【正文】 設計與制造技術支持下，稱重傳感器的品種和結構又有創(chuàng)新，技術功能和應用范圍不斷擴大，主要成果有 [1517]： (l)美國 Revere公司研制出 PUS型具有大氣 壓力補償功能的拉壓兩用的稱重傳感器 ,用于高準確度檢驗平臺 ,稱重平臺 ,準確度可達 5000d。 (4)德國塞特內(nèi)爾公司研制出以被青銅為彈性體材料 ,快速稱重用 200 型稱重傳感器。 . 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國的衡器在 20 世紀 40年代以前還全是機械式的， 40 年代開始發(fā)展了機電結合式的衡器。國內(nèi)的電子秤市場中 ,100g 左右量程的電子秤精度一般為 即 10mg。 通過分析近年來電子秤產(chǎn) 品的發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子秤總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術性能趨向是速率高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應用性能趨向于綜合性和組合性 [27]。其中數(shù)據(jù)采集模塊由 稱重 傳感器、信號的前級處理和 A/D 轉換部分組成，總計五個部分。 當物體放在秤盤上時，壓力施給傳感器，該傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時使激勵電壓發(fā)生變化，輸出一個變化的模擬信號。 . 稱重系統(tǒng)總體框圖設計 本課題主要完成稱重自動控制功能，系統(tǒng)采用單片機為控制核心， 來 實現(xiàn)稱重儀的重量稱量與顯 示 。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實現(xiàn)顯示功能。 電源電路 超重報警 稱重傳感器 單片機 A/D 轉換 LED顯示 前端信號處理 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 38 頁 . 稱重儀各模塊的設計選型 . 稱重傳感器 電阻應變式傳感器是目前應用最廣泛的傳感器之一，已廣泛地應用于航空、機械、電力、化工、建筑、醫(yī)療等領域中的力、壓力、力矩以及位移、加速度等參數(shù)的測量。 電阻應變式傳感器是利用電阻應變效應，其原理為：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。其轉換電路常用測量電橋。 此時，電橋輸出電壓為： 110 RREU ?? （ ） 而對于 傳感器的 彈性體 而言 ， 其 結構是多種多樣的，但從電阻應變片所測量的對象來區(qū)分，常見的有兩類：正應力類，如立柱式（ GD系列傳感器）和梁式（ MT系列傳感器），以及剪應力類（ SB系列傳感器）。 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 38 頁 . 前級放大部分 經(jīng)由傳感器或敏感元件轉換后輸出的信號一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行信號轉換。傳感器的輸出信號不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。 在預定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應足夠小以保證要求的信噪比。 基于以上分析，采用制 作方便而且精度很好的專用儀表放大器 INA126 是一個較好的選擇。 OP07 同時具有輸入偏置電流低（ OP07A 為177。 運算放大器 0P07 芯片及其特點如下圖 所示。 方案二：采用 A/D 轉換，例如 逐次逼近式 A/D 轉換器 ADC0809。 該類 A/D 轉換器轉換精度高，速度快，價格適中，是目前種類最多，應用最廣的 A/D 轉換器。 ADC0809 由一個 8 路模擬開關、一個 地址鎖存與譯碼器、一個 A/D 轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。 圖 ADC0808/0809 內(nèi)部結構框圖 ADC0809 分辨率 為 8 位 ， 具有轉換啟?？刂贫耍D換時間為 100μs 采用單 +5V 電源供電，模擬輸入電壓范圍為 0～ +5V，且不需零點和滿刻度校準，工作溫度范圍為 40～+85℃ 功耗可抵達約 15mW。 ALE：地址鎖存允許信號。 D0－ D7：數(shù)據(jù)輸出口。 ADC0809 內(nèi)部沒有時鐘電路，需由外部提供時鐘脈沖信號。 REF(+)、 REF()：參考電壓。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復位。 A/D 轉換器的位數(shù)決定著信號采集的精度和分辨率。 . 主控制器（單片機）的選型 在眾多的 51 系列單片機中，要算 ATMEL 公司的 AT89C5 AT89S51 更實用，它不但和 8051 指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的 4K 程序存儲器是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除 、改寫，一般專為 ATMEL AT89xx 做的編程器均帶有這些功能。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。 AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 GND：接地 。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高 。 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 13 頁 共 38 頁 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將 輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如果微處理 器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無效。 /EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 38 頁 管是否有內(nèi)部程序存儲器。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。尤其是在單片機系統(tǒng)中大量應用。 . 基于 AT89C51 的主控電路 單片機采用 89S51 單片機，它有 4K 的程序存儲空間和 256B 的數(shù)據(jù)存儲空間，可以滿足編程的要求。 復位電路：單片機小系統(tǒng)采用上電自動復位和手動按鍵復位兩種方式實現(xiàn)系統(tǒng)的復位操作。 其最小系統(tǒng)的外圍電路圖如圖 所示： 圖 AT89C51 最小系統(tǒng)電路圖 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 38 頁 . 稱重傳感器 . 彈性體的分析與貼片位置的選定 在設計稱重傳感器時， 為了改善懸臂梁的特性，在提高 動態(tài) 特性的同時也增加 其 靈敏度， 通常 將梁做成各種形狀，以改變其應力分布并增強剛度，雙 孔梁是其中有代表性的一種作為彈性體其具有良好的性能。對于簡單的等截面懸臂梁，構建其力學模型，當彈性體自由端受到垂直力 F時 ,其最大應變及其最大位移分別為： 2max 6EbhFl??， EIFlWb 33max ? （ ） 其中， E為其彈性模量， I為其截面慣矩。 圖 彈性體的有限元模型 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 38 頁 在此模型的基礎上，分別施加載荷 F=2N,3N,5N,10N的力，來觀察彈性體的應力分布以及其最大應力與施加載荷的關系，如下圖 。并且通過彈性體承受載荷與最大應力的關系（如圖 ）可以得出：彈性體上粘貼電阻應變片部位的應力 (應變 )2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 18 頁 共 38 頁 與彈性體承受的載荷 (被測力 ) 保持嚴格的對應線性關系。因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器一般采用全橋式等臂電橋。在硬件設計中采用了單臂電橋。 . 信號放大電路 稱重傳感 器輸出的電壓信號為毫伏級，所以對運算放大器要求 較 高，因此選擇高精度低漂移運算放大器 (如 OP07)，具體電路設計如下圖 所示。此類芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接 口簡單，也是信號放大系統(tǒng)較好的選擇。在設計程序時可以利用 EOC 信號來通知單片機（查詢法或中斷法）讀入已轉換的數(shù)據(jù)，也可以在啟動 AD0809 后經(jīng)適當 的延時再讀入已轉換的數(shù)據(jù)。單片機的晶振頻率為 12MHz時， ALE 引腳上 的頻率大約為 2MHz，經(jīng) 4 分頻后能達到 500kHz， 4 分頻是由 74LS74 的兩個 D 觸發(fā)器實現(xiàn)的，如圖 所示，在 D 觸發(fā)器中，當 Q 與 D 相接時，輸出是輸入的二分頻。其通道基本地址為 0000H～2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 38 頁 0007H。 . 顯示電路 數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。 設計中， 單片機的輸出 分別通過上拉電阻與四位七段數(shù)碼管的 AG 和 DP相連，上拉電阻起分壓保護作用；單片機的 輸出引腳分別與四位七段數(shù)碼管的位選端口相連，來控制數(shù)碼管的位選。 針對此次設計，由于設計的稱量裝置中，稱重傳感器電橋的輸出電壓變化較小，其最大稱量范圍不會超過量程，因此在設計中，僅僅開發(fā)了一個外部接口，可以 把發(fā)光二極管引線接到單片機 口。如果是機電一體化 的設計人員，往往需要同時考慮單片機的軟硬件資源分配。 . 系統(tǒng)主程序設計 根據(jù)系統(tǒng)方案，設計出本系統(tǒng)主程序流程，主程序流程圖給出了系統(tǒng)工作的基本過程，描述了信號的基本流向，起到一個向導的作用。 是 圖 42 A/D 轉換子程序框圖 . 顯示子程序設計 顯示子程序主要完成對稱重信息的數(shù)字顯示功能，本設計只需要顯示出所稱實物的實際重量，由于 LED 耗電省、使用壽命長、成本低、亮度高等優(yōu)點，再加上驅動簡單，容易利用單片機對其進行控制和編程等特點 選用 LED 顯示。 開始 A/D 置位 軟件時鐘頻率 讀取 A/D 轉換 查詢是否轉換完畢 數(shù)據(jù)送入單片機 軟件延時 否 是 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 25 頁 共 38 頁 表 41 LED 段選碼和 顯示字符之間的關系 字型 共陽極段碼 共陰極段碼 字型 共陽極段碼 共陰極段碼 0 C0 3FH 5 92H 6DH 1 F9H 06H 6 82H 7DH 2 A4H 5BH 7 F8H 07H 3 B0H 4FH 8 80H 7FH 4 99H 66H 9 90H 6FH 顯示程序 主要將單片機處理后的數(shù)據(jù)進行顯示，得到物體的重量信息。 . 軟件程序調試 程序調試，是將編制的程序投入實際運行前，用手工或 編譯程序 等方法進行測試，修正語法錯誤和邏輯錯誤的過程。程序的靜態(tài)調試就是在程序編寫完以后，由人工“代替”“模擬”計算機，對程序進行仔細檢查，主要檢查程序中的語法規(guī)則和邏輯結構的正確性。根據(jù)程序編譯、連接和運行時計算機給出的錯誤信息進行程序調試，這是程序調試中最常用的方法，也是最初步的動態(tài)調試。 此次設計主要通過程序動態(tài) 調試的方法，運用 Keil 軟件進行程序的編譯與匯編，根據(jù)編譯時計算機給出的錯誤信息進行程序的調試與修改，最終完成軟件程序的調試。 圖 A/D 轉換與顯示電路 . 稱重傳感器的調試 在現(xiàn)有材料基礎上，完成應變式傳感器的貼片、組橋后，進行稱重傳感器（應變式壓力傳感器）的調試 。由此觀察電橋的輸出電壓分別為 、 、 、 、 。實驗結果證明， 稱重傳感器 成功將物體的重量裝換成2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 29 頁 共 38 頁 相應電壓輸出， 硬件設計成功 。由此在最大輸入電壓為 5V 的基礎上，可以實現(xiàn)最大稱重 5kg 的稱重儀設計。 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 30 頁 共 38 頁 6. 結論 經(jīng)過幾個月的努力，終于按照畢業(yè)設計進度要求如期完成了基于單片機的稱重儀的軟、硬件設計任務。 通過對數(shù)據(jù) 采集的分析與數(shù)據(jù)采集模塊的設計，了解了各種傳感器、放大器及A/D 轉換器，對信號的轉換、傳輸有了更深的認識。 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 31 頁 共 38 頁