【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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 河北聯(lián)合大學(xué) 輕工學(xué)院 6 穩(wěn)定的 MCPU,具有 8K 8ROM、 256 8RAM、 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(lái)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(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，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(guò)大量的實(shí)驗(yàn)而確定的。其公式 如下： C=K0K 1K 2K 3(W maxW)/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)，一般取值在 ～ 之間； 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(tīng)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： 第 2 章 系統(tǒng)方案論證與選型 7 圖 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)和增益的溫河北聯(lián)合大學(xué) 輕工學(xué)院 8 度漂移和時(shí)間漂移極小。按照輸入電壓 20mV，分辨率 20200 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(lái)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。 【 5】 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)?1000ε ，應(yīng)變電阻相對(duì)變化量為： ΔR/R= Kε= 21000 － 6 = （ 22） 由式 22 可以看出電阻變化只有 ，其電阻變化率只有 %。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(lái)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。 【 6】 其設(shè)計(jì)電路如圖 所示： 圖 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)略大于稱第 2 章 系統(tǒng)方案論證與選型 9 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： 5 2 = 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(lái)新發(fā)展 起來(lái)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： ADS780 ADS7804 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?12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： ICL713 ICL710 ICL154 MC14433 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(guò)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(lái)確定，因此所得到的表達(dá)式與時(shí)鐘頻率無(wú)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：河北聯(lián)合大學(xué) 輕工學(xué)院 10 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。 【 7】 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(guó) 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 ,工作電流 ,關(guān)斷電流 2μ A ； 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 內(nèi)部 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。 第 2 章 系統(tǒng)方案論證與選型 11 ② MAX187內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 MAX187內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 MAX187內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 。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。 【 8】 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 10μ A 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(wú)效 ,允許在 REF 管腳輸入外部參考電源。 ② 工作過(guò)程簡(jiǎn)述 MAX187 工作時(shí)序圖如圖 。 河北聯(lián)合大學(xué) 輕工學(xué)院 12 圖 MAX187 工作時(shí)序圖 MAX187 的工作過(guò)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(guò)一個(gè)內(nèi)部 8. 5μ s 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(guò) 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(lái)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(wú)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 = s ,以使 A/ D 轉(zhuǎn)換器完成初始化 ,這樣整個(gè)一個(gè)轉(zhuǎn)換輸出的周期大約為 s。 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 的接口電路如圖 。 第 2 章 系統(tǒng)方案論證與選型 13