【文章內(nèi)容簡介】 電 源 矩 陣 鍵 盤被 測 信 號(hào) 圖 硬件結(jié)構(gòu)原理 方案 圖 表放大器 稱重傳感器是整個(gè)數(shù)字化稱重系統(tǒng)采集重量信號(hào)的源頭，是 一種將 被測物 質(zhì)量信號(hào)變換為與其質(zhì)量成比例的電信號(hào)的 裝置。 也有人稱其為數(shù)字化稱重系統(tǒng)的“心臟”。它具有稱量響應(yīng)速度快、靈敏度高、性能穩(wěn)定可靠、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、重量輕、機(jī)械磨損小、輸出信號(hào)大、使用壽命長、維修及操作使用簡單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。 然而， 由于它 在稱重現(xiàn)場采集并變換 的 各種參量信號(hào)都很微弱，通常只有 uV 或 mV，不能滿足微機(jī)系統(tǒng)輸入的要求，必須用高輸入阻抗的儀表放大器對(duì)它們進(jìn)行放大，使其達(dá)到一定的幅度（通常為幾伏）。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） A/D轉(zhuǎn)換器是整個(gè)數(shù)字化稱重系統(tǒng)的重要組成部分。它能把稱重傳感器與儀表放大器采集并放大的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，從而為微機(jī)系統(tǒng)對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷提供了保障。 單片機(jī)芯片配以必要的外部器件就能構(gòu)成最小微機(jī)系統(tǒng)。對(duì)于較復(fù)雜的數(shù)字化稱重儀表，需較大的存儲(chǔ)器容量和較多的 I/O 接口，單片機(jī)能提供很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，可以直接與外部存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路相連接，構(gòu)成功能較強(qiáng)、規(guī)模較大的微機(jī)系統(tǒng)。它可以將稱重傳感器和 A/D轉(zhuǎn)換器采集轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)算并處理， 最終將結(jié)果顯示和報(bào)警等。 數(shù)字化稱重儀表中的人機(jī)對(duì)話通道是用戶為了對(duì)稱重儀表進(jìn)行干預(yù)及了解該儀表運(yùn)行狀態(tài)所設(shè)置的通道。它所配置的設(shè)備主要有：鍵盤、顯示器、電源與復(fù)位開關(guān)、報(bào)警器等。 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 數(shù)字化稱重儀表 軟件 結(jié)構(gòu)主要 包括實(shí)現(xiàn)采集重量數(shù)據(jù)的算法、各模塊程序設(shè)計(jì)流程以及系統(tǒng) C51編程程序等。 （ 1）采集重量數(shù)據(jù)算法。算法顧名思義，即計(jì)算方法， 也就是為求得重量數(shù)據(jù)顯示的計(jì)算結(jié)果，而使用的方法和步驟。算法是解決問題的基本環(huán)節(jié)，是程序設(shè)計(jì)的核心。 （ 2）系統(tǒng)軟件 模塊流程 主要包括 主程序流程 、 A/D轉(zhuǎn)換流程、鍵盤與顯示等流程 。 主程序流程 是面向稱重儀表 軟件整體設(shè)計(jì) ，其內(nèi)容包括： 在 工作電源 激勵(lì) 下，通過鍵盤 掃描程序， 對(duì)儀表的功能、操作方式與工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、控制；根據(jù)儀表設(shè)置的功能和工作方式，控制 I/O接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)；按照儀器設(shè)置的參數(shù)，對(duì)采集內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 的數(shù)據(jù)進(jìn)行 報(bào)警等相關(guān)處理，并 以數(shù)字形式顯示測量結(jié)果 和 儀表的 工作 狀態(tài)。 A/D轉(zhuǎn)換流程 是面向 模擬信號(hào) 與 數(shù)字信號(hào) 的 對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換管理 ，其內(nèi)容是接收并分析來自稱重傳感器和儀表放大器的電壓信號(hào) ， 通過自身功能轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并送給微處理器進(jìn)行有關(guān)的 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算等 ，進(jìn)而送入 顯示接口 顯示 測量結(jié)果、數(shù)據(jù)處理結(jié)果及儀表的現(xiàn)行工作狀態(tài)。 鍵盤和顯示流程 主要完成 超載數(shù)據(jù)設(shè)定、人機(jī)對(duì)話 等任務(wù)， 使工作人員能及時(shí)實(shí)施系統(tǒng)操作， 以至 系統(tǒng) 在 稱量 過程中能得到 準(zhǔn)確 值 。 （ 3）系統(tǒng)使用 C51 編寫軟件程序，不僅具有易理解性、易維護(hù)性， 而且在編程過程中，可以對(duì)各個(gè)模塊單獨(dú)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試通過后再進(jìn)行整體調(diào)試。 重量數(shù)據(jù)采集電路與算法 隨著稱重技術(shù)以及微計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，重量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取得了巨大的進(jìn)展，主要得益于硬件集成電路的不斷發(fā)展。當(dāng)前，單片機(jī)和大規(guī)模 集成電路的組合，加上用軟件管理，使重量 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅具有成本低，體積 小，功能多等特點(diǎn)，而且系統(tǒng)采樣率、分辨率、存儲(chǔ)深度、數(shù)字信號(hào)處理速度、抗干擾能力等許多技術(shù)指標(biāo)都有了前所未有的變化。重量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展是整個(gè)稱重系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的最前端，所以必須有測試精度高、數(shù)據(jù)處理速度快以及實(shí)現(xiàn)這些功能的成本低等特性。 重量數(shù)據(jù)采集通常是指將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能顯示的數(shù)字信號(hào)、并由計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理顯示的過程，其相應(yīng)的系統(tǒng)稱為重量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它綜合應(yīng)用了數(shù)據(jù)采集技術(shù)、稱重傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、微計(jì)算機(jī)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度、高可靠性、響應(yīng)速度快 、現(xiàn)場適應(yīng)能力強(qiáng)的稱重系統(tǒng)。采集電路如圖 所示 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） A 1R 5R 6R 72 0 KR 82 0 KR 1 11 . 5 KR x2 KR 1 21 . 5 KUO U TR 4 + R 4+_+_+_R 2 + R 2R 3 + R 3A 2A 3T L C 0 8 3 2C H 0G N DV R E FUR 1 + R 11iU2iU1oU2oU?200?200+ 5 V 圖 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路圖 在圖 1電路中，由于設(shè)計(jì)設(shè)定 R1=R2=R3=R4=R ， RRRRR ??????????? 4321 ， 電橋電路構(gòu)成了等臂全橋差動(dòng)電路， 即 輸出電壓 U0=U RR? , 根據(jù)電阻應(yīng)變片的靈敏度K= ?RR? ,（ ? 為電阻絲縱向應(yīng)變）。所以輸出電壓 U0=K? U ,而對(duì)于相同材質(zhì)的電阻應(yīng)變片經(jīng)過伸縮后，有 ? =ll? ，F(xiàn)XGG =ll? ，即等臂全橋差動(dòng)電路組成的稱重傳感器輸出電壓 KUGGUU FXii ?? 12 （ ） K為稱重傳感器的靈敏度， GF為稱重傳感器的滿量程值， U為傳感器工作電壓 (即設(shè)計(jì)系 統(tǒng)為 +5V)， Gx為被測重量值。 稱重傳感器的輸出電壓加在三運(yùn)放儀表放大器的反相和同相輸入端，并且系統(tǒng)設(shè)定電阻 R5=R6， R7=R8， R11=R12后，使三運(yùn)放儀表放大器完全成為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即輸出電壓 571112 )21)(( RRRRUUUXiiO U T ??? （ ） 由式（ ）和 ()可得 KUGGRRRRU FXXO UT ))(21( 5711?? （ ） 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 又因?yàn)?TLC0832A/D 轉(zhuǎn)換器的參考電壓 UVREF? () TLC0832A/D 轉(zhuǎn)換器最終輸出數(shù)字讀書為 KGGRRRRVUD at FXXREFO U T ))(21(10 0010 00 5711??? （ ） 采樣系統(tǒng)采用“電壓比率測量法”，可減輕對(duì)激勵(lì)源高精度和高穩(wěn)定性的要求和壓力。 A/D 轉(zhuǎn)換器采用單一的 +5V 電源工作，對(duì) 0— 范圍內(nèi)的單端信號(hào)進(jìn)行變換，它功耗比較低，適用于電池供電和遠(yuǎn)程測量。 系統(tǒng)基本性能探析 數(shù)字化稱重儀表就其本身的結(jié)構(gòu)而言， 主要具有變換、比較、顯示裝置三部分。而從其結(jié)構(gòu)原理圖可知，系統(tǒng)是由多個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，所以從屬開環(huán)結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)全部信息變換只沿著一個(gè)方向進(jìn)行，其靈敏度與精度由開環(huán)特性可表示如下形式。 ????ni in KKKKK 121 ... （ ） 式中 K 為稱重儀表的靈敏度； iK 為開環(huán)各環(huán)節(jié)的靈敏度。 ??????? ni in 121 ... ????? （ ） 式中 ? 為稱重儀表的相對(duì)誤差， i? 為開環(huán)各環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差。 由式（ ）與（ ）可知：若要增加稱重儀表靈敏度 K，必須增加環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)或增大環(huán)節(jié)的靈敏度 iK 。 增加環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)，稱重儀表的相對(duì)誤差 ? 必增大；若不增加環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)，而提高環(huán)節(jié)靈敏度，則對(duì)應(yīng)較小的輸入信號(hào)，就能得到相同的輸出顯示，故儀表內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 對(duì)應(yīng)的測量范圍必減小；若絕對(duì)誤差不變，稱重儀表相對(duì)誤差 ? 必將隨著增大。因此在增加系統(tǒng)靈敏度的同時(shí)，稱重儀表的相對(duì)誤差也相應(yīng)增大，從而降低了儀表精度。另外在這種結(jié)構(gòu)中，在增加靈敏度的同時(shí)，稱重儀表的穩(wěn)定性也在大大的降低。因此，在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中主要采用等臂全橋差動(dòng)電路提高其靈敏度，采用三運(yùn)放儀表放大器提高其精度，保證了設(shè)計(jì)儀表在當(dāng)今市場的適用性。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)硬件概述與工作原理 系統(tǒng)硬件概述 數(shù)字化稱重儀表在硬件設(shè)計(jì)中，根據(jù)稱重任務(wù)、應(yīng)用場合的不同，選擇不同的硬件體系 ，但 主要根據(jù)稱重系統(tǒng)的規(guī)模大小、控制功 能性質(zhì)及復(fù)雜程度、實(shí)時(shí)響應(yīng)速度及檢測控制精度等專項(xiàng)指標(biāo)和通用指標(biāo)決定。 設(shè)計(jì)從使用稱重儀表現(xiàn)場出發(fā)，應(yīng)用 STC89C52單片機(jī)組成的硬件平臺(tái)，開發(fā)了一臺(tái)具有獨(dú)立性、創(chuàng)造性、先進(jìn)性的數(shù)字化稱重儀表，與以往稱重儀表相比，提高了稱重精度、可靠性、可維護(hù)性和可測試性，增強(qiáng)了其性能和功能。而 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng) 是由稱重傳感器、模 /數(shù)信號(hào)調(diào)理、數(shù)字信號(hào)處理、重量數(shù)據(jù)顯示、聲光報(bào)警控制等幾部分組成。 系統(tǒng)硬件組成及工作原理 本設(shè)計(jì)是以 等臂全橋差動(dòng) 電阻應(yīng)變式 稱重 傳感器、三運(yùn)放儀表放大器、 TLC0832A/D轉(zhuǎn)換器、 STC89C52單片機(jī)、三極管驅(qū)動(dòng)的 LED顯示器、聲光報(bào)警器以及 2*2矩陣鍵盤 等 構(gòu)成的一個(gè)簡易的數(shù)字化稱 重儀表， 結(jié)構(gòu)原理圖如圖 電 阻 應(yīng) 變 式稱 重 傳 感 器T L C 0 8 3 2A / D 轉(zhuǎn) 換 器S T C8 9 C 5 2三 運(yùn) 放 儀表 放 大 器L E D 顯示 器聲 光 報(bào)警 器工 作 電 源2 * 2 矩陣 鍵 盤被 測 信 號(hào) 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 其簡單的工作原理為載荷作用在工作電源激勵(lì)下的電阻應(yīng)變式稱重傳感器上，經(jīng)稱重傳感器檢測變換為與質(zhì)量成比例的電信號(hào)，該信號(hào)首先經(jīng)三運(yùn)放儀表放大器放大，然后通過 TLC0832A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)入 STC89C52 單片機(jī)，由單片機(jī)軟件自動(dòng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 調(diào)節(jié)控制，同時(shí)將處理后的稱量數(shù)據(jù)送至 LED 顯示器進(jìn)行顯示。在稱 重過程中一旦遇到超載等故障，由單片機(jī)軟件自動(dòng)判斷故障 ,并進(jìn)行相應(yīng)的聲光報(bào)警處理。 等臂全橋差動(dòng)電阻應(yīng)變式傳感器 本設(shè)計(jì)使用等臂全橋差動(dòng)電路構(gòu)成的電阻應(yīng)變式傳感器實(shí)現(xiàn)重力、彈性應(yīng)變、電阻變化、電信號(hào)變化四個(gè)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。電路圖如圖 所示 R 4 + R 40UR 2 + R 2R 3 + R 3UR 1 + R 1~ 圖 等臂全橋差動(dòng)電路圖 由上圖可知， 當(dāng) R1R4=R2R3時(shí)，電橋處于平衡，輸出電壓 U0=0。若電橋各臂均有相應(yīng)的電阻增量 1R? , 2R? , 3R? 和 4R? ，則可得 )4433)(2211( )33)(22()44)(11(0 RRRRRRRR RRRRRRRRUU ?????????? ?????????? () 由于系統(tǒng)采用等臂全橋差動(dòng)電路，即 R1=R2=R3=R4=R, 1R? = 2R? = 3R? = 4R? = R? , ( R? 為正值 )，所以輸出電壓 RRUU ??0 () 這種稱重傳感器是一種用金屬彈性體作為力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變的功能元件，它通過粘貼在彈性體敏感表面的電阻應(yīng)變計(jì)及其等臂全橋差動(dòng)電路組成的電橋網(wǎng)絡(luò)，具有穩(wěn)定性、線性度好等特點(diǎn)的傳感器。它在粘貼應(yīng)變片時(shí)，分別使電橋中的兩個(gè)相對(duì)應(yīng)變片受拉，兩內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 個(gè)受壓，應(yīng)變符號(hào)相反，工作時(shí)將應(yīng)變片接入電橋相鄰兩臂，使應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，然后轉(zhuǎn)換 為電壓（或電流）的變化，即電橋輸出電壓 /輸出電流，最后通過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理控制。系統(tǒng)使用該電路不僅消除了傳感器自身帶來的非線性誤差，而且提高了電橋的輸出靈敏度，同時(shí)還起到溫度補(bǔ)償作用。 三運(yùn)放儀表放大器 三運(yùn)放儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、低漂移、低功耗、低輸出阻抗 、高輸入阻抗和高共模抑制比、 寬電源供電范圍及小體積等特點(diǎn)。它在有共模信號(hào)條件下能夠放大很微弱的差分信號(hào)，因而具有很高的共模抑制比 CMR。電路圖如圖 所示 A 1R 5R 62 0 0R 7R 82 0 KR 1 1R x2 KR 1 2UO U T反 相 輸 入 端同 相 輸 入 端i 1U+_+_+_A 2A 3i 2U2 0 K2 0 01 . 5 k1 . 5 KU o 1U o 2U x 圖 三運(yùn)放儀表放大器電路圖 由圖 ，三運(yùn)放儀表放大器是由 三個(gè)集成運(yùn)算放大器 、一個(gè) 增益電阻器 和幾個(gè)固定電阻構(gòu)成。 在 該電路 中，由于每個(gè)放大器求和點(diǎn)的電壓等于施加在各自正輸入端的電壓， 所以 整個(gè)差分輸入電壓現(xiàn)在都呈現(xiàn)在 Rx 兩端。因?yàn)檩斎腚妷航?jīng)過放大后（在A1 和 A2 的輸出端）的差分電壓呈現(xiàn)在 R11， Rx和 R12 這三只電阻上，所以差分增益通過僅改變外接電阻 Rx 實(shí)現(xiàn)由 1 到上萬倍的增益精確設(shè)定，減少了由于增益相關(guān)誤差帶來內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ）