【文章內(nèi)容簡介】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 計(jì)數(shù)獲得重物的重量，此方案，可不用 A/D，但需要比較復(fù)雜的小信號(hào)放大、調(diào)理電路，并且 LM331 外圍電路較繁瑣，參數(shù)配置相對(duì)嚴(yán)格，故未采用。 方案二：選用 12 位逐次比較式 ADC，此方案經(jīng)小信號(hào)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。 主控制器 模塊方案選型 根據(jù) 本設(shè)計(jì)與主控制系 統(tǒng)的功能要求，以及性價(jià)比的最大化這里選用 51單片機(jī) 。 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“智能化測量控制系統(tǒng)”。 數(shù)據(jù) 顯示 模塊方案選型 本設(shè)計(jì)只需要顯示 出所稱實(shí)物的實(shí)際重量， 由于 LED 耗電省、使用壽命長、成本低、亮度高 等優(yōu)點(diǎn)，再加上驅(qū)動(dòng)簡單，容易利用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制和編程等特點(diǎn) 選用 LED 顯示。 報(bào)警 模塊方案選型 報(bào)警電路只在實(shí)物超出人為設(shè)定的值時(shí)，才被單片機(jī)驅(qū)動(dòng)。在這就是對(duì)使用者有個(gè)提醒作用，人為使用普通的聲光報(bào)警就可以。我們選用蜂鳴器與發(fā)光二極管來設(shè)計(jì)報(bào)警電路。 本章小結(jié) 本章主要是闡述 系統(tǒng)的總框圖及其各大模塊的方案設(shè)計(jì)，并且為各方案的選型做了一一的講解。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 3 章 稱重儀的 各單元電路 硬件 設(shè)計(jì) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 AT89S51 單片機(jī)的簡介 AT89S51 是一種低功耗，高性能的片內(nèi)含有 4KB 快閃可編程 /擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的 8 位 COMS 微控制器，使用高密度，非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并且與 80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的 FPEROM 允許在線編程或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)存儲(chǔ)器重復(fù)編程。 AT89S51（以下簡稱 89S51）將具有多種功能的 8 位 CPU 與 FPEROM 結(jié)合在一個(gè)芯片上，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了非常靈活而又便宜的方案，其性能價(jià)格比遠(yuǎn)高于 8751。由于片內(nèi)帶EPROM 的 87S51 價(jià)格偏高，而片內(nèi)帶 FPEROM 的 89S51 價(jià)格 低且與 80C51 兼容，這就顯示出了 89S51 的優(yōu)越性。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100 次。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， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89S 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。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 中央 處理單元選用我們熟悉的單片機(jī)，即最后電路的核心采用最常用、好用和廉價(jià)的 ATEMAL 公司的 AT89S51。 設(shè)計(jì)者必須仔細(xì)選擇晶振頻率，確保標(biāo)準(zhǔn)的通訊波特率（ 1200、 4800、 9600、 等）。不妨先列出可供選擇的晶振所能產(chǎn)生的波特率，然后根據(jù)需要的波特率和系統(tǒng)要求選擇晶振。有時(shí)也不必過分考慮晶振問題，因?yàn)榭梢远ㄖ凭д?。?dāng)晶振頻率超過 20M 時(shí)，必須確?？偩€上的其它器件能夠在這種頻率下工作。當(dāng)工作頻率增加時(shí)，功耗也會(huì)增加，這點(diǎn)在使用電池作為電源的系統(tǒng)中應(yīng)充分考慮 。 單片機(jī)采用 89S51 單片機(jī)，它有 4K 的程序存儲(chǔ)空間和 256B 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，可以滿足編程的要求。 P0 口和 P2 口用于 LED 數(shù)碼管的顯示。用 12Mhz的晶振，時(shí)鐘周期為 1 us。采用按鍵復(fù)位。其最小系統(tǒng)的外圍電路圖如圖31 所示： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 31 單片機(jī)最小系統(tǒng) 電源電路設(shè)計(jì) 本時(shí)鐘電源采用整流濾波電路和三端穩(wěn)壓電路 LM7805 和 LM7905。LM7805CT 芯片輸入端電壓約為 9V,輸出端電壓為 5V， LM7905 芯片輸入端電壓約為 9V,輸出端電壓為 5V，輸入端和輸出端的壓差絕對(duì)值都應(yīng)大于 ,否則會(huì)失去穩(wěn)壓能力。同時(shí)考慮到功耗問題 ,此壓差又不易太大 ,太大則增加7805 與 7905 本身的功率消耗 ,增加芯片的升溫 ,不利于安全。根據(jù)變壓器副邊電壓與經(jīng)過濾波后輸出電壓關(guān)系可知 ,副邊電壓約為177。 9V,據(jù)此確定變壓器原副邊匝數(shù)比這樣即可得到系統(tǒng)所需要的177。 5V 電源 ，電源設(shè)計(jì)圖如圖 32所示。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 32 電源設(shè)計(jì)圖 稱重傳感器的 基本工作原理 傳 感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號(hào)輸出的裝置。用傳感器 首 先要考慮傳感器所處的實(shí)際工作環(huán)境，這點(diǎn)對(duì)正確 使 用傳感器至關(guān)重要，它關(guān)系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個(gè)衡器的可靠性和安全性。 因此傳感器外圍電路的抗干擾能力是數(shù)據(jù)采集部分電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，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(hào)電壓可由式 （ 31） 給出： （ 31） 電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：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?。俳?jīng)相 0 應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過程。 由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。下面就這三方面簡要論述 。 （一） 電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù) K。我們來介紹一下它的意義。設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長度為 L，橫截面是半徑為 r 的圓形，其面積記作 S，其電阻率記作 ρ ，這種材料的泊松系數(shù)是 μ 。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為 R： R = ρL/S （ Ω ） （ 3— 2） 當(dāng)他的兩端受 F 力作用時(shí)，將會(huì)伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 ΔL ，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少 Δr 。此外，還可用實(shí)驗(yàn)證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會(huì)有所改變，記作 Δρ 。 對(duì)式（ 32）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有： ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S – ΔSρL/S2 （ 3— 3） 用 式 （ 32）去除 式 （ 33）得到 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S （ 3— 4） 另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積 S = πr2 ，則 Δs = 2πr*Δr ，所以 ΔS/S = 2Δr/r （ 3— 5） 從材料力學(xué)我們知道 Δr/r = μΔL/L （ 3— 6） 其中，負(fù)號(hào)表示伸長時(shí)，半徑方向是縮小的。 μ 是表示材料橫 向效應(yīng)泊松系數(shù)。把 式 （ 3— 5） 式 （ 3— 6）代入 式 （ 34），有 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L =（ 1 + 2μ （ Δρ/ρ ） /（ ΔL/L ）） *ΔL/L = K *ΔL/L （ 3— 7） 其中 K = 1 + 2μ + （ Δρ/ρ ） /（ ΔL/L ） （ 3— 8） 式 37 說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對(duì)變化）和電阻絲伸長率（長度相對(duì)變化）之間的關(guān)系。 需要說明的是：靈敏度系數(shù) K 值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān)，不同的材料的 K 值一般在 — 之間；其次 K 值是一個(gè)無因次量，即它沒有量綱。 在材料力學(xué)中 ΔL/L 稱作為應(yīng)變，記作 ε ，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便 。 常常把它的百萬分之一作為單位，記作 με 。這樣， 式（ 3— 7）常寫作： ΔR/R = Kε (3— 9) (二 ) 彈性體 彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。 （三） 檢測電路 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的 影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。 前級(jí)放大器 電路設(shè)計(jì) 稱重 傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，所以對(duì)運(yùn)算放大器要求很高。 我們 已 考慮可以采用 第三 種方案 。所 采用 的 專用儀表放大器 我們選用 INA126，其 接口如圖 33所示： 圖 33 INA126 接口電路 A/D 轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì) 考慮到本系統(tǒng)中對(duì)物體重量的測量和使用的場合，精度要 挺苛刻，轉(zhuǎn)換速率要求 不 太 ，本設(shè)計(jì)采用 MAXIM 推出的 MAX18。 A/D 轉(zhuǎn)換器的原理圖如圖 34 所示： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 34 A/D 轉(zhuǎn)換原理圖 在 A/D 轉(zhuǎn)換器中，因?yàn)檩斎氲哪M信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號(hào)代碼是離散量，所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)必須在一系列選定的瞬間（亦即時(shí)間坐標(biāo)軸上的一些規(guī)定點(diǎn)上）對(duì)輸入的模擬信號(hào)取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。因此，一般的 A/D 轉(zhuǎn)換過程是通過取樣、保持、量化和編碼這四個(gè)步驟完成的。 （一）取樣定理 可以證明，為了正確無誤地用取樣信號(hào) vS 表示模擬信號(hào) vI，必須滿足： max2 iS ff ? 式中 fS 取樣頻率， fimax 為輸入信號(hào) vI 的最高頻率分量的頻率。 其中對(duì)輸入模擬信號(hào)的采樣 的圖如 圖 35 所示， 所用濾波器的頻率特性 的圖如 圖 36所示。 在滿足取樣定理的條件下，可以用一個(gè)低通濾波器將信號(hào) vS 還原為 vI，這個(gè)低通濾波器的電壓傳輸系數(shù) )(fA 在低于 fimax 的范圍內(nèi)應(yīng)保持不變，而在 fS－ fimax 以前應(yīng)迅速下降為零。因此，取樣定理規(guī)定了 A/D 轉(zhuǎn)換的頻率下限。 CP SSA D C取樣保持電路ADC的量化編碼電路...DDDn 110Iv （ t ）v I（ t ）輸入模擬電壓取樣展寬信號(hào)數(shù)字量輸出（n位）哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 35 對(duì)輸入模擬信號(hào)的采樣 圖 36 所用濾波器的頻率特性 因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時(shí)間?？梢姡M(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓，實(shí)際上是每次取樣結(jié)束時(shí)的 vI 值。 （二）量化和編碼 我們知道，數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在數(shù)值上的變化也不是連續(xù)的。這就是說，任何一個(gè)數(shù)字量的大小，都是以某個(gè)最小數(shù)量單位的整倍數(shù)來表示的。因此，在用數(shù)字量表示取樣電壓時(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個(gè)轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用Δ表示。顯然，數(shù)字信號(hào)最低有效位中的 1 表示的數(shù)量大小，就等于Δ。把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示，稱為編碼。這個(gè)二進(jìn)制代碼就是 A/D 轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)。 既然模擬電壓是連續(xù)的，那么它就不一定能被Δ整除，因而不可避免的會(huì)引入誤差，我們把這種誤差稱為量化誤差。在把模擬信號(hào)劃分為不同的量化等級(jí)時(shí)，用不同的劃分方法可以得到不同的量化誤差。 假定需要把 0～ +1V 的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成 3 位二進(jìn)制代碼，這時(shí)便可以取Δ =（ 1/8） V，并規(guī)定凡數(shù)值在 0～（ 1/8） V 之間的模擬電壓都當(dāng)作 0Δ看待，用二進(jìn)制的 000 表示；凡數(shù)值在（ 1/8） V～（ 2/8） V 之間的模擬電壓都當(dāng)作 1Δ看待，用二進(jìn)制的 001 表示，??等等。不難看出，最大的量化誤差可達(dá)Δ，即（ 1/8） V。 tIvovoStoA （ f ）fi m a xf i m a xff s哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 37 劃分量化電平的兩種方法 為了減少量化誤差，通常采用圖 37（ b）所示的劃分方法，取量化單位Δ =（ 2/15） V，并將 000 代碼所對(duì)應(yīng)的模擬電壓規(guī)定為 0～（ 1/15） V，即 0～Δ /2。這時(shí)，最大量化誤差將減少為為Δ /2=（ 1/15） V。這個(gè)道理不難理解，因?yàn)楝F(xiàn)在把每個(gè)二進(jìn)制代碼所代表的模擬電壓值規(guī)定為它所對(duì)應(yīng)的模擬電壓范圍的中點(diǎn)，所以最大的量化誤差自然就縮小為Δ /2 了。 （三） 取樣 — 保持電路 1. 電路 組成及工作原理 N溝道 MOS 管 T 作為取樣開關(guān)用。 圖 38取樣 — 保持電路的基本形式 如圖 38 所示上的取樣 保持電路中， 當(dāng)控制信號(hào) vL 為高電平時(shí)， T 導(dǎo)通，輸入信號(hào) vI 經(jīng)電阻 Ri 和 T 向電容 Ch 充電。若取 Ri=Rf，則充電結(jié)束后 vO=－ vI=vC。 當(dāng)控制信號(hào)返回低電平， T 截止。由于 Ch 無放電回路，所以 vO 的數(shù)值被保存下來。 0000010100111001011101110000010100111001011