【文章內(nèi)容簡介】 74LS154 可以很好的解決這一問題，故選擇 74LS154 來完成本設(shè)計(jì)。 成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 6 第三章 硬件組成 3． 1 硬件結(jié)構(gòu)框圖 圖 31 系統(tǒng)框圖 3． 2 傳感器 傳感器的定義及應(yīng)用 能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和 轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換部分指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。現(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會進(jìn)入了信息時代，在信息時代人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發(fā)和獲取 、傳輸和處理，而傳感器處于自動檢測與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測信息的窗口；傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號。因此，傳感器的地位與作用特別重要。 載荷和力傳感器是試驗(yàn)技術(shù)和工業(yè)測量中用得較多的一種傳感 器。在本系統(tǒng)中，傳感器將被測物料的重量轉(zhuǎn)化為適于傳輸和測量的電信號，它處于整個稱重系統(tǒng)的最前端，其性能將會影響整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)和稱量結(jié)果的精度。在各種測力傳感器中，電 單片機(jī)AT 89C51 鍵盤控制 LED 顯示 稱重 傳感器 前端信號處理 A/D 轉(zhuǎn) 換 器 報警裝置 成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 7 阻應(yīng)變式傳感器是應(yīng)用最為廣泛的傳感器之一，雖然新型傳感器不斷出現(xiàn)，為測控技術(shù)開拓了新的領(lǐng)域，但是由于電阻應(yīng)變測量技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性能穩(wěn)定可靠、靈敏度高、易于實(shí)現(xiàn)測控過程自動化、測量速度快等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)見在以后它仍將是一種主要的測試手段。 稱重傳感器的工作原理 電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件與電阻應(yīng)變片構(gòu)成。彈性敏感 元件在感受被測量時將產(chǎn)生變形，起表面產(chǎn)生應(yīng)變。而粘貼在彈性敏感元件表面的電阻應(yīng)變片將隨著彈性敏感元件產(chǎn)生應(yīng)變，因此電阻應(yīng)變片的電阻值也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。這樣，通過測量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，就可以確定被測物料的重量。 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。金屬絲的電阻值 ( FLR /?? )與材料的電阻率 (? )及其幾何尺寸 (長度 l 和面積 F )有關(guān)，在 承受機(jī)械變形 (拉伸或壓縮 )的過程中，這三者都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 稱重傳感器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)電阻應(yīng)變式傳感器彈性元件的不同，力傳感器可以分為柱式、梁式、環(huán)式、框式等幾種類型。本系統(tǒng)所使用的稱重傳感器是一種特殊梁式力傳感器，為了改變梁的特性 (在提高其特性的同時也增加其靈敏度 )，將梁做成特殊形狀，以改變其應(yīng)力分布并增加剛度。在板狀梁上有兩個孔，當(dāng)梁的端部有集中力作用時，孔內(nèi)承受彎曲變形。將應(yīng)變片粘貼在孔的內(nèi)壁，應(yīng)變片處于相反的應(yīng)力區(qū)內(nèi)，當(dāng)兩邊的變形為拉伸 時，另兩邊為壓縮變形，四個應(yīng)變片組成差動電橋，輸出特性的線形度好；另外，這種梁的剛度比單梁好，故動態(tài)特性好，滯后小。橋路內(nèi)自動補(bǔ)償，從而提高傳感器精度，使用時對力點(diǎn)位置的要求也降低了，這種梁在小量程工業(yè)電子秤和商業(yè)電子秤中得到了廣泛的應(yīng)用 [3]。本設(shè)計(jì)選用稱重傳感器如圖 32 所示： 成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 8 相關(guān)參數(shù)如表 31所示 ： 表 31 傳感器相關(guān)參數(shù) 額定載荷： 15， 30， 50， 100， 200Kg 絕緣電阻： ? 5000M? 靈敏度： ? mV/V 工作溫度范圍： 30～ +70℃ 綜合性誤差： ? ％ 安全過載： 150％ 蠕變（ 30分鐘）： ? ％ 極限過載： 250％ 零點(diǎn)平衡： ? 1％ 推薦激勵電壓： 10～ 12V DC 零點(diǎn)溫度影響： ? ％ ℃ 最大激勵電壓： 15V DC 輸出溫度影響： ? ％ ℃ 密封等級： Ip67 輸入阻抗： 420? 10? （ ohms） 導(dǎo)線規(guī)格： ? 5*1000 mm 輸出阻抗： 352? 2? （ ohms） 最大臺面尺寸： 600*800 mm*mm 前端信號處理 被測量由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，在沒有干擾的情況下，信號源為單一有效信號直接加到放大器上將微弱信號放大。但在許多場合，傳感器輸出的微弱電信號還包含有工頻，靜電和電磁藕合等干擾信號 (噪聲 )，有時甚至是與有效信號相同頻率的干擾信號。稱上述噪聲為共模干擾。對這種含有共模干擾的信號的放大需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗的特點(diǎn)。習(xí)慣上將這種放大器稱作測量放大器閉。 測量放大器電路結(jié)構(gòu)的兩個差動輸入端是兩個輸入阻抗和電壓增益對稱的同相輸入端，由于性能對稱，其漂移 將大大減小，加上高輸入阻抗和高共模抑制比，對微小差模電壓很敏感，因而適宜與傳感器配合使用 [15]。 在差分放大電路中，阻抗匹配問題是影響共模抑制比的主要因素。如果用分立運(yùn)算放大器來做測量電路，難免有電阻值的差異，因而造成共模抑制比的降低和增益的非線性。采用厚膜工藝制作的集成測量放大器解決了上述匹配問題，此外集成芯片較分立放圖 32 傳感器實(shí)物圖 成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 9 大器具有性能優(yōu)異、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn) [8]。信號放大系統(tǒng)電路如圖 所示： A/D 轉(zhuǎn)換器 經(jīng)采樣 /保持電路得到的模擬量必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能由計(jì)算機(jī)處理。能完成模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱作模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。它是模擬量信號源與數(shù)字計(jì)算機(jī)之間的接口，因此，它的轉(zhuǎn)換速率和進(jìn)度應(yīng)滿足整個系統(tǒng)對采樣頻率和精度的要求。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分類 ADC 可以分為兩大類：直接型和間接型。直接型 ADC 是將輸入的電壓信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼。間接型 ADC 是將輸入的電信號先轉(zhuǎn)換成中間變量 (如時間、頻率、脈沖寬度等 )，再把中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼。 ADC 的基本原理是基于時間間隔－數(shù)字變換、頻率－數(shù)字變換及電壓－數(shù)字變換 等，根據(jù)原理的不同，常用的 ADC 又可分為雙積分型、跟蹤型、逐次逼近型、和 ??? (積分－增量 )調(diào)制型。 圖 33 前級信號放大電路 成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 10 ADC 的分類 超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，使集成 ADC 發(fā)展迅速、品種繁多、性能各異。各種ADC 的主要技術(shù)指標(biāo)由芯片的器件手冊上給出，如何選擇 ADC 應(yīng)考慮以下原則： 1） ADC 的位數(shù) ADC 的位數(shù)決定了其分辨率的高低， 8 位以下為低分辨率； 10 位和 12位為中分辨率；14 位和 16位為高分辨率。一個測控系統(tǒng)的精度受多個環(huán)節(jié)的影響，作為其中之一， ADC的位數(shù)選擇，至 少要比總精度要求的最低分辨率高一位，總精度對于 ADC 的轉(zhuǎn)換精度要求不等于對分辨率 (位數(shù) )的要求，但轉(zhuǎn)換精度包括分辨率大小所決定的量化誤差及相關(guān)的偏移誤差。選擇位數(shù)過多沒有意義，且價格較高。 2） ADC 的轉(zhuǎn)換速率 ADC 的轉(zhuǎn)換速率應(yīng)滿足不失真地重現(xiàn)被測信號的要求，具體地說應(yīng)滿足采樣定理(Shannon 定理 )對采樣頻率的要求。采樣定理指出，實(shí)現(xiàn)采樣信號完全恢復(fù)被測模擬信號的最小頻率為 maxffs ? ( sf 為采樣頻率， maxf 為被測模擬信號中最高諧波分量的頻率 )，而實(shí)際應(yīng)用中由于被測信號并不完全具備上式在推導(dǎo)過程中被假設(shè)為“有限帶寬”的條件，通常 sf 至少取為 4 maxf ，將采樣頻率選取為理論值的 10 倍也是很平常的。 不同類型的 ADC的轉(zhuǎn)換速率大不相同。積分和跟蹤比較型的轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換時間從幾毫秒到幾十毫秒，只能構(gòu)成低速的轉(zhuǎn)換器，一般用于壓力、溫度及流量等緩慢變化的參數(shù)測試。逐次逼近型屬于中速 ADC，轉(zhuǎn)換時間為微秒級，用于多通道過 程控制和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。并列型是高速 ADC，轉(zhuǎn)換時間僅為 20～ 100ns，適用于實(shí)時瞬態(tài)記錄、數(shù)字通訊、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等 [6]。 此外，在選擇 ADC 時還應(yīng)考慮是否需要使用采樣 /保持器、 ADC的供電電壓、 ADC 的量程、引腳、工作現(xiàn)場的環(huán)境條件等問題。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD574A 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選擇了 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD574A 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換部件。 AD574A為逐次逼近型 ADC，它的突出特點(diǎn)是芯片內(nèi)部包含微機(jī)接口控制邏輯電路和三態(tài)輸出緩沖器，可以直接與 8位、 12 位或 16 位微處理器的數(shù)據(jù)總線相連。 讀寫及轉(zhuǎn)換命令由控 成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 11 制總線提供，輸出可以是 12 位一次讀出或分兩次讀出 :先讀高 8 位，再讀低 4 位。輸入電壓可有單極性和雙極性兩種。對外可提供一個＋ 10伏基準(zhǔn)電壓，最大輸出電流 。有較寬的溫度范圍 [1]。 芯片引腳功能 : AD574A 采用 28腳雙列直插式封裝，引腳圖及各引腳的功能如圖 所示： 110 ~DD ： 12 位數(shù)據(jù)輸出。 8/12 ：數(shù)據(jù)模式選擇，此線輸入信號為“ 1”時， 12條輸出線均有效：此線輸入信號為“ 0”時， 12 位 分成高 8位和低 4位兩次輸出。 0A ：字節(jié)地址 /短周期。在讀數(shù)狀態(tài)，如果 8/12 為低電平，當(dāng) 0A =0時，則輸出高 8位數(shù)；當(dāng) 0A =1時，則輸出低 4 位數(shù)，禁止高 8位輸出；如果 8/12 為高電平，則 0A 的狀態(tài)不起作用。 0A 的另一功能是控 制轉(zhuǎn)換周期，在轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng) 0A =0時，產(chǎn)生 12 位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換周期位 25μ s；當(dāng) 0A =1 時，產(chǎn)生 8位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換周期位 16uS。 CS ：芯片選擇。當(dāng) CS ＝ 0時，芯片被選中。 CR/ ：讀 /轉(zhuǎn)換信號。當(dāng) CR/ =1 時，允許讀取 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果；當(dāng) CR/ =0 時，允許啟動 A/D 轉(zhuǎn)換。 圖 34 AD574引腳圖 成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 12 CE：芯片允許。 CE=7 允許轉(zhuǎn)換或讀 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，從此端輸入啟動脈沖。 STS：狀態(tài)信號。 STS=1 時，表示正在 A/D 轉(zhuǎn)換； STS=0 時，表示 A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。 REFOUT:基準(zhǔn)電壓輸出。芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源為 l0V 0010? 。 REFIN:基準(zhǔn)電壓輸入。如果 ITIJFOUT 通過電阻接至 REFIN，則可用來調(diào)量程。 BIPOUT：雙極性補(bǔ)償。若輸入模擬信號為雙極性 (5V~+5V 或 10V~+10V)則要同時使用此腳；此腳還 可用于調(diào)零點(diǎn)。 10 INV ： l0V 量程輸入端。 20 INV ：