【正文】 用運(yùn)算放大器 LM324，由穩(wěn)態(tài)二極管 VS 提供 的輸出電壓經(jīng)電阻 R2和 R3分壓得到基準(zhǔn)電壓，作為運(yùn)放 A1輸入電壓，并供給 1mA 的電流。因此在電路中使用 1mA的驅(qū)動(dòng)電流。供電電流變動(dòng)會(huì)直接影響傳感器的輸出電壓，因此希望電流變動(dòng)要小。 電阻應(yīng)變片實(shí)心軸沿軸向線應(yīng)變?yōu)椋? lll ??? （ 31） 實(shí)心軸沿圓周向線應(yīng)變?yōu)椋? rrr ??? （ 32） 金屬材料的電阻相對(duì)變化公式為： ? ?? ? ???? KERdRRR ?????? 21 (33) 基于單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì) 20 把 3 31代入 33可以得到其 輸出電壓為： ? ? AEFU ??? 12kU0 (34) 其中 F為壓力（即重物重量） A為受力面積 E為彈性材料的彈性模量。其電路圖如 所示。 傳感器 檢測(cè)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?，由于 惠斯登電基于單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì) 19 橋具有很多優(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 ，又 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 抵消 ，所以 在本 設(shè)計(jì)中選用最終方案我們選擇的是上海開沐自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的 NSTH1 系列稱重傳感器，額定載荷 20Kg，該 稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。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。 數(shù)據(jù)采集部分電路設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集部分電路包括傳感器輸出信號(hào)放大電路、 A/D 轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口電路。考慮本次設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，提高產(chǎn)品的性價(jià)比，電源電路的 設(shè)計(jì)決定采用如下方案： 基于單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì) 18 圖 電源電路圖 220V 的交流電經(jīng)過變壓器后輸出 15V 的電壓，經(jīng)整流濾波電路后， 通過 LM7812和 LM7905 進(jìn)行 DC/DC 變換得到＋ 12V 和 +5V、 5V供器和系統(tǒng)的其他芯片使用。51單片機(jī)的復(fù)位是由 RESET 引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過 24 個(gè)振蕩周期后，51單片機(jī)即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到 RESET 引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查 EA 引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會(huì)執(zhí)行外部程序。單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計(jì)數(shù)器 PC＝ 0000H，這表明程序從 0000H 地址單元開始執(zhí)行。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。如果 RST 持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。 AT89C51 的最小系統(tǒng)電路構(gòu)成 AT89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路及單片機(jī)構(gòu)成。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。注意加密方式 1時(shí)， /EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。另外，該引腳被略微拉高。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH地址上置 0。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。在 FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 P3口也可作為 AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示： 表 P3口引腳 第二功能 RXD（串行口輸入） TXD（串行口輸出） INT0（外部中斷 0輸入） INT1（外部中斷 1輸入） T0（定時(shí)器 0外部脈沖輸入） T1（定時(shí)器 1外部脈沖輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫脈沖輸出） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖輸出） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。當(dāng)P3口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P2口在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。并因此作為輸入時(shí)， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。 P1口： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1口緩沖器能接收輸 出 4TTL門電流。 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)基于單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì) 14 據(jù) /地址的第八位。 P0口 ： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門流。 基于單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì) 13 圖 AT89C51引腳圖 VCC：供電電壓。 AT89C51 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)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。 在本系統(tǒng)中，硬件電路的構(gòu)成主要有以下幾部分： AT89C52 的最小系統(tǒng)構(gòu)成、電源電路、數(shù)據(jù)采集、人 機(jī)交換電路等。由于傳感器輸出的為模擬信號(hào)，所以需要對(duì)其進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便單片機(jī)接收。 圖 硬件電路設(shè)計(jì)框圖 在本系統(tǒng)中用于稱量的主要器件是稱重傳感器（一次變換元件），稱重傳感器在受到壓力或拉力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，受到不同壓力或拉力是產(chǎn)生的電信號(hào)也隨著變化，而且力與電信號(hào)的關(guān)系一般為線性關(guān)系。 這里 使用液晶顯示器顯示。數(shù)據(jù)顯示部分可以有以下兩種方案供選擇。 圖 矩陣式鍵盤 結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求， 16 個(gè)按鍵使用 4 4矩陣式鍵盤，另外一個(gè)復(fù)位 鍵使用獨(dú)立式按鍵實(shí)現(xiàn)。 4 4 矩陣式鍵盤共可以安裝 16 個(gè)鍵，但只需要 8 條測(cè)試線。 鍵盤的擴(kuò)展有使用以下方案： 采用矩陣式鍵盤：矩陣式鍵盤的特點(diǎn)是把檢測(cè)線分成兩組，一組為行線，一組列線，按鍵放在行線和列線的交叉點(diǎn)上。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片。 ADC0809 是 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司 生產(chǎn)的 CMOS 工藝 8 通道， 8位逐次逼近式 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 。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。缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在 12 位時(shí)為 100～ 300SPS。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。 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。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。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。 (2） 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器：如： ADS780 ADS7804 等。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關(guān) 速度、編碼器的傳輸時(shí)間延遲等。 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。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，也有近年來新發(fā)展起來的 ∑ 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。有學(xué)者試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)，但由于信號(hào)源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴(yán)重地?fù)p害了放大器的性能。然而，絕大多數(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：增益越高，共模抑制比越大。下面舉例 用 INA128 儀用儀表放大器來實(shí)現(xiàn)。 方案二、主要由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器，而構(gòu)成的前級(jí)處理電路；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)基于單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì) 7 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。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路 ，把應(yīng)變計(jì)的 ΔR/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化 ，但是這個(gè)電壓或電流信號(hào)很小，需要增加增益放大電路來把這個(gè)電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以被 A/D轉(zhuǎn)換芯片接收的信號(hào)。 由 中稱重傳感器的稱量原理可知， 電阻應(yīng)變 片組成的傳感器是 把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成 ΔR/R ，而 應(yīng)變電阻 的 變化一般都很微小，例如傳感器的應(yīng)變片電阻值 120Ω ，靈敏系數(shù) K=2，彈性體在額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?1000ε ，應(yīng)變電阻相對(duì)變化量為： ΔR/R = Kε= 2100010 － 6 = （ 23） 由式 23可以看出電阻變化只有 ，其電阻變化率只有 %。殘余的一點(diǎn)漂移依靠軟件的自動(dòng)零點(diǎn)跟蹤來徹底解決。 1181。V。對(duì)放大環(huán)節(jié)的要求是增益可調(diào)的（ 70～ 150 倍），根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況增益設(shè)為 100 倍即可，零點(diǎn)和增益的溫度漂移和時(shí)間漂移極小。 由于內(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)電壓可由下式給出 ： E i nR4 R4R3 R3R2 R2R1 R1)42( 42E ??????? ??????? △△△△RR RRout （ 22） 放大電路選擇 稱重傳感器輸出電壓振幅范圍 0～ 20mV。該稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，其工作原理如圖 所示： 圖 稱重傳感器原理圖 表一 壓力傳感器主要技術(shù)指標(biāo) 其 測(cè)量原理：用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，將其粘貼在彈性體上。 ，又考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞 傳感器，根據(jù)式 的計(jì)算結(jié)果，所以我們確定傳感器的額定載荷為 ，允許過載為 150%，精度為 %，最大量程時(shí)誤差 ? ，可以滿足本系統(tǒng)的精度要求 . 綜合考慮 ,本設(shè)計(jì)采用 SP20CG501 電阻應(yīng)變式傳感器 ,其最大量程為 傳感器由組合式 S型梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計(jì)構(gòu)成，具有過載保護(hù)裝置。在實(shí)際工作中，要求稱重傳感器的有效量程在20%～ 80%之間，線性好，精度高。本設(shè)計(jì)要求稱重范圍 0～ 5kg，重量誤差不大于，根據(jù)傳