【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 3 稱(chēng)重傳感器原理圖 8 本設(shè)計(jì)的測(cè)量電路采用最常見(jiàn)的橋式測(cè)量電路，用到的是電阻應(yīng)變傳感器半橋式測(cè)量電路。它的兩只應(yīng)變片和兩只電阻貼在彈性梁上，測(cè)量電阻隨重力變化導(dǎo)致彈性梁應(yīng)變而產(chǎn)生的變化。其測(cè)量原理：用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。由于內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓可由下式給出： 上式說(shuō)明電橋的輸出電壓 V和四個(gè)橋臂的應(yīng)變片感受的應(yīng)變量的代數(shù)和成正比。 放大電路選擇 稱(chēng)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)和增益的溫度漂移和時(shí)間漂移極小。 按照輸入電壓 20mV，分辨率 20210 碼的情況，漂移要小于 1 舊。由于其具有極低的失調(diào)電壓的溫漂和時(shí)漂（177。 ），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。 由稱(chēng)重傳感器的稱(chēng)量原理可知，電阻應(yīng)變片組成的傳感器是把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成△ R/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，彈性體存額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?l000￡，應(yīng)變電阻相對(duì)變化 量為： △ R/R=K￡ =2 1000 106 =0. 002 由上式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△ R/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)換器接收的信號(hào)。在前級(jí)處理電路部分，我們考慮可以采用以下幾種方案： 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)放人器具有高輸入阻抗，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。 一般說(shuō)來(lái)，集成化儀用放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中都是把集成化儀器放人器作為前置放人器。然而，絕人多數(shù)的集成化儀器放大器，9 特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：增益越高，共模 抑制比越大。而集成化儀器放大器作為心電前置放大器時(shí)，由于極化電壓的存在，前置放大器的增益只能在幾十倍以內(nèi)，這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時(shí)的共模抑制比不可能很高。有同學(xué)試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）來(lái)避免極化電壓使高增益的前置放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)，但由于信號(hào)源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴(yán)重地?fù)p害了放人器的性能。 為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放人，其設(shè)計(jì)電路如圖 4 所示： 圖 4 利用高精度低漂移運(yùn)放設(shè)計(jì)的差動(dòng)放大器 1． 前級(jí)采 用運(yùn)放 Al 和 A2 組成并聯(lián)型差動(dòng)放大器。理論上不難證明，存運(yùn)算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動(dòng)放人器的輸入阻抗為無(wú)窮人，共模抑制比也為無(wú)窮人。更值得一提的是，在理論上并聯(lián)型差動(dòng)放人器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無(wú)關(guān)。 2． 阻容耦合電路放存由并聯(lián)型差動(dòng)放大器構(gòu)成的前級(jí)放大器和由儀器放大器構(gòu)成的后級(jí)放大器之間，這樣可為后級(jí)儀器放大器提高增益，進(jìn)而提高電路的共模抑制比提供了條件。同時(shí)，南于前置放大器的輸出阻抗很低，同時(shí)又采用共模驅(qū)動(dòng)技術(shù)，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對(duì)稱(chēng)（匹配）導(dǎo)致的共模干擾 轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生。 3． 后級(jí)電路采用廉價(jià)的儀器放大器，將雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級(jí)的儀器放大器可以做到很高的增益，進(jìn)而得到很高的共模抑制比。 10 3 硬件設(shè)計(jì) 總體規(guī)劃 該系統(tǒng)采用應(yīng)變片式傳感器進(jìn)行測(cè)量 ， 得出模擬信號(hào) ； 再進(jìn)行放大 ， 然后送入單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理和數(shù)據(jù)處理 。由傳感器模塊、主機(jī)接口模塊、按鍵與顯示模塊組成。 主控制器電路 主控制器是 STC12C5A60S2 單片機(jī)，其外圍電路簡(jiǎn)單，只需要加上晶振電路和電源就可以工作。主控制器電路如圖 5 所示。 圖 5 主控制系統(tǒng) 11 傳感器放大電路 傳感器放大電路由兩級(jí)組成，前級(jí)由兩個(gè)同相比例運(yùn)算電路組成，后級(jí)是一個(gè)差動(dòng)比例運(yùn)算電路。傳感器信號(hào)首先進(jìn)過(guò)前級(jí)進(jìn)行初步放大，接著進(jìn)入后級(jí)。由于前級(jí)的對(duì)稱(chēng)性直接影響后級(jí)的共模抑制比，考慮到元件阻值的誤差， R2,R4 選用多圈精密可調(diào)電阻。為了提高后級(jí)對(duì)共模信號(hào)的抑制，反饋電阻 R3 也采用精密多圈可調(diào)電阻。傳感器放大電路如圖 6所示。 圖 6 傳感器放大電路 顯示電路 1602 液晶模塊的引腳連線如圖 7。其中，第 2 腳為液晶的驅(qū)動(dòng)電源；第三腳 VL 為液晶的對(duì)比 度調(diào)節(jié)，通過(guò)在 VCC 和 GND 之間接一個(gè) 10K 多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接 VL，可實(shí)現(xiàn)液晶對(duì)比度的調(diào)節(jié)；液晶的控制線 RS、 R/W、 E 分別接單片機(jī)的 、 、 ；數(shù)據(jù)口接在單片機(jī)的 P2口； BL+、 BL為液晶背光電源。 12 圖 7 1602 液晶模塊的接線圖 1602 液晶模塊的初始化過(guò)程： 延遲 15ms 寫(xiě)指令 38H（不檢測(cè)忙信號(hào)） 延遲 5ms 寫(xiě)指令 38H（不檢測(cè)忙信號(hào)） 延遲 5ms 寫(xiě)指令 38H（不檢測(cè)忙信號(hào)） （以后每次寫(xiě)指令、讀 /寫(xiě)數(shù)據(jù)操作之前均需檢測(cè)忙信號(hào)） 寫(xiě)指令 38H：顯示模式設(shè)置 寫(xiě) 指令 08H：顯示關(guān)閉 寫(xiě)指令 01H：顯示清屏 寫(xiě)指令 06H：顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置 寫(xiě)指令 0CH：顯示開(kāi)及光標(biāo)設(shè)置 13 1602 液晶模塊的 讀操作時(shí)序如圖 8 所示。 圖 8 1602 液晶模塊的讀操作時(shí)序 1602 液晶模塊的 寫(xiě)操作時(shí)序如圖 9 所示。 圖 9 1602 液晶模塊的寫(xiě)操作時(shí)序 14 4 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)應(yīng)用程序組成 本設(shè)計(jì)采 用 C語(yǔ)言 編程，編譯環(huán)境為 keil UV3。 keil c51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，和匯編相比， C 在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀 性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。 Keil c51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到 keil c51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 Keil C51 可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。開(kāi)發(fā)人員可用IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件，然后分別有 C51 及 A51 編輯器編譯連接生成單片機(jī)可執(zhí)行的二進(jìn)制文件（ .HEX），然后通過(guò)單片機(jī)的燒寫(xiě)軟件將 HEX 文件燒入單片機(jī)內(nèi)。 軟件主要三個(gè)方面：一是初始化系統(tǒng)；二是按鍵檢測(cè)；三是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行顯示。這三個(gè)方面的操作分別在主程序中來(lái)進(jìn)行。程序采用模塊化的結(jié)構(gòu)，這樣程序結(jié)構(gòu)清楚，易編程和易讀性好，也便于調(diào)試和修改。程序結(jié)構(gòu)如圖 10所示。 圖 10 程序結(jié)構(gòu) 15 主程序流程圖 系統(tǒng)程序固化在 STC12C5A60S2內(nèi)部的 flash存儲(chǔ)器中，分為主程序和若干子程序。主程序的功能是系統(tǒng)初始化，管理和調(diào)用各個(gè)子程序。 本設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖 11所示。 圖 11 程序流程圖 AD 采樣程序塊 本文設(shè)計(jì)的 STC12C5A60S2 片內(nèi) AD程序如下： include // // SPEED1 SPEED0 A/D 轉(zhuǎn)換所需時(shí)間 define AD_SPEED 0x60 // 0110,0000 1 1 90 個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次 , // CPU 工作頻率 21MHz 時(shí) A/D 轉(zhuǎn)換速度約 300KHz //define AD_SPEED 0x40 //0100,0000 1 0 140 個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次 //define AD_SPEED 0x20 //0010,0000 0 1 280 個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次 16 //define AD_SPEED 0x00 //0000,0000 0 0 420 個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次 // unsigned int get_AD_result(unsigned char channel) { unsigned char AD_finished=0。 //存儲(chǔ) A/D 轉(zhuǎn)換標(biāo)志 ADC_RES = 0。 //A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果高 8位 ADC_RESL = 0。 //A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果低 2位 channel amp。= 0x07。 //0000,0111 清 0 高 5 位 ADC_CONTR = AD_SPEED。 _nop_()。 ADC_CONTR|=0xE0。 //1110,0000 清 ADC_FLAG， ADC_START 位和低三位 ADC_CONTR |= channel。 //選擇 A/D 當(dāng)前通道 _nop_()。 ADC_CONTR |= 0x80。 //啟動(dòng) A/D 電源 delay(1)。 //使輸入電壓達(dá)到穩(wěn)定 ADC_CONTR |= 0x08。 //0000,1000 令 ADCS = 1, 啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換 AD_finished = 0。 while (AD_finished == 0 ) //等待 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束 { AD_finished = (ADC_CONTR amp。 0x10)。 //0001,0000 測(cè)試 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束否 } ADC_CONTR amp。= 0xE7。 //1111,0111 清 ADC_FLAG 位 , 關(guān)閉 A/D 轉(zhuǎn)換 return (AD