【文章內(nèi)容簡介】 比都具有重要的地位。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，靈敏度高，性能穩(wěn)定，可靠，測量速度快，適合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測 量。 因此此次設(shè)計(jì)采用 電阻應(yīng)變式傳感器 作為稱重傳感器。 電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，其原理為：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。 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△ R/R 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△ R/R 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。 下圖 為一直流供電的平衡電阻電橋， inE 接直流電源 E： 圖 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 因此，應(yīng)變式稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片與電纜線等組成，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)，輸出信號電壓可由式（ ）給出 [28]： ? ?inERRRRRRRRRR RRU ??????? ??????????? 4 43 32 21 142 420 （ ） 若其中第一臂為電阻應(yīng)變片，由應(yīng)變引起的電阻變化為△ R1，當(dāng) R1=R R3=R4時(shí)，R3ΔR3 R4+ΔR4 R2+ΔR2 R1ΔR1 U0 Ein 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 共 38 頁 此時(shí)有電橋的 輸出 電壓： 11110211 141RRRREU in ????? （ ） 當(dāng)應(yīng)變很小時(shí)： 110 41 RREU in ?? （ ） 由式（ ）可知，電橋的輸出電壓 ? ?RfU ??0 是非線性的 ； 式（ )是在假定應(yīng)變片承受的應(yīng)變很小時(shí)得到的結(jié)論，此時(shí) ? ?RfU ??0 是線性的，實(shí)際的非線性特性曲線與理想的線性特性曲線的偏差稱之為非線性誤差。 采用差動(dòng)電橋可以消除非線性誤差。故電阻應(yīng)變式稱重傳感器都選用直流供電 的 全橋 連接 ，該電橋的電壓靈敏度比單一工作應(yīng)變片的電 壓靈敏度提高了 4倍，且具有溫度補(bǔ)償作用， 各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷 。 此時(shí)，電橋輸出電壓為： 110 RREU ?? （ ） 而對于 傳感器的 彈性體 而言 ， 其 結(jié)構(gòu)是多種多樣的，但從電阻應(yīng)變片所測量的對象來區(qū)分，常見的有兩類：正應(yīng)力類，如立柱式（ GD系列傳感器）和梁式（ MT系列傳感器），以及剪應(yīng)力類（ SB系列傳感器）。根據(jù)設(shè)計(jì)要求與經(jīng)驗(yàn)，通常選擇梁式傳感器作為智能稱重儀的 稱重傳感器。如圖 此次設(shè)計(jì)采用的懸臂梁結(jié)構(gòu)的彈性敏感單元。 圖 懸臂梁 結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)對其自由端施加垂直載荷后，懸臂梁結(jié)構(gòu)會(huì)因受力而發(fā)生彎曲變形，且其內(nèi)部應(yīng)力（應(yīng)變）越接近固定端變化越大，其上表面為拉伸狀態(tài)，下表面為壓縮狀態(tài)，依據(jù)此原理可進(jìn)行傳感器的貼片工作，設(shè)計(jì)所需的稱重傳感器。 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 共 38 頁 . 前級放大部分 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)行信號轉(zhuǎn)換。為此，測量電路中常設(shè)有放大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運(yùn)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： 輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源內(nèi)阻。否則，其負(fù)載效應(yīng)會(huì)使所測電壓造成偏差。 抗共模電壓干擾能力強(qiáng)。 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。 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(dòng)變換等。 基于以上分析，采用制 作方便而且精度很好的專用儀表放大器 INA126 是一個(gè)較好的選擇。但是考慮到實(shí)際狀況、精度要求等因素，選擇高精度低漂移運(yùn)算放大器 0P07同樣可以滿足要求，并且其價(jià)格便宜，應(yīng)用電路簡單，因此選擇運(yùn)放 0P07 組成前級放大部分。 0P07 芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于 OP07 具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于 OP07A 最大為 25μ V），所以 OP07 在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。 OP07 同時(shí)具有輸入偏置電流低（ OP07A 為177。 2nA）和開環(huán)增益高（對于 OP07A 為 300V/mV）的特點(diǎn) ，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得 OP07 特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。其引腳圖如下圖 所示。 圖 OP07 芯片引腳圖 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 38 頁 管腳功能說明： 1 和 8 為偏置平衡 (調(diào)零端 )， 2 為反向輸入端， 3 為正向輸入端， 4 接電源 負(fù) 端， 5空腳 6為輸出， 7接電源 正 端。 運(yùn)算放大器 0P07 芯片及其特點(diǎn)如下圖 所示。 圖 0P07 芯片及其特點(diǎn) . 信號轉(zhuǎn)換（ A/D 轉(zhuǎn)換）部分 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，信號轉(zhuǎn)換模塊是將測得的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，因此有幾種方案可采用： 方案一：采用 V/F 變換，例 如芯片 LM331。 V/F 控制的原理是產(chǎn)生一個(gè)震蕩頻率的電路叫做壓控震蕩器，是一個(gè)壓敏電容，當(dāng)受到一個(gè)變化的電壓時(shí)候它的容量會(huì)變化，變化的電容引起震蕩頻率的變化，產(chǎn)生變頻。 該方案是使用壓頻變換器件，把電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，單片機(jī)通過計(jì)數(shù)獲得重物的重量，此方案需要比較復(fù)雜的小信號放大、調(diào)理電路，并且 LM331 外圍電路較繁瑣，參數(shù)配置相對嚴(yán)格，故未采用。 方案二：采用 A/D 轉(zhuǎn)換，例如 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809。 逐次逼近式 A/D 是比較常見的一種 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級。采用逐次逼近法的 A/D 轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成。基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進(jìn)行試探。 該類 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度高，速度快，價(jià)格適中，是目前種類最多，應(yīng)用最廣的 A/D 轉(zhuǎn)換器。并且此方案經(jīng)小信號放大、調(diào)理電路，可直接連接單片機(jī)，也可以可滿足精度要求，故采用此方案。 ADC0809是帶有 8位 A/D轉(zhuǎn)換器、 8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的 CMOS2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 共 38 頁 組件。它是逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。 ADC0809 由一個(gè) 8 路模擬開關(guān)、一個(gè) 地址鎖存與譯碼器、一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個(gè)模擬通道，允許 8路模擬量分時(shí)輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 DC0808/0809 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 ADC0808/0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 ADC0809 分辨率 為 8 位 ， 具有轉(zhuǎn)換啟?？刂贫耍D(zhuǎn)換時(shí)間為 100μs 采用單 +5V 電源供電，模擬輸入電壓范圍為 0～ +5V，且不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)，工作溫度范圍為 40～+85℃ 功耗可抵達(dá)約 15mW。 ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，圖 所示是其引腳排列圖。 圖 ADC0809的引腳排列圖 管腳功能說明： IN0－ IN7：模擬量輸入通道。 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 38 頁 ADDA－ C：地址線。 ALE：地址鎖存允許信號。 START：啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號。當(dāng)它為上升沿后，將內(nèi)部寄存器清 0。當(dāng)它為下降沿后，開始 A/D 轉(zhuǎn)換。 D0－ D7：數(shù)據(jù)輸出口。 OE：輸出允許信號，是 D0－ D7 的輸出控制端 。 OE＝ 0，輸出端呈高阻態(tài)， OE＝ 1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 CLOCK：時(shí)種信號。 ADC0809 內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，需由外部提供時(shí)鐘脈沖信號。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號。 EOC＝ 0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 EOC＝ 1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。 REF(+)、 REF()：參考電壓。一般 REF(=)＝ 5v REF()接地。 ADC0809 的 工作過程： 首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A/D轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入 鎖存器，這個(gè)信號可用作中斷申請。當(dāng) OE 輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定著信號采集的精度和分辨率。對于 8通道的輸入信號，其分辨率為 ％。 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度為： 177。%，因此符合此次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換要求要求。 . 主控制器（單片機(jī)）的選型 在眾多的 51 系列單片機(jī)中，要算 ATMEL 公司的 AT89C5 AT89S51 更實(shí)用，它不但和 8051 指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的 4K 程序存儲器是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除 、改寫，一般專為 ATMEL AT89xx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了你的勞動(dòng)成果。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲 器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 38 頁 器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位CPU 和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 AT89C51 單片機(jī)特點(diǎn)能 與 MCS51 兼容，有 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命能夠達(dá)到 1000 寫 /擦循環(huán)，數(shù)據(jù)可以保留時(shí)間長達(dá) 10 年，全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz，三級程序存儲 器鎖定， 1288 位內(nèi)部 RAM， 32 可編程 I/O 線，兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，5 個(gè)中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。所以 AT89C51 符合本次設(shè)計(jì)的主控芯片。 AT89C51 芯片圖如下： 圖 AT89C51 的引腳圖 VCC：供電電壓。 GND：接地 。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高 。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收 。 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 共 38 頁 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為 輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。