【正文】 前端信號(hào)處理電路進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大放大后的模擬電壓信號(hào)經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量被送入到主控電路的單片機(jī)中再經(jīng)過單片機(jī)控制譯碼顯示器從而顯示出被測物體的重量在實(shí)際應(yīng)用中為提高數(shù)據(jù)采集的精度并盡量減少外界電氣干擾還需要在傳感器與 AD 芯片之間加上信號(hào)調(diào)整電路 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本思路 按照設(shè)計(jì)的基本要求系統(tǒng)可分為三大模塊數(shù) 據(jù)采集模塊控制器模塊人機(jī)交互界面模塊其中數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)字信號(hào)送給控制器處理由控制器完成此部分對(duì)軟件的設(shè)計(jì)要求比較高系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件來控制在擴(kuò)展功能上本設(shè)計(jì)增加了過載提示結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示 圖 21 數(shù)碼管顯示方案 此方案利用數(shù)碼管顯示物體重量簡單可行可以采用內(nèi)部帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)由此設(shè)計(jì)出的電子秤系統(tǒng)硬件部分簡單接口電路易于實(shí)現(xiàn)并且在編程時(shí)大大減少程序量在電路結(jié)構(gòu)上只有簡單的輸出輸入關(guān)系缺點(diǎn)是硬件部分簡單雖然可以實(shí)現(xiàn)電子秤基本的稱重功能但是不能實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入無法根據(jù)實(shí)際情況靈活地設(shè)定各種 控制參數(shù)由于數(shù)碼管只能實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)字和英文字符的顯示不能顯示漢字以及其他的復(fù)雜字符不能達(dá)到顯示購物清單的要求又因?yàn)椴捎昧司哂心?shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)系統(tǒng)電路過于簡單系統(tǒng)硬件的擴(kuò)展必受到限制電子秤的功能過于單一達(dá)不到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn) 方案二 在前一種方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展增加一鍵盤輸入裝置增加外界對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)設(shè)定使電子秤實(shí)現(xiàn)稱重計(jì)價(jià)的功能 結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示 圖 22 帶有鍵盤輸入的結(jié)構(gòu)簡圖 此方案設(shè)計(jì)的電子秤可以實(shí)現(xiàn)稱物計(jì)價(jià)功能但是局限于數(shù)碼管的功能在顯示時(shí)只能顯示單價(jià)購物總額以及簡單的貨物代碼等在顯示重量時(shí) 如果數(shù)碼管沒有足夠的位數(shù)那么稱量物體重量的精度必受到限制所以此方案需要較多的數(shù)碼管接入電路中這樣在處理輸入輸出接口時(shí)需要另行擴(kuò)展足夠多的 IO 接口供數(shù)碼管使用比較麻煩 方案三 前端信號(hào)處理時(shí)選用放大 AD 轉(zhuǎn)換等措施尤其在顯示方面采用具有字符圖文顯示功能的 LCD 顯示器這種方案不僅加強(qiáng)了人機(jī)交換的能力而且滿足設(shè)計(jì)要求可以顯示購物清單所稱量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容 結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示 圖 23 LCD 顯示的方案 目前單片機(jī)技術(shù)比較成熟功能也比較強(qiáng)大被測信號(hào)經(jīng)放大整形后送入單片機(jī)由單片機(jī)對(duì)測量信號(hào)進(jìn)行處理并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù) 關(guān)系譯碼顯示出被測物體的重量由于系統(tǒng)需要的按鍵較多因此要加一個(gè)鍵盤顯示管理芯片 ZLG7289 單片機(jī)控制適合于功能比較簡單的控制系統(tǒng)而且其具有成本低功耗低體積小算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)但其缺點(diǎn)是外圍電路比較復(fù)雜編程復(fù)雜使用這種方案會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來一定的難度圖 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方案原理框圖 采用現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA 為控制核心 采用現(xiàn)場可編程門陣列 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 采用 FPGA 測頻測量精度高測量頻率范圍大而且編程靈活調(diào)試方便設(shè)計(jì)要求的精度較高所以要求系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好抗干擾能力要強(qiáng)從圖中可以看到系統(tǒng)的基本工作流程和各單元電路所用到的核心器件其中控制器采用 Xilinx 公司可編程器件 FPGA 為核心基于 ISE 軟件平臺(tái)采用 VHDL 編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理 LED 和 LCD驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘芯片的 I2C 通訊鍵盤控制等模塊 圖電子系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖 FPGA 的邏輯容量密度大集成度高可大大減少印刷電路板的空間減低系統(tǒng)功耗同時(shí)還可以提高設(shè)計(jì)的工藝性和產(chǎn)品的可靠 性 雖然以 FPGA 為核心的電子秤系統(tǒng)很優(yōu)化但只有在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中其高集成度才能更好得以體現(xiàn)其主要在 PCAT89S 系列單片機(jī)是繼 AT89C 系列之后推出的功能更強(qiáng)的新產(chǎn) 品 AT89S 系列與 AT89C 系列相比運(yùn)算速度有了較大的提高它的靜態(tài)工作頻率為 033MHz 片內(nèi)集成有雙數(shù)據(jù)指針 DPTR 定時(shí)監(jiān)視器 watchdog timer 又稱看門狗 低功耗休閑狀態(tài)及關(guān)電方式關(guān)電方式下的中斷恢復(fù)等諸多功能極大地滿足了各種不同的應(yīng)用要求 AT89S52 單片機(jī)是 AT89S 系列中的增強(qiáng)型高檔機(jī)產(chǎn)品它片內(nèi)存儲(chǔ)器容量是AT89S51 的一倍即片內(nèi) 8KB 的 Flash 程序存儲(chǔ)器和 256B 的 RAM 另外它還增加了一個(gè)功能極強(qiáng)的具有獨(dú)特應(yīng)用的 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器 2 等多種功能 Power down模式支持中斷喚醒 看 門狗定時(shí)器雙數(shù)據(jù)指針上電復(fù)位標(biāo)志我們在外面擴(kuò)展了32K 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以滿足系統(tǒng)要求 2521 兩極板間的距離 A 兩平行極板相互覆蓋的有效面積 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 真空中介電常數(shù) 若被測量的變化使式中 A 三個(gè)參量中任一個(gè)發(fā)生變化都會(huì)引起電容量的變化通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出 雖然電容式傳感器有結(jié)構(gòu)簡單和良好動(dòng)態(tài)特性等諸多優(yōu)點(diǎn)但也有不利因素 1 小功率高阻抗受幾何尺寸限制電容傳感器的電容量都很小一般僅幾皮法至幾十皮法因 C 太小故容抗 1C 很大為高阻抗元件負(fù)載能力差又因其視在功率 P C C 很小則 P 也很小故易受外界干擾信號(hào)需經(jīng)放大并采取抗干擾措施 2 初始電容小電纜電容線路的雜散電路所構(gòu)成的寄生電容影響很大 方案三 電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的結(jié)構(gòu)型傳感器電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(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△ RR 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△ RR 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 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 圖 26 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 當(dāng)電橋輸出端接無窮大負(fù)載電阻時(shí)可視輸出端為開路此時(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 2223 0 即電橋平衡式 23 稱平衡條件 應(yīng)變片測量電橋在測量前使電橋平衡從而使測量時(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△ RR2 R△ RR3 R△ RR4 R△ R 按式 22 24 應(yīng)變片式傳感器有如下特點(diǎn) 1 應(yīng)用和測量范圍廣應(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)化測量 通過以上對(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～ 9999Kg 重量誤差不大于 0005Kg 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 9999Kg 我們選擇的是 LPSIII型傳感器量程 20Kg 精度為 001 滿量程時(shí)誤差 0002Kg 完全滿足本系統(tǒng)的精度要求 前級(jí)放大器部分 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)亦難以直接用來顯示記錄控制或進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換為此測量電路中常設(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 1 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)使所測電壓造成偏差 2 抗共模電壓干擾能力強(qiáng) 3 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 4 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 我們考慮了以下幾種方案 方案一 利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器 普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大 器會(huì)引入大量噪聲由于 AD 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度所以幾毫伏的干擾信號(hào)就會(huì)直接影響最后的測量精度所以此種方案不宜采用 方案二 由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器 差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗增益高的特點(diǎn)可以利用普通運(yùn)放 如 OP07 做成一個(gè)差動(dòng)放大器如下圖所示 圖 27 利用普通運(yùn)放構(gòu)成的放大器 電阻 R1R2 和電容 C1C2C3C4 用于濾除前級(jí)的噪聲 C1C2 為普通小電容可以濾除高頻干擾 C3C4 為大的電解電容主要用于濾除低頻噪聲 優(yōu)點(diǎn)輸入級(jí)加入射隨放大器增大了輸入阻抗中間級(jí)為差動(dòng)放大電路滑動(dòng)變阻器 R6 可以調(diào)節(jié)輸出 零點(diǎn)最后一級(jí)可以用于微調(diào)放大倍數(shù)使輸出滿足滿量程要求輸出級(jí)為反向放大器所以輸出電阻不是很大比較符合應(yīng)用要求 缺點(diǎn)此電路要求 R3R4 相等誤差將會(huì)影響輸出精度難度較大實(shí)際測量每一級(jí)運(yùn)放都會(huì)引入較大噪聲對(duì)精度影響較大 方案三 采用專用儀表放大器如 AD620INA126 等 此類芯片內(nèi)部采用差動(dòng)輸入共模抑制比高差模輸入阻抗大增益高精度也非常好且外部接口簡單 以 AD620 為例內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示 圖 28 AD620 的內(nèi)部等效圖 接口如下圖所示 圖 29 AD620 的接口圖 電路的工作原理 A1A2 工作在負(fù)反饋狀態(tài)其反向 輸入端的電壓與同相輸入端的電壓相等即 Rg 兩端的電壓分別為 VinVin因此 25 26 將式 26 代入式 25 得 放大器的增益 Av 為 27 可見僅需調(diào)整一個(gè)電阻 Rg 就能方便的調(diào)整放大器的增益由于整個(gè)電路對(duì)稱調(diào)整時(shí)不會(huì)造成共模抑制比的降低 在接口圖 29中通過改變可變電阻 R3的阻值大小來 改變放大器的增益放大器增益計(jì)算公式如下 28V 頻帶寬度為 120kHz在 G 100 時(shí) 基于以上分析我們決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器AD620 AD 轉(zhuǎn)換器 AD 轉(zhuǎn)換器選用的原則 1AD 轉(zhuǎn)換器的位數(shù) AD 轉(zhuǎn)換器決定分辨率的高低在系統(tǒng)中 AD 轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)比系統(tǒng)允許引用誤差高一倍以上 2AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率不同類型的 AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率大不相同積分型的轉(zhuǎn)換速率低轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾豪秒到幾十毫秒只能 構(gòu)成低速 AD 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 AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間為納秒級(jí)用于個(gè)通道過程控制和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 3 是否加采樣保持器 4AD 轉(zhuǎn)換器的有關(guān)量程引腳有的 AD 轉(zhuǎn)換器提供兩個(gè)輸入引腳不同量程范圍內(nèi)的模擬量可從不同引腳輸入 5AD 轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束一般 AD 轉(zhuǎn)換器可由外部控制信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換這一啟動(dòng)信號(hào)可由 CPU提供轉(zhuǎn)換結(jié)束后 AD 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)觸發(fā)器置位并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志電平通知微處理器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果 6AD 轉(zhuǎn)換器的晶閘管現(xiàn)象其現(xiàn)象是在正常使用時(shí) AD 轉(zhuǎn)換器芯片電流驟增時(shí)間一長就會(huì)燒壞芯片為防止這種現(xiàn)象可采取如下措施 1 加強(qiáng)抗干擾措施盡量避免較大的干擾電流進(jìn)入電路 2 加強(qiáng)電源穩(wěn)壓濾波措施 在 AD 轉(zhuǎn)換器電源入口處加退耦濾波電路為防止窄脈沖波竄入在電解電