【正文】 使用又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器 導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為△ RR 后由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小難以直接精確測量且不便處理因此要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的△ RR 變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋 直流電橋的特點是信號不會受各 元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響抗干擾能力強(qiáng)但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號小要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大 下圖為一直流供電的平衡電阻電橋接直流電源 E 圖 26 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 當(dāng)電橋輸出端接無窮大負(fù)載電阻時可視輸出端為開路此時直流電橋稱為電壓橋即只有電壓輸出 當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時由分壓原理有 2223 0 即電橋平衡式 23 稱平衡條件 應(yīng)變片測量電橋在測量前使電橋平衡從而使測量時電橋輸出電壓 只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān) 若差動工作即 R1 R△ RR2 R△ RR3 R△ RR4 R△ R 按式 22 24 應(yīng)變片式傳感器有如下特點 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 2 分辨力和靈敏度高精度較高 3 結(jié)構(gòu)輕小對試件影響小 對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)可在高溫高壓強(qiáng)磁場等特殊環(huán)境中使用頻率響應(yīng)好 4 商品化使用方便便于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動化測量 通過以上對傳感器的比較分析最終選擇了第三種方案題目要求稱重 范圍0～ 9999Kg 重量誤差不大于 0005Kg 考慮到秤臺自重振動和沖擊分量還要避免超重?fù)p壞傳感器所以傳感器量程必須大于額定稱重 9999Kg 我們選擇的是 LPSIII型傳感器量程 20Kg 精度為 001 滿量程時誤差 0002Kg 完全滿足本系統(tǒng)的精度要求 前級放大器部分 經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)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(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換為此測量電路中常設(shè)有模擬放大環(huán)節(jié)這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件構(gòu)成具有各種特性的放大器來完成 放大器的輸入信 號一般是由傳感器輸出的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因此一般對放大器有如下一些要求 1 輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源內(nèi)阻否則放大器的負(fù)載效應(yīng)會使所測電壓造成偏差 2 抗共模電壓干擾能力強(qiáng) 3 在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準(zhǔn)確的增益良好的線性輸入漂移和噪聲應(yīng)足夠小以保證要求的信噪比從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定 4 能附加一些適應(yīng)特定要求的電路如放大器增益的外接電阻調(diào)整方便準(zhǔn)確的量程切換極性自動變換等 我們考慮了以下幾種方案 方案一 利用普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大器 普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大 器會引入大量噪聲由于 AD 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度所以此種方案不宜采用 方案二 由高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差動放大器 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下圖所示 圖 27 利用普通運放構(gòu)成的放大器 電阻 R1R2 和電容 C1C2C3C4 用于濾除前級的噪聲 C1C2 為普通小電容可以濾除高頻干擾 C3C4 為大的電解電容主要用于濾除低頻噪聲 優(yōu)點輸入級加入射隨放大器增大了輸入阻抗中間級為差動放大電路滑動變阻器 R6 可以調(diào)節(jié)輸出 零點最后一級可以用于微調(diào)放大倍數(shù)使輸出滿足滿量程要求輸出級為反向放大器所以輸出電阻不是很大比較符合應(yīng)用要求 缺點此電路要求 R3R4 相等誤差將會影響輸出精度難度較大實際測量每一級運放都會引入較大噪聲對精度影響較大 方案三 采用專用儀表放大器如 AD620INA126 等 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 以 AD620 為例內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示 圖 28 AD620 的內(nèi)部等效圖 接口如下圖所示 圖 29 AD620 的接口圖 電路的工作原理 A1A2 工作在負(fù)反饋狀態(tài)其反向 輸入端的電壓與同相輸入端的電壓相等即 Rg 兩端的電壓分別為 VinVin因此 25 26 將式 26 代入式 25 得 放大器的增益 Av 為 27 可見僅需調(diào)整一個電阻 Rg 就能方便的調(diào)整放大器的增益由于整個電路對稱調(diào)整時不會造成共模抑制比的降低 在接口圖 29中通過改變可變電阻 R3的阻值大小來 改變放大器的增益放大器增益計算公式如下 28V 頻帶寬度為 120kHz在 G 100 時 基于以上分析我們決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器AD620 AD 轉(zhuǎn)換器 AD 轉(zhuǎn)換器選用的原則 1AD 轉(zhuǎn)換器的位數(shù) AD 轉(zhuǎn)換器決定分辨率的高低在系統(tǒng)中 AD 轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)比系統(tǒng)允許引用誤差高一倍以上 2AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率不同類型的 AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率大不相同積分型的轉(zhuǎn)換速率低轉(zhuǎn)換時間從幾豪秒到幾十毫秒只能 構(gòu)成低速 AD 轉(zhuǎn)換器一般用于壓力溫度及流量等緩慢變化的參數(shù)測試逐次逼近型屬于中速 AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間為納秒級用于個通道過程控制和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 3 是否加采樣保持器 4AD 轉(zhuǎn)換器的有關(guān)量程引腳有的 AD 轉(zhuǎn)換器提供兩個輸入引腳不同量程范圍內(nèi)的模擬量可從不同引腳輸入 5AD 轉(zhuǎn)換器的啟動轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束一般 AD 轉(zhuǎn)換器可由外部控制信號啟動轉(zhuǎn)換這一啟動信號可由 CPU提供轉(zhuǎn)換結(jié)束后 AD 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號觸發(fā)器置位并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志電平通知微處理器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果 6AD 轉(zhuǎn)換器的晶閘管現(xiàn)象其現(xiàn)象是在正常使用時 AD 轉(zhuǎn)換器芯片電流驟增時間一長就會燒壞芯片為防止這種現(xiàn)象可采取如下措施 1 加強(qiáng)抗干擾措施盡量避免較大的干擾電流進(jìn)入電路 2 加強(qiáng)電源穩(wěn)壓濾波措施 在 AD 轉(zhuǎn)換器電源入口處加退耦濾波電路為防止窄脈沖波竄入在電解電容上再接一高頻濾波電容 310Kg4096 244g 14 位 AD 精度 10Kg16384 061g 考慮到其他部分所帶來的干擾 12位 AD轉(zhuǎn)換器無法滿足系統(tǒng)精度要求所以我們需要選擇 14 位或者精度更高的 AD 轉(zhuǎn)換器 方案一 逐次逼近型 AD轉(zhuǎn)換器如 ADS7805ADS7804AD轉(zhuǎn)換一般具有采樣保持功能采樣頻率高 功耗比較低是理想的高速高精度省電型 AD 轉(zhuǎn)換器件 高精度逐次逼近型 AD轉(zhuǎn)換器一般都帶有內(nèi)部基準(zhǔn)源和內(nèi)部時鐘基于 51系列單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)計時僅需要外接幾個電阻電容 但考慮到所轉(zhuǎn)換的信號為一慢變信號逐次逼近型 AD 轉(zhuǎn)換器的快速的優(yōu)點不能很好的發(fā)揮且根據(jù)系統(tǒng)的要求 14位 AD足以滿足精度要求太高的精度就反而浪費了系統(tǒng)資源所以此方案并不是理想的選擇 方案二 雙積分型 AD轉(zhuǎn)換器如 ICL7135ICL7109ADC是間接型 AD轉(zhuǎn)換器其基本原理是首先對未知的輸入電壓進(jìn)行固定時間的積分然后轉(zhuǎn)向?qū)?biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反相積分至積分輸出 電壓為零返回起始值 則標(biāo)準(zhǔn)電壓積分的時間正比與輸入電壓輸入電壓越大反向積分時間越長用高頻率時鐘脈沖來測量標(biāo)準(zhǔn)電壓積分時間即可得到輸入電壓對應(yīng)的數(shù)字代碼 雙積分型 AD 轉(zhuǎn)換器雖然速度較慢但轉(zhuǎn)換精度高 如 ICL7135 具有精確的差分輸入其輸入阻抗高可自動調(diào)零具有超量程信號全部輸出與 TTL 電平兼容 雙積分型 AD 轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力對正負(fù)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特強(qiáng)對高于工頻干擾例如噪聲電壓也具有良好的濾波作用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 AD 轉(zhuǎn)換器可大大降低對濾波電路的要求 作為電子秤系統(tǒng)對 AD 的轉(zhuǎn)換速度要求并不高精度上 14 位的 AD 足以滿足要求另外雙積分型 AD 轉(zhuǎn)換器較強(qiáng)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)點和缺點我們最終選擇了精度為 10Kg 20200 05g 的ICL7135 26 人機(jī)交互部分 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是由若干個按鍵開關(guān)組成鍵的多少根據(jù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的用途而定鍵盤由許多鍵組成每一個鍵相當(dāng)于一個 機(jī)械開關(guān)觸點當(dāng)鍵按下時觸點閉合當(dāng)鍵松開時觸點斷開單片機(jī)接收到按鍵的觸點信號后作相應(yīng)的功能處理因此相對于單片機(jī)系統(tǒng)來說鍵盤接口信號是輸入信號 方案一 Intel8279是一種為 8位微處理器設(shè)計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)顯示器的控制但是在與單片機(jī)的連接時占用較多的接口資源 方案二 ZLG7289 是周立功單片機(jī)公司設(shè)計的串行輸入輸出可編程鍵盤顯示芯片有強(qiáng)大的鍵盤顯示功能支持 64 鍵控制可以比較方便地擴(kuò)展系統(tǒng)另外ZLG7289 內(nèi)部有譯碼電路大大 簡化了程序 因此我們選擇功能更好的專用鍵盤顯示芯片 ZLG7289 作為鍵盤掃描顯示芯片 輸出顯示 方案一 全部采用數(shù)碼管顯示數(shù)碼能顯示時鐘以及被測物體的重量等信息此方案顯示直觀而且編程簡單但若要同時顯示單價金額售貨員編號等諸多信息則需要要大量的數(shù)碼管而且不能顯示中文由此增加了電路的復(fù)雜程度也加大了編程的難度方案二可以設(shè)置顯示單金額中文購物日期等具有低功耗可視面大畫面友好抗干擾能力強(qiáng)等功能顯示技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用系統(tǒng)電源需要＋ 5V 電源傳感器需要＋ 10V 以上的線性電源不能用開關(guān)電源否則稱重數(shù)據(jù)不穩(wěn)定方案一采 用三端固定穩(wěn)壓芯片 7805和 7812為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源這個部分由整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路等組成 圖 210 5V 電源電路圖在這里只給出了＋ 5V 電源電路 12V 電源電路與 5V 相似因此不再畫出方案 LM317 是一種外接很少元件就能工作的三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器它的三個接線端分別稱為輸入端輸出端和調(diào)整端它的內(nèi)部電路有比較放大器偏置電路恒流源電路和帶隙基準(zhǔn)電路等它的公共端改接到輸出端器件本身無接地端所以消耗的電流都從輸出端流出內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓約 12V 接至比較放大器的同相端和調(diào)整端之間若接上外部的調(diào)整電阻 R1R2 后輸出電壓為 29 LM317 的 VREF 12V I adj 50A 由于調(diào)整端電流 I adjI1 故可以忽略式 29 210 圖 211 LM317 結(jié)構(gòu)圖 001 典型負(fù)載調(diào)整率 0180dB 紋波抑制比輸出短路保護(hù)過流過熱保護(hù)調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù) 系統(tǒng)的傳感器部分傳感器電源的設(shè)計直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確 度實踐證明若橋電源采用一級穩(wěn)壓穩(wěn)壓器采用 78系列稱重誤差為 10屏幕顯示的稱重數(shù)據(jù)變化較大各部分之間協(xié)調(diào)性較差若采用二級穩(wěn)壓穩(wěn)壓器采用 78 系列稱重誤差為 3 左右各部分之間協(xié)調(diào)性較好由此可見電橋電壓的重要性經(jīng)反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)采用差動式電源可將電源的波動部分中和掉大大提高電橋輸出精度及穩(wěn)定性另外系統(tǒng)要求擴(kuò)大輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍故使用它很不方便 所以具體設(shè)計時考慮到運算放大器的放大能力與工作電壓的大小關(guān)系以及電源芯片的自身優(yōu)勢等因素最終選用了性價比比較高的 LM317和 LM337來設(shè)計電源電路給系統(tǒng)提供正負(fù)電壓滿足系統(tǒng)正常 工作電源的要求 2