【正文】 省 51 系列單片機(jī) I/O 管腳資源，且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。 AD 轉(zhuǎn)換部分 設(shè)計(jì) AD 部分采用 12 位高精度 的 AD 轉(zhuǎn)換芯片 TLC2543，把稱重傳感器通過放大電路放大的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識別的邏輯數(shù)字信號。差模放大倍數(shù)數(shù)值愈大，共模抑制比愈高。 設(shè) R1 = R5 ， R3 = R6 ， R4 = R7則 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁 即 所以輸出電壓 當(dāng) 時， 中電流為零， ，輸出電壓 。15V 輸入共模電壓范圍擴(kuò)展到地 短路保護(hù)輸出 真差動輸入級 每一封裝四個放大器 內(nèi)部補(bǔ)償 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳輸出 在輸入端的靜電放電鉗位增加可靠性而不影響器件的工作 放大 工作 原理 圖 高阻抗差動放大器原理圖 圖 為 高阻抗差動放大器原理圖 ， 該放大器起到電壓放大作用，它是一個由運(yùn)算放大器 IC IC2 組成的高輸入阻抗差動放大電路，傳感器的輸出電壓加在 IC IC2 的同相輸入端， IC IC2 的兩個輸出端之間的電壓送至下一級。 特點(diǎn) 寬增益帶寬： 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁 低供給電流： 375μA 低補(bǔ)償電流： 20nA 低輸入補(bǔ)償電壓： 5mV max 單電源工作范圍： +3V ~ +30V 雙電源工作范圍： 177。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。 本系統(tǒng)信號放大部分采用 LM324 構(gòu)成儀表差分放大電路對傳感器產(chǎn)生的微弱信號進(jìn)行放 大，達(dá)到 AD 轉(zhuǎn)換芯片能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)換的電壓范圍。因此，要求放大器具有較強(qiáng)的抑制共模信號的能力。 Rs， Ri 愈大，因信號源內(nèi)阻變化而引起的放大誤差就愈小。設(shè) 為放大輸出電壓， 為輸入電壓， Rs 為信號源內(nèi)阻， Ri 為放大器的輸入內(nèi)阻，則有電壓放大倍數(shù) 的表達(dá)式 根據(jù)表達(dá)式 ()可知，放大器的放大能力將隨信號大小而變。因此，傳感器的輸出是放大器的信號源。如圖 所示為傳感器接口， 接口 2 和 接口 3 為電橋差動電壓輸出端。 等臂電橋 R1 = R2 = R3 = R4 = R，則有 當(dāng) 時，略去高階增量，得 其中， εi 為電阻應(yīng)變。 圖 傳感器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖 電橋接入 電阻應(yīng)變片時，即為應(yīng)變橋，四個橋臂接入應(yīng)變片連接成全臂橋。C 容許范圍 20 ~ +60 176。2 Ω 絕緣阻抗 ≥5000 MΩ 安全過載率 120 % 極限過載率 200 % 工作溫度范圍 30 ~ 70 176。 mv/V 輸入阻抗 400177。%/176。%/176。 mv/V 綜合誤差 177。 傳感器參數(shù)如表 ， 平衡雙臂梁應(yīng)變式傳感器外觀 如圖 所示。 MAX232 內(nèi)部邏輯如圖 所示。8V，電流可達(dá)到 177。延長在極限參數(shù)條件下的工作時間會影響器件的可靠性。C 強(qiáng)度超出所列的極限參數(shù)可能導(dǎo)致器件的永久性損壞。C 至 150176。C 至 85176。C 至 70176。30V 輸入電平 低電源電流：典型值是 8mA 符合甚至優(yōu)于 ANSI 標(biāo)準(zhǔn) EIA/TIA232E 及 ITU 推薦標(biāo)準(zhǔn) ESD 保護(hù)大于 MILSTD883（方法 3015）標(biāo)準(zhǔn)的 2021V 工作溫度（自然通風(fēng)）范圍內(nèi)的極限參數(shù) 輸入電源電壓范圍 Vcc： ﹣ 至 6V 正輸出電源電壓范圍 VS+： Vcc﹣ 至 15V 負(fù)輸出電源電壓范圍 VS： ﹣ 至 15V 輸入電壓范圍 VI：驅(qū)動器 ﹣ 至 Vcc＋ 接收器 177。主要應(yīng)用在 EIA/TIA232E、電池供電系統(tǒng)、終端、調(diào)制解調(diào)器、計(jì)算機(jī)等方面。30V 的輸入。每 個接收器將 EIA/TIA232E 電平輸入轉(zhuǎn)換為 5V TTL/CMOS 電平。 運(yùn)放所用正負(fù)壓的產(chǎn)生 為了使運(yùn)算放大器較好地工作，需要為其提供一對正負(fù)工作電壓， 為 解決這一問題，本系統(tǒng)利用 MAX232 的串口發(fā)送接收管腳來產(chǎn)生正負(fù)電壓。 （ 2）穩(wěn)壓部分 根據(jù) L7805 的 數(shù)據(jù)手冊 提供的典型應(yīng)用電路，輸入輸出兩端接電解電容，主要是為 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁 了穩(wěn)壓 ， D4 是為了防止電流倒流損壞器件。 POWER 為獨(dú)立電源接口，可接各種 5V以上電池，此設(shè)計(jì)采用 4 節(jié) 的 5 號干電池作為獨(dú)立電源，為整個系統(tǒng)供電。 圖 電源接口圖 （ 1）外部電源接口部分 外部電源接口包括獨(dú)立電源接口 POWER 和非獨(dú)立電源接口 POWER2 兩部分。C 各部分說明 獨(dú)立電源部分 主要 包括外部電源接口部分、穩(wěn)壓部分和 系統(tǒng)供電開關(guān)顯示部分。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 主要性能 最大輸出電流 輸出電壓 5V 內(nèi)部熱過載保護(hù) 內(nèi)部短路、過流保護(hù) 輸出晶體管安全區(qū)保護(hù) 工作溫度范圍 ﹣ 65 ~ 150 176。有 TO2 TO220FP、 TO220FM、 TO3 和 DDPAK 等多種封裝形式。 電源部分 設(shè)計(jì) 獨(dú)立電源供電 獨(dú)立電源部分采用 L7805 對電源進(jìn)行穩(wěn)壓，使其對系統(tǒng)的供電穩(wěn)定、連續(xù)、可靠。 （ 3） P2 口主要接 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 TLC2543 的各個控制管腳，用于將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)連接圖 （ 1） P0 口作為 12864LCD 顯示的數(shù)據(jù)口，主要向液晶內(nèi)部寫指令和需要顯示的數(shù)據(jù)，由于 P0 口是開漏方式 輸出，單片機(jī)內(nèi)部沒有上拉電阻，所以，需要外接上拉電阻，如圖所示，接 10KΩ 的排阻。C 、工業(yè)級 ﹣ 40 ~ +85176。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 主控 電路 部分 設(shè) 計(jì) 單片機(jī)的選用 與基本特性 主控部分采用宏晶科技公司的 STC89C52RC 單片機(jī)， STC89C52RC 單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的 8051單片機(jī)。通過矩陣鍵盤可以對物品單價進(jìn)行修改，并存儲在 AT24C02 串行 EEPROM 內(nèi)。當(dāng)有物體放在托盤內(nèi)，由于電阻應(yīng)變片 形變產(chǎn)生電壓的變化，稱重傳感器輸出電壓信號，微弱信號通過運(yùn)放的放大，使之轉(zhuǎn)變成 0 ~ 5V 信號，再由 TLC2543 轉(zhuǎn)換成單片機(jī)識別的數(shù)字信號。獨(dú)立電源由電池提供， L7805 保證電壓穩(wěn)定在 5V，給整個系統(tǒng)器件供電。 系統(tǒng)組成及基本工作原理 圖 系統(tǒng) 組成 框圖 系統(tǒng)框圖如圖 所示 。 此方案較方案二優(yōu)點(diǎn)有： STC89C52 單片機(jī)完全兼容 AT89S52，國產(chǎn)芯片，價格便宜，低功耗，穩(wěn)定可靠； 12864LCD 液晶顯示可顯示漢字，能夠提供友好客戶界面，控 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 圖 方案二原理框圖 制管腳少，占用單片機(jī) I/O 口少，此外，可以選擇液晶背光開或關(guān)，能夠根據(jù)周圍環(huán)境光線的情況不同來節(jié)省電源能量； AD 轉(zhuǎn)換部分的 TLC2543 能進(jìn)行 12 位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，稱重上限 10kg， 10000/4096≈，即最小精度 ，基本滿足要求，且數(shù)據(jù)輸入輸出采用串行通訊，占用單片機(jī) I/O 口少。 方案二：采用 STC89C52 作為主控芯片；顯示部分采用 12864LCD 液晶顯示；稱重傳感器采用雙孔平衡梁式，電阻應(yīng)變式；惠斯通電橋輸出信號利用 LM324 組成差動放大電路進(jìn)行放大； AD 轉(zhuǎn)換部分采用 11 通道 12 位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 TLC2543；存儲部分采用 AT24C02；鍵盤操作采用 44 矩陣鍵盤；電源為獨(dú)立電源。結(jié)構(gòu)如 圖 。 近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，電阻應(yīng)變式稱重傳感器已開始從工業(yè)電子衡器領(lǐng)域發(fā)展到商業(yè)和家用電子衡器領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于商業(yè)、輕工、食品 、 郵電等部門，已經(jīng)成為應(yīng)用較多 、 較廣泛的傳感器形式。 電阻應(yīng)變式稱重傳感器的固有缺點(diǎn)是： （ 1）在動態(tài)稱重中受到較多限制，不適合動態(tài)稱重； （ 2）剛度偏小，固有頻率低； 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 （ 3） 適用溫度范圍小，一般為 ﹣ 10 ~ 60176。目前電阻應(yīng)變片式稱重傳感器的測量形式主要有懸臂梁式、平行梁式、柱式、 S 型式、輪輻式等等 ，如圖 。傳感器通過上述變化后，必須將其轉(zhuǎn)換成電流或電壓值后才能進(jìn)行測量和顯示。 電阻應(yīng)變式 電阻應(yīng)變式稱重傳感器之所以能作為質(zhì)量 —電量的轉(zhuǎn)換元件，是基于金屬絲在受拉 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 或受壓后會發(fā)生彈性形變，其電阻值也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的 變化這一物理特性實(shí)現(xiàn)的。 圖 電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，動態(tài)特性好，抗過載能力大，對高溫、輻射、強(qiáng)烈振動等惡劣條件適應(yīng)性強(qiáng)，價格便宜等一系列優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)在秤盤上施加重物時， 彈性元件 活動端帶動定極板 1向下移動平板電容，兩極板之間的距離 6發(fā)生變化，從而改變了平板電容器的電容量。 圖 圖。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 圖 振弦式稱重傳感器稱重原理圖 電容式 電容傳感器分為三種：變極距式、變面積式、變介質(zhì)式。通過一個預(yù)設(shè)定時間的脈沖計(jì)數(shù)器對該脈沖采樣 ， 即可直接讀出重量值。從而增大了該弦的固有頻率 ， 反之右弦由于張力減弱將降低其固有頻率。振弦是在兩個永久磁鐵的氣隙內(nèi) ， 每根振弦都與使振弦按固有頻率振蕩的電子振蕩回路相連。 以石英晶體為敏感元件的稱重傳感器多用于測量動態(tài)量，應(yīng)用于公路車輛軸載超載預(yù)判，橋梁超載報(bào)警，隧道保護(hù)和車輛軸載計(jì)量等。C。 （ 9）用多分量稱重傳感器進(jìn)行稱重計(jì)量時，抗交叉干擾能力強(qiáng)，交叉干擾達(dá)到 800Hz時，測量誤差仍然低于 10%，交叉干擾到 400Hz時，測量誤差小于 2%以內(nèi)。 （ 7）石英晶體具有較好的線性，在一般情況下無滯后，組裝成稱重傳感器其動態(tài)測量的綜合誤差優(yōu)于 1%。 （ 6）石英晶體的居里點(diǎn)高（ 573176。 （ 4）剛度大，固有頻率高（幾十千赫以上），動態(tài)響應(yīng)快。 （ 2）壓電式傳感器的量程范圍廣，測量范圍達(dá) 10的幾次方，一個稱重傳感器即可完成全程測量。 圖 壓電式稱重傳感器結(jié)構(gòu)圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁 壓電式稱重傳感器特點(diǎn)如下： （ 1）石英晶體沒有熱電效應(yīng)，即使是溫度瞬變也不會引起信號漂移，而且靈敏度溫度系數(shù)非常小，約為 ﹣ %176。傳感器中的石英晶體敏感元件測量的是應(yīng)力，是它產(chǎn)生的電荷對于應(yīng)力的平均值，也就是說石英晶體具有把敏感元件（石英圓片） 整個表面上的載荷進(jìn)行積分的能力。不僅能作常規(guī)的測試，還可以在一些特殊的場合 做 物質(zhì)質(zhì)量的測定，如：在流水線上作檢測儀、對放射性物質(zhì)的稱量、在鐘表元件廠對鐘表元件進(jìn)行程量及計(jì)數(shù)、作糧食水分檢測儀等。 （ 4）可偏心測重，而且也很準(zhǔn)。目前最高精度可達(dá) 。約 5 ~ 8秒即可穩(wěn)定。 圖 電磁式傳感器結(jié)構(gòu)圖 。上電后，由于 PID調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的作用，杠桿恢復(fù)到平衡狀態(tài)，此時磁缸線圈中有初始電流，當(dāng)加載重物時，通過調(diào)節(jié)加力線圈中的電流的大小，使得杠桿再次平衡，這樣根據(jù)加力線圈中的電流和力矩平衡，便可測 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁 得重物的質(zhì)量。 電磁式 電磁式稱重傳感器的機(jī)械傳感器部分是一個杠桿結(jié)構(gòu)，多用于電子天平。 當(dāng)前稱重技術(shù)的原理方法和特點(diǎn) 目前，各種不同物理原理在電子稱重系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用。稱重計(jì)量的內(nèi)涵不斷擴(kuò)展，由狹義到廣義，由單項(xiàng)到系統(tǒng)，新型的現(xiàn)代 稱重計(jì)量概念已脫穎而出，一躍成為當(dāng)代世界矚目的技術(shù)與行業(yè)。可以說電子稱重技術(shù)的發(fā)展水平，已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)水平和工業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志之一。 近年 來，隨著計(jì)算機(jī)和稱重傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的相互滲透，電子稱重技術(shù)及應(yīng)用又有了新發(fā)展。自 50年代中期電子技術(shù)滲入到衡器的輔助測量裝置， 60年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器以來，經(jīng)過多年的不斷改進(jìn)與完善，電子衡器從最初