【正文】 機(jī)技術(shù)與一體化的電子衡器發(fā)展階段。 本論文的研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 首先是通過壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。其中數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、信號(hào)的前級(jí)處理和 V/F 轉(zhuǎn)換部分組成。 本文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第 1 章緒論，簡單介紹了本課題電子稱的研究背景、研究目的、意義及國內(nèi)外的研究狀況。 最后，對(duì)本次的研究課題的主要工作及結(jié)果做出了總結(jié)與討論，并且指出了本次研究工作中存在的不足和發(fā)現(xiàn)的一些問題。缺點(diǎn)是：硬件部分簡單，雖然可以實(shí)現(xiàn)電子稱基本的稱重功能，但是不能實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，無法根據(jù)實(shí)際情況靈活地設(shè)定各種控制參數(shù)。 結(jié)構(gòu)簡圖如圖 所示。 方案三 前端信號(hào)處理時(shí)，選用放大、信號(hào)轉(zhuǎn)換等措施，尤其在顯示方面采用具有字符圖文顯示功能的 LCD 顯示器。單片機(jī)控制適合于功能比較簡單的控制系統(tǒng) ,而且其具有成本低 ,功耗低 ,體積小算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng) ,技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)集成于一片 Xilinx 公司的 SpartanⅡ 系列 XC2S100E 芯片上，體積大 大減小、邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路。 結(jié)構(gòu)簡圖如圖 所示 。鑒于本電子稱的設(shè)計(jì)并不太復(fù)雜，單片機(jī)完全能實(shí)現(xiàn)所需功能，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)，采用了第三種設(shè)計(jì)方案?，F(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代，在信息時(shí)代人們的社會(huì)活動(dòng)將主要依靠對(duì)信息資源的開發(fā)和獲取 、傳輸和處理，而傳感器處于自動(dòng)檢測與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測信息的窗口；傳感器處于研究對(duì)象與測控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信 號(hào)。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。 傳 感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來表示。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應(yīng)的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對(duì)外接電路要求很高。 電容傳感器的基本工作原理可用最普通的平行極板電容器來說明。受幾何尺寸限制，電容傳感器的電容量都很小，一般僅幾皮法至幾十皮法。 方案三 電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的結(jié)構(gòu)型傳感器。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的△ R/R 變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。 圖 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 當(dāng)電橋輸出端接無窮大負(fù)載電阻時(shí)，可視輸出端為開路，此時(shí)直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。 若差動(dòng)工作，即 R1=R△ R,R2=R+△ R,R3=R△ R， R4=R+△ R,按式（ ）， 則電 橋輸出為 Ek?? （ ） 應(yīng)變片式傳感器有如下特點(diǎn)： （ 1）應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感器。 通過以上對(duì)傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。為 此，測量電路中常設(shè)有模擬放大環(huán)節(jié)。因此，一般對(duì)放大器有如下一些要求： 輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。 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，如圖 所示 。 缺點(diǎn)：此電路要求 R R4 相等，誤差將會(huì)影響輸出精度，難度較大。 以 INA126 為例 ,接口如圖 所示 。 INA126 在外接電阻 RG 時(shí)，可實(shí)現(xiàn) 1~1000 范圍內(nèi)的任意增益；工作電源范圍為 177。 信號(hào)轉(zhuǎn)換 方案一 采用 A/D 轉(zhuǎn)換 （一） A/D 轉(zhuǎn)換原理： 逐次逼近法 逐次逼近式 A/D 是比較常見的一種 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級(jí)。然后再置逐次逼近寄存器次高位為 1，將寄存器中新的數(shù)字量送 D/A 轉(zhuǎn)換器，輸出的 Ｖ o 再與Ｖ i 比較，若Ｖ oＶ i，該位 1 被保留，否則被清除。 雙積分法 采用雙積分法的 A/D 轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。計(jì)數(shù)器在反向積分時(shí)間內(nèi)所計(jì)的數(shù)值，就是輸入模擬電壓Ｖ i 所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了 A/D 轉(zhuǎn)換。 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。 是否加采樣 /保持器。一般 A/D 轉(zhuǎn)換器可由外部控制信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，這一啟動(dòng)信號(hào)可由 CPU 提供。其現(xiàn)象是在正常使用時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換器芯片電流驟增，時(shí)間一長就會(huì)燒壞芯片。 12 位 A/D 精度： 10Kg/4096=； 14 位 A/D 精度： 10Kg/16384=； 考慮到其他部分所帶來的干擾， 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器無法滿足系統(tǒng)精度要求。 LM331 采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到 電源電壓下都有極高的精度。 LM331 可采用雙電源或單電源供電，可工作在 ～ 40V 之間，輸出可高達(dá) 40V，而且可以防止 Vcc 短路。所以我決定采用 LM331 芯片 V/F 轉(zhuǎn)換作為信號(hào)轉(zhuǎn)換的方案。影響性能價(jià)格比的因素除單片機(jī)的性能價(jià)格外，還包括硬件和軟件設(shè)計(jì)的容易程度、相應(yīng)的工作量大小，以及開發(fā)工具的性能價(jià)格比。顯而易見，這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。其主要由中央處理器（ CPU）、程序存儲(chǔ)器（ ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）、串行接口、并行 I/0 接口、定時(shí) /計(jì)數(shù)器 、中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線組成。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。所以河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 15 AT89C51 符合本次設(shè)計(jì)的主控芯片?？蓪?shí)現(xiàn) 0～ 9 的顯示。共陰極 LED 顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。在多位 LED顯示時(shí)，為了簡化 電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè) 8 位 I/O 口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽極點(diǎn)分別由響應(yīng)的 I/O 口線控制。比 LED 要好的多，但是價(jià)錢較其貴。發(fā)光管和 LED 數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡單，在前面章節(jié)已經(jīng)介紹過，在此不作介紹，本章重點(diǎn)介紹字符型液晶顯示器的應(yīng)用。 （ 3）體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 17 目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。 液晶顯示器各種圖形的顯示原理 （ 1）線段的顯示：點(diǎn)陣圖形式液晶由 MN 個(gè)顯示單元組成，假設(shè) LCD 顯示屏有 64 行，每行有 128 列，每 8 列對(duì)應(yīng) 1 字節(jié)的 8 位，即每行由 16 字節(jié)，共 168=128 個(gè)點(diǎn)組成，屏上6416 個(gè)顯示單元與顯示 RAM 區(qū) 1024 字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi) 容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。這樣一來就組成某個(gè)字符。我們以 1602LCD 字符型液晶顯示器為例。 鍵盤輸入 鍵盤輸入是人機(jī)交互界面中重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的 直接途徑。鍵盤由許多鍵組成，每一個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)，當(dāng)鍵按下時(shí)，觸點(diǎn)閉合，當(dāng)鍵松開時(shí)，觸點(diǎn)斷開。列如 Intel8279 是一種為 8 位微處理器設(shè)計(jì)的比較成熟的通用鍵盤 /顯示器接口芯片，其功能有：接收來自鍵盤的輸入數(shù)據(jù)，并作預(yù)處理；數(shù)據(jù)顯示的管理和數(shù)據(jù)顯示器的控制。用 I/O 口線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。缺點(diǎn)就是需要用軟件處理消抖、重鍵等問題。5V， V/F 轉(zhuǎn)換器需要 177。 此次設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分組成，如圖 所示。 圖 LM317 與 LM337 組裝電路 方案二 采用 7805,7905， 7812 和 7912 組成穩(wěn)壓電路， 7805， 7905 固定式三端穩(wěn)壓器可輸出 177。 177。 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 21 具體實(shí)施方案簡介 根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，硬件部分采用 51 系列單片機(jī) AT89C51 為控制核心部件，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。在具體選擇傳感器時(shí)，考慮到在稱量物品時(shí)必要的精度、準(zhǔn)確性要求，所稱物品的重量誤差必須要控制在一定的范圍之內(nèi)。傳感器輸出的電信號(hào)比較微弱，一般為毫伏級(jí)，必須采用適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行信號(hào)放大處理，這樣才能保證整個(gè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性能。 在這次設(shè)計(jì)中我們采用了 44 鍵盤控制。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 GND：接地。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P2 口： P2 口為一個(gè)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(gè) TTL門電流，當(dāng) P2 口 被寫 “1”時(shí)，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(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， 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。 基于單片機(jī)的電子稱設(shè)計(jì) 24 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) 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(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 18V) ，可用于便攜式儀表和數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)。 to 177。 圖 INA126 電路設(shè)計(jì)圖 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 芯片 LM331 應(yīng)用 一般應(yīng)用于人員不能進(jìn)入或不易進(jìn)入的場合，通過傳感器將被測量轉(zhuǎn)換 為電壓，經(jīng)運(yùn)算放大器放大為 0～ 10V 電壓信號(hào)，由 LM331 進(jìn)行 V/F 變換為脈沖信號(hào)，通過長雙絞線傳輸?shù)綔y量室，在測量室內(nèi)通過光電耦合器轉(zhuǎn)換為幅度穩(wěn)定的脈沖電壓，此脈沖電壓再經(jīng) LM331進(jìn)行 F/V變換為電壓進(jìn)行測量，從而可避免直接導(dǎo)線連接到測量室而造成的線路衰減或干擾，提高測量精度。 LM331 內(nèi)部由輸入比較器、定時(shí)比較器、 R－ S 觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)、復(fù)零晶體管、能隙基 準(zhǔn)電路和電流開關(guān)等部分組成。當(dāng)電容 C3 放電電壓等于輸入電壓 Vi 時(shí)，輸入比較器再次輸出高電平，使 R－ S 觸發(fā)器置位，如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。如果是機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)人員，往往需要同時(shí)考慮單片機(jī)的軟硬件資源分配。這是能否編制出高質(zhì)量程序的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)是對(duì)利用到的控制結(jié)構(gòu)類程序做適當(dāng)?shù)南拗?，特別是限制轉(zhuǎn)向語句 (或指令 )的使用，從而控制了程序的復(fù)雜性，力求程序的上、下文順序與執(zhí)行流程保持一致性，使程序易讀易理解，減少邏輯錯(cuò)誤和易于修改、調(diào)試。設(shè)定 T0 為計(jì)數(shù)工作方式， T1 為定時(shí)工作方式。在 INTO 外部中斷程序中，采樣單價(jià)并賦值單價(jià)計(jì)算。 V/F 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)及數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計(jì) V/F 轉(zhuǎn)換子程序主要是指在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，把稱重傳感器傳遞過來的模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳遞到單片機(jī)所涉及到的程序設(shè)計(jì)。 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 31 圖 鍵盤掃描子程序的設(shè)計(jì) 鍵盤電路設(shè)計(jì)成 4X4 矩陣式，在程序中可以先判斷按鍵編碼，然后根據(jù)編碼將鍵盤代表的數(shù)值送到相 應(yīng)的存儲(chǔ)單元，再進(jìn)行功能選擇或數(shù)據(jù)處理。而傳感器作為測控系統(tǒng)中對(duì)象信息的入口，越來越受到人們的關(guān)注。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，雖然碰到了不少的困難，但是在老師的指導(dǎo)以及自己的努力下，終于取得了一定成果。 采用面向?qū)ο蟮乃枷?，分層次、分模塊構(gòu)建設(shè)計(jì)的總體框架。 沒有擴(kuò)展更多電路，如日歷時(shí)鐘電路、通訊接口電路等。 這些都為我 今后的學(xué)習(xí)和工作留下了積極的影響 。對(duì)老師的感激 之情是無法用言語表達(dá)的。在此，我衷心感謝老師的指導(dǎo)