【正文】 有兩種工作方式：正常方式和暫停方式。其輸入信號(hào)在 0V~ Vref 之間，轉(zhuǎn)換時(shí)間包括 T/H 的采樣時(shí)間在內(nèi)為 10us。幾乎不需任何外圍器件就能構(gòu)成一個(gè)完整的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 。 00000101001110010111011100000101001110010111011101/ 82/ 83/ 84/ 85/ 86/ 87/ 81VΔΔΔΔΔΔΔΔ01234567 ========(7/ 8)V6/ 85/ 84/ 83/ 82/ 81/ 801V13/ 1511/ 159/ 1 57/ 1 55/ 1 53/ 1 51/ 1 50ΔΔΔΔΔΔΔΔ01234567 ========(14/ 15)V12/ 1510/ 158/ 1 56/ 1 54/ 1 52/ 1 50模擬電平 二進(jìn)制代碼 代表的模擬電平 模擬電平 二進(jìn)制代碼 代表的模擬電平（ a ） （ b ）RR ifIvLvTAC h vo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） 20 A/D 轉(zhuǎn)換器外圍電路 MAXIM 推出的 MAX187方便之處在于它 包括了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所必須的所有部件 —— 轉(zhuǎn)換速度 s 的 A/D 轉(zhuǎn)換器 (逐次比較式 )、 T/ H (采樣保持 )、內(nèi)置 參考電壓源 ,以串行方式輸出； 8 腳 DIP封裝或 16 腳 SO 封裝 ,節(jié)約印刷板空間 ，引腳功能圖如圖 39所示 ；177。 當(dāng)控制信號(hào)返回低電平， T 截止。 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。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。 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。 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。 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(chēng)為量化誤差。把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示，稱(chēng)為編碼。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用Δ表示。這就是說(shuō)，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(lái)表示的?？梢?jiàn)，進(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。因此，取樣定理規(guī)定了 A/D 轉(zhuǎn)換的頻率下限。 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。因此，一般的 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程是通過(guò)取樣、保持、量化和編碼這四個(gè)步驟完成的。所 采用 的 專(zhuān)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(cè)量和使用的場(chǎng)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。 前級(jí)放大器 電路設(shè)計(jì) 稱(chēng)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。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(chēng)重傳感器的補(bǔ)償問(wèn)題等，所以惠斯登電橋在稱(chēng)重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱(chēng)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(chǎng)（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)。 常常把它的百萬(wàn)分之一作為單位，記作 με 。 需要說(shuō)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(wú)關(guān)，不同的材料的 K 值一般在 — 之間；其次 K 值是一個(gè)無(wú)因次量，即它沒(méi)有量綱。 μ 是表示材料橫 向效應(yīng)泊松系數(shù)。 對(duì)式（ 32）求全微分，即求出電阻絲伸長(zhǎng)后，他的電阻值改變了多少。設(shè)其伸長(zhǎng)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 。設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長(zhǎng)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 。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù) K。下面就這三方面簡(jiǎn)要論述 。 稱(chēng)重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線(xiàn)等組成，內(nèi)部線(xiàn)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(chēng)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（增大或減小），再經(jīng)相 0 應(yīng)的測(cè)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(guò)程。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。 5V 電源 ，電源設(shè)計(jì)圖如圖 32所示。根據(jù)變壓器副邊電壓與經(jīng)過(guò)濾波后輸出電壓關(guān)系可知 ,副邊電壓約為177。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。采用按鍵復(fù)位。 P0 口和 P2 口用于 LED 數(shù)碼管的顯示。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 。有時(shí)也不必過(guò)分考慮晶振問(wèn)題，因?yàn)榭梢远ㄖ凭д瘛? 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）。 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。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。 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)。 AT89S51（以下簡(jiǎn)稱(chēng) 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。 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(chēng)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(jiǎn)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。我們選用蜂鳴器與發(fā)光二極管來(lái)設(shè)計(jì)報(bào)警電路。 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)。 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)”。 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(mǎn)足精度要求，故采用此方案。 5g 的誤差，精度要求較高?；谝陨戏治?，我們決定采用制作方便而且精度很好的專(zhuān)用儀表放大器 INA126 （三） A/D 轉(zhuǎn)換器 然后 按設(shè)計(jì)要求：電子稱(chēng)最大稱(chēng)重為 5 公斤，重量誤差不能大于 1%0。 方案三 、 采用專(zhuān)用儀表放大器，如： INA126， INA121 等。 實(shí)際測(cè)量，每一級(jí)運(yùn)放都會(huì)引入較大噪聲。 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。由于 A/D 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(cè)量精度。 （二）前級(jí)放大器 其次前級(jí)放大器的設(shè)計(jì)有以下幾種方案可以采用： 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。 。 ， 所謂“參比值”即是 “理論示值”或“理想示值“。 （一）稱(chēng)重傳感器 首先這里傳感器選用 金鐘電子衡器股份有限公司 生產(chǎn)的 LPSII10 型壓力傳感器， 為雙孔懸臂梁形式 ， 是電子計(jì)價(jià)秤的專(zhuān)用產(chǎn)品 。 5V 供 壓力傳感器 器和系統(tǒng)的其他芯片使用。 電源 模塊方案選型 為了使稱(chēng)重儀的供電方便，這里把電源設(shè)計(jì)成用 220V 的交流電經(jīng)過(guò)變壓器后輸出 177。除此之外還有超重報(bào)警功能，防止超重物對(duì)傳感器件造成損壞。此外，當(dāng)單片機(jī)感知測(cè)量對(duì)象超出 系統(tǒng)測(cè)量范圍時(shí)，單片機(jī)會(huì)向報(bào)警模塊發(fā)出指令，啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置，設(shè)計(jì)中為了安全起見(jiàn)，留有較大的過(guò)負(fù)載能力，因此系統(tǒng)報(bào)警時(shí)的負(fù)載并不會(huì)對(duì)測(cè)量器件造成損壞。 稱(chēng) 重儀的 主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 稱(chēng)重儀的 主控制系統(tǒng) 工作原理 該系統(tǒng)選用 AT89S51單片機(jī)為主控制器，主要是先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集壓力傳感器 中央處理單元 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換 LED 顯示 電源電路 信號(hào)放大調(diào)理電路 超重報(bào)警 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） 8 由前級(jí)放大器把壓力傳感器獲取的電壓信號(hào)放大的模擬信號(hào)，在經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)。 5 伏電壓。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)顯示功能。控制器部分接受來(lái)自 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號(hào)，并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元中。 稱(chēng)重儀的系統(tǒng)總體 框 圖 按照本設(shè)計(jì)功能的要求，系統(tǒng)由 5 個(gè)部分組成：控制器部分、信號(hào)采集部分、報(bào)警部分、數(shù)據(jù)顯示部分、和電路電源部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖 所示。轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號(hào)輸出到 CPU 運(yùn)算控制。 當(dāng)物體放在秤盤(pán)上時(shí)，壓力施給傳感器，該傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時(shí)使用激勵(lì)電壓發(fā)生變化，輸出一個(gè)變化的模擬信號(hào)。 本章小結(jié) 本章主要是介紹現(xiàn)在生活中的稱(chēng)重儀的歷史 和國(guó)際現(xiàn)狀 ，以及本設(shè)計(jì)的稱(chēng)重儀與過(guò)去的先進(jìn)之處與它的應(yīng)用領(lǐng)域，并提出了設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。 1%。目前我國(guó)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中列入的十大類(lèi)衡器已實(shí)現(xiàn)了電子化 題設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)出硬件電路 。 我國(guó)衡器行業(yè)使用面最廣、產(chǎn)銷(xiāo)量最大的計(jì)量產(chǎn)品是非自動(dòng)衡器。軟件能按一定的程序進(jìn)行修改和擴(kuò)展 。 (6)組合性 在工業(yè)稱(chēng)重計(jì)量過(guò)程或工藝流程中 ,不少稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)還要求具有可組合性 ,即測(cè)量范圍等可以任意設(shè)定 ?，F(xiàn)代商業(yè)系統(tǒng)還要求商用電子計(jì)價(jià)秤能提供各種銷(xiāo)售信息 ,把稱(chēng)重與管理自動(dòng)化緊密結(jié)合 ,實(shí)現(xiàn)管理自動(dòng)化。 (5)綜合性 電子稱(chēng)重技術(shù)的發(fā)展規(guī)律是不斷的加強(qiáng)基礎(chǔ)研究并擴(kuò)大應(yīng)用 ,擴(kuò)展新技術(shù)領(lǐng)域 ,向相鄰學(xué)科和行業(yè)滲透 ,綜合各種技術(shù)去解決稱(chēng)重計(jì)量、自動(dòng)控制、信息處理等問(wèn)題。 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） 4 (4)智能化 電子秤的稱(chēng)重顯示控制器與電子計(jì)算機(jī)組合 ,利用電子計(jì)算機(jī)的智能來(lái)增加稱(chēng)重顯示控制器的功能。同時(shí)還降低了成本 ,增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 (2)模塊化 對(duì)于大型或超大型的承載器結(jié)構(gòu) ,如大型靜動(dòng)態(tài)電子汽車(chē)衡等 ,己開(kāi)始采用幾種長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的模塊 ,經(jīng)過(guò)分體組合 ,而產(chǎn)生新的品種和規(guī)格。對(duì)中等或較大容量的電子平臺(tái)秤、電子地上衡 ,已經(jīng)出現(xiàn)了采用方形或長(zhǎng)方形閉合截面的薄壁型鋼焊接成秤體 ,這是一種很有發(fā)展一前途的秤體結(jié)構(gòu)。 (1)小型化 新研制的電子平臺(tái)秤結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了體積小、高度低、重量輕 (即小、薄、輕 )的發(fā)