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。當復位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為 ROM 的 00H 處開始運行程序，如圖 33 所示： 圖 33 復位 RST 電路圖 4