【文章內(nèi)容簡介】 圖 3 稱重傳感器原理圖 8 本設計的測量電路采用最常見的橋式測量電路，用到的是電阻應變傳感器半橋式測量電路。它的兩只應變片和兩只電阻貼在彈性梁上，測量電阻隨重力變化導致彈性梁應變而產(chǎn)生的變化。其測量原理：用應變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流的變化。由于內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，輸出信號電壓可由下式給出： 上式說明電橋的輸出電壓 V和四個橋臂的應變片感受的應變量的代數(shù)和成正比。 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。對放大環(huán)節(jié)的要求是增益可調的（ 70～ 150 倍），根據(jù)本設計的實際情況增益設為 100 倍即可，零點和增益的溫度漂移和時間漂移極小。 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電壓的溫漂和時漂（177。 ），從而保證了放大環(huán)節(jié)對零點漂移的要求。殘余的一點漂移依靠軟件的自動零點跟蹤來徹底解決。穩(wěn)定的增益量可以保證其負反饋回路的穩(wěn)定性，并且最好選用高阻值的電阻和多圈電位器。 由稱重傳感器的稱量原理可知，電阻應變片組成的傳感器是把機械應變轉換成△ R/R，而應變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應變片電阻值 120Ω ，靈敏系數(shù) K=2，彈性體存額定載荷作用下產(chǎn)生的應變?yōu)?l000￡，應變電阻相對變化 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量，又不便直接處理。因此，必須采用轉換電路，把應變計的△ R/R 變化轉換成電壓或電流變化，但是這個電壓或電流信號很小，需要增加增益放大電路來把這個電壓或電流信號轉換成可以被 A/D 轉換器接收的信號。在前級處理電路部分，我們考慮可以采用以下幾種方案： 方案一：利用普通低溫漂運算放大器構成前級處理電路； 普通低溫漂運算放大器構成多級 放大器會引入大量噪聲。由于 A/D 轉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：主要由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器，而構成的前級處理電路；差動放人器具有高輸入阻抗，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。 一般說來，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)的電路設計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：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，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的共模抑制比不可能很高。有同學試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進入飽和狀態(tài)，但由于信號源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡）使等共模干擾轉變?yōu)椴钅８蓴_，結果適得其反，嚴重地損害了放人器的性能。 為了實現(xiàn)信號的放人，其設計電路如圖 4 所示： 圖 4 利用高精度低漂移運放設計的差動放大器 1． 前級采 用運放 Al 和 A2 組成并聯(lián)型差動放大器。理論上不難證明，存運算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動放人器的輸入阻抗為無窮人，共模抑制比也為無窮人。更值得一提的是，在理論上并聯(lián)型差動放人器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無關。 2． 阻容耦合電路放存由并聯(lián)型差動放大器構成的前級放大器和由儀器放大器構成的后級放大器之間，這樣可為后級儀器放大器提高增益，進而提高電路的共模抑制比提供了條件。同時，南于前置放大器的輸出阻抗很低，同時又采用共模驅動技術，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對稱（匹配）導致的共模干擾 轉換成差模干擾的情況發(fā)生。 3． 后級電路采用廉價的儀器放大器，將雙端信號轉換為單端信號輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級的儀器放大器可以做到很高的增益，進而得到很高的共模抑制比。 10 3 硬件設計 總體規(guī)劃 該系統(tǒng)采用應變片式傳感器進行測量 ， 得出模擬信號 ； 再進行放大 ， 然后送入單片機進行模數(shù)轉換處理和數(shù)據(jù)處理 。由傳感器模塊、主機接口模塊、按鍵與顯示模塊組成。 主控制器電路 主控制器是 STC12C5A60S2 單片機，其外圍電路簡單，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組成，前級由兩個同相比例運算電路組成，后級是一個差動比例運算電路。傳感器信號首先進過前級進行初步放大，接著進入后級。由于前級的對稱性直接影響后級的共模抑制比，考慮到元件阻值的誤差， R2,R4 選用多圈精密可調電阻。為了提高后級對共模信號的抑制，反饋電阻 R3 也采用精密多圈可調電阻。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 腳為液晶的驅動電源；第三腳 VL 為液晶的對比 度調節(jié)，通過在 VCC 和 GND 之間接一個 10K 多圈可調電阻，中間抽頭接 VL，可實現(xiàn)液晶對比度的調節(jié)；液晶的控制線 RS、 R/W、 E 分別接單片機的 、 、 ；數(shù)據(jù)口接在單片機的 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程： 延遲 15ms 寫指令 38H（不檢測忙信號） 延遲 5ms 寫指令 38H（不檢測忙信號） 延遲 5ms 寫指令 38H（不檢測忙信號） （以后每次寫指令、讀 /寫數(shù)據(jù)操作之前均需檢測忙信號） 寫指令 38H：顯示模式設置 寫 指令 08H：顯示關閉 寫指令 01H：顯示清屏 寫指令 06H：顯示光標移動設置 寫指令 0CH：顯示開及光標設置 13 1602 液晶模塊的 讀操作時序如圖 8 所示。 圖 8 1602 液晶模塊的讀操作時序 1602 液晶模塊的 寫操作時序如圖 9 所示。 圖 9 1602 液晶模塊的寫操作時序 14 4 軟件設計 系統(tǒng)應用程序組成 本設計采 用 C語言 編程，編譯環(huán)境為 keil UV3。 keil c51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，和匯編相比， C 在功能上、結構性、可讀 性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。 Keil c51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 keil c51 生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 Keil C51 可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(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可執(zhí)行的二進制文件（ .HEX），然后通過單片機的燒寫軟件將 HEX 文件燒入單片機內(nèi)。 軟件主要三個方面：一是初始化系統(tǒng)；二是按鍵檢測；三是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理并進行顯示。這三個方面的操作分別在主程序中來進行。程序采用模塊化的結構，這樣程序結構清楚，易編程和易讀性好，也便于調試和修改。程序結構如圖 10所示。 圖 10 程序結構 15 主程序流程圖 系統(tǒng)程序固化在 STC12C5A60S2內(nèi)部的 flash存儲器中，分為主程序和若干子程序。主程序的功能是系統(tǒng)初始化，管理和調用各個子程序。 本設計的程序流程圖如圖 11所示。 圖 11 程序流程圖 AD 采樣程序塊 本文設計的 STC12C5A60S2 片內(nèi) AD程序如下： include // // SPEED1 SPEED0 A/D 轉換所需時間 define AD_SPEED 0x60 // 0110,0000 1 1 90 個時鐘周期轉換一次 , // CPU 工作頻率 21MHz 時 A/D 轉換速度約 300KHz //define AD_SPEED 0x40 //0100,0000 1 0 140 個時鐘周期轉換一次 //define AD_SPEED 0x20 //0010,0000 0 1 280 個時鐘周期轉換一次 16 //define AD_SPEED 0x00 //0000,0000 0 0 420 個時鐘周期轉換一次 // unsigned int get_AD_result(unsigned char channel) { unsigned char AD_finished=0。 //存儲 A/D 轉換標志 ADC_RES = 0。 //A/D 轉換結果高 8位 ADC_RESL = 0。 //A/D 轉換結果低 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 當前通道 _nop_()。 ADC_CONTR |= 0x80。 //啟動 A/D 電源 delay(1)。 //使輸入電壓達到穩(wěn)定 ADC_CONTR |= 0x08。 //0000,1000 令 ADCS = 1, 啟動 A/D 轉換 AD_finished = 0。 while (AD_finished == 0 ) //等待 A/D 轉換結束 { AD_finished = (ADC_CONTR amp。 0x10)。 //0001,0000 測試 A/D 轉換結束否 } ADC_CONTR amp。= 0xE7。 //1111,0111 清 ADC_FLAG 位 , 關閉 A/D 轉換 return (AD