【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 應(yīng)，電阻應(yīng)變片即可單獨(dú)作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。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(hào)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(cè)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(cè)量電橋。直流電橋的特點(diǎn)是信號(hào)不會(huì)受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號(hào)小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。下圖為一直流供電的平衡電阻電橋， 接直流電源 E：inE77)(4321RE???))((4321????)()()()(22RRREuo ???????E?? 圖 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖當(dāng)電橋輸出端接無(wú)窮大負(fù)載電阻時(shí)，可視輸出端為開(kāi)路，此時(shí)直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時(shí)，由分壓原理有： ADBDouu?? = （）當(dāng)滿足條件 R1R3=R2R4 時(shí)，即 （）3421R?=0，即電橋平衡。式（）稱平衡條件。ou應(yīng)變片測(cè)量電橋在測(cè)量前使電橋平衡，從而使測(cè)量時(shí)電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。若差動(dòng)工作，即 R1=R△R,R2=R+△R,R3=R△R，R4=R+△R,按式（） ，則電橋輸出為 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 8 ()Ek??應(yīng)變片式傳感器有如下特點(diǎn)：（1）應(yīng)用和測(cè)量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感器。（2）分辨力和靈敏度高，精度較高。（3）結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)試件影響小， 對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。（4）商品化，使用方便，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測(cè)量。 通過(guò)以上對(duì)傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。題目要求稱重范圍0～,分辨率為 1g，考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重 。我們選擇的是電阻應(yīng)變片壓力傳感器，量程為5Kg，精度為 % ，滿足本系統(tǒng)的精度要求。 前級(jí)放大器經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號(hào)一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號(hào)亦難以直接用來(lái)顯示、記錄、控制或進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。為此，測(cè)量電路中常設(shè)有模擬放大環(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(lái)完成。放大器的輸入信號(hào)一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號(hào)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(duì)放大器有如下一些要求：輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)使所測(cè)電壓造成偏差?？构材ｋ妷焊蓴_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。綜合以上要求，我們采用了最為簡(jiǎn)單的反相比例運(yùn)算電路來(lái)實(shí)現(xiàn)放大的功能。 反相比例運(yùn)算電路（1）電路的組成99圖 反相比例電路反向比例運(yùn)算電路的組成如圖 所示。由圖可見(jiàn)，輸入電壓 ui通過(guò)電阻 R1加在運(yùn)放的反向輸入端。R f是溝通輸出和輸入的通道，是電路的反饋網(wǎng)絡(luò)。同向輸入端所接的電阻 RP為電路的平衡電阻，該電阻等于從運(yùn)放的同向輸入端往外看除源以后的等效電阻，為了保證運(yùn)放電路工作在平衡的狀態(tài)下，同相輸入端的電阻應(yīng)該取 RP =R1//Rf（2）電壓放大倍數(shù)圖 反相比例運(yùn)算電路理想運(yùn)算放大器組成的反相比例運(yùn)算電路見(jiàn)圖 ，顯然是一個(gè)電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。在輸入信號(hào)作用下，輸入端有電流 iI、i′I 、if 。根據(jù)虛斷的特性有 i39。I ?0 （）于是 iI ? if （）根據(jù)虛短的特性，有 u+ ? u （）第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 10所以 （）放大倍數(shù) Au 為 （）（3）反向比例運(yùn)算電路的輸入電阻（）為了保證運(yùn)放電路工作在平衡的狀態(tài)下，同相輸入端的電阻應(yīng)該取 RP =R1//Rf（4）由于反向比例運(yùn)算電路具有虛地的特點(diǎn)。所以共模輸入電壓為（）反相比例運(yùn)算電路由于具有“虛地”的特點(diǎn)，運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端均為 0 電位，所以反相比例運(yùn)算電路的 共模輸入電壓等于 0。 前級(jí)放大電路圖 放大電路圖1fiouR???fo1I1IIi0iu?1111 A/D 轉(zhuǎn)換器 方案比較A/D 轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這一部分處理不好，會(huì)使得整個(gè)設(shè)計(jì)毫無(wú)意義。目前，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。目前， ADC 集成電路主要有以下幾種類型：（1）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(kāi)關(guān)速度、編碼器的傳輸時(shí)間延遲等。(2） 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器：如：ADS780ADS7804 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。(3）積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器：如：ICL713ICL710ICL154MC14433 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：轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在 12 位時(shí)為 100～300SPS。 (4)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。 考慮到本系統(tǒng)中對(duì)物體重量的測(cè)量和使用的場(chǎng)合，精度要求不是很苛刻，轉(zhuǎn)換速率要求也不高。因此首先考慮常用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809，由于本設(shè)計(jì)只需采集儀一路數(shù)據(jù)，第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 12ADC0809 為并行的 8 路數(shù)據(jù)采集芯片，且接線較復(fù)雜，因此考慮采用串行的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片0832 完成設(shè)計(jì)。 ADC0832 芯片介紹ADC0832 與 MSC51 單片機(jī)接口構(gòu)成了串行的 8 位通道，微處理器通過(guò)軟件寫(xiě)入三位串行控制命令決定 ADC0832 的工作方式，CH0 單端輸入，輸入范圍 05V，非調(diào)整誤差為正負(fù)1LSB，電路僅使用微處理器的兩根控制線，兩根數(shù)據(jù)線可方便進(jìn)行光電隔離增強(qiáng)抗干擾能力。適用于智能化檢測(cè)儀器儀表。正常情況下 ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為 4 條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、CLK、DO、DI。但由于 DO 端與 DI 端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng) ADC0832 未工作時(shí)其 CS 輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和 DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將 CS 使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端 CLK 輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI 端則使用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第 1 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前 DI 端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第 3 個(gè)脈沖下沉之前 DI 端應(yīng)輸入 2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能， 當(dāng)此 2 位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時(shí)，只對(duì) CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時(shí)，只對(duì) CH1 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為“0” 、“0”時(shí)，將 CH0 作為正輸入端 IN+，CH1 作為負(fù)輸入端 IN進(jìn)行輸入。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時(shí)，將 CH0 作為負(fù)輸入端 IN，CH1 作為正輸入端 IN+進(jìn)行輸入。到第 3 個(gè)脈沖的下沉之后 DI 端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI 端則開(kāi)始利用數(shù)據(jù)輸出 DO 進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第 4 個(gè)脈沖下沉開(kāi)始由 DO 端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位 DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下沉 DO 端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第 11 個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開(kāi)始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11 個(gè)字節(jié)的下沉輸出 DATA0。隨后輸出 8 位數(shù)據(jù)，到第 19 個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將 CS 置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。 采樣電路圖1313圖 采樣電路圖 控制器根據(jù)題目要求，有以下兩種控制方案：方案一：采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)為控制核心，利用 EDA 軟件編程，下載燒制實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)集成于一片 Xilinx 公司的 SpartanⅡ系列 XC2S100E 芯片上，體積大大減小、邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路。但是大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷话闶鞘褂脿顟B(tài)機(jī)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即所解決的問(wèn)題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。本系統(tǒng)狀態(tài)較多，難度較大。方案二：目前單片機(jī)技術(shù)比較成熟，功能也比較強(qiáng)大，被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后送入單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系譯碼顯示出被測(cè)物體的重量， 。本設(shè)計(jì)由于要求必須使用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器,而且以單片機(jī)為主控制器的設(shè)計(jì)，可以容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測(cè)量控制系統(tǒng)” 。這種新型的智能儀表在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進(jìn)展。再則由于系統(tǒng)沒(méi)有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，又考慮到本設(shè)計(jì)中程序部分比較大，根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)的分析，設(shè)計(jì)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的的系統(tǒng)，可以選用帶 EPROM 的單片機(jī)，由于應(yīng)用程序不大，應(yīng)用程序直接存儲(chǔ)在片內(nèi)，不用在外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器，這樣電路也可簡(jiǎn)化。INTEL 公司的8051 和 8751 都可使用，在這里選用 ATMENL 生產(chǎn)的 AT89SXX 系列單片機(jī)。AT89SXX 系列與MCS51 相比有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，片內(nèi)存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器，使程序?qū)懭敫臃奖?；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整個(gè)硬件電路體積更小。此外價(jià)格低廉、性能比較穩(wěn)定的MCPU，具有 8K8ROM、2568RAM、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)量和控制要求最后我們最終選擇了 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。AT89C51內(nèi)部帶有 8KB 的程序存儲(chǔ)器，基本上已經(jīng)能夠滿足我們的需要。第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 14 AT89C51 芯片介紹AT89C51（如圖所示）是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的AT89S51 是一種高效微控制器，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。各管腳功能如下：VCC：供電電壓。GND：接地。 P0 口：P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 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(chǔ)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