【正文】 %的機(jī)械稱進(jìn)行了機(jī)電結(jié)合式改造。 50 年代開始出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子衡器。已由傳統(tǒng)的機(jī)械式衡器步入集傳感器、微電子技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)與一體化的電子衡器發(fā)展階段。電子衡器產(chǎn)品量大面廣、種類繁多，從通用的各種規(guī)格的電子稱到大型的電子稱重系統(tǒng)，從單純的稱重、計(jì)價(jià)到生產(chǎn)過程檢測系統(tǒng)的一個(gè)測量控制單元，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地?cái)U(kuò)大。 本論文的研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 首先是通過壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號。放大后的模擬電壓信號經(jīng) V/F 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。其中數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、信號的前級處理和 V/F 轉(zhuǎn)換部分組成。此部分對軟件的設(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。 本文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第 1 章緒論，簡單介紹了本課題電子稱的研究背景、研究目的、意義及國內(nèi)外的研究狀況。 第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，在選定各個(gè)模塊的方案中，對各方案的用到的主要芯片進(jìn)行簡單功能介紹及應(yīng)用，并且給出了本次電路設(shè)計(jì)的具體電路圖。 最后，對本次的研究課題的主要工作及結(jié)果做出了總結(jié)與討論，并且指出了本次研究工作中存在的不足和發(fā)現(xiàn)的一些問題。 圖 數(shù)碼管顯示方案 圖 數(shù)碼顯示 結(jié)構(gòu)簡圖 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)。缺點(diǎn)是：硬件部分簡單，雖然可以實(shí)現(xiàn)電子稱基本的稱重功能，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)。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)。 結(jié)構(gòu)簡圖如圖 所示。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。 方案三 前端信號處理時(shí)，選用放大、信號轉(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。 結(jié)構(gòu)簡圖如 圖 所示 。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)。使用這種方案會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來一定的難度。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。 從下圖中可以看到系統(tǒng)的基本工作流程和各單元電路所用到的核心器件。 結(jié)構(gòu)簡圖如圖 所示 。 壓力傳感器 信號放大 信號轉(zhuǎn)換 單片機(jī) 鍵盤控制 LCD 顯示 基于單片機(jī)的電子稱設(shè)計(jì) 6 雖然以 FPGA 為核心的電子稱系統(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)。鑒于本電子稱的設(shè)計(jì)并不太復(fù)雜，單片機(jī)完全能實(shí)現(xiàn)所需功能，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)，采用了第三種設(shè)計(jì)方案。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。現(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代，在信息時(shí)代人們的社會(huì)活動(dòng)將主要依靠對信息資源的開發(fā)和獲取 、傳輸和處理，而傳感器處于自動(dòng)檢測與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測信息的窗口；傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信 號。 傳感器的作用是人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域。 傳 感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應(yīng)的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。目前多用于加速度和動(dòng)態(tài)力或壓力的測量。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對外接電路要求很高。它有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。 電容傳感器的基本工作原理可用最普通的平行極板電容器來說明。 若被測量的變化使式中 d 、 A、 r? 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。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。故易受外界干擾，信號需經(jīng)放大，并采 取抗干擾措施。 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)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。 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)。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的△ R/R 變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。 直流電橋的特點(diǎn)是信號不會(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)變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放 大器放大。 圖 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。 式（ ）稱 平衡條件。 若差動(dòng)工作，即 R1=R△ R,R2=R+△ R,R3=R△ R， R4=R+△ R,按式（ ）， 則電 橋輸出為 Ek?? （ ） 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。 （ 3）結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小， 對復(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 。 通過以上對傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。我們選擇的是電阻應(yīng)變片壓力傳感器，量程為 5Kg，精度為 % ，滿足本系統(tǒng)的精度要求。為 此，測量電路中常設(shè)有模擬放大環(huán)節(jié)。 放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。因此，一般對放大器有如下一些要求： 輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源內(nèi)阻。 抗共模電壓干擾能力強(qiáng)。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。 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。 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，如圖 所示 。 優(yōu)點(diǎn)：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動(dòng)放大 電路，滑動(dòng)變阻器R6 可以調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)，最后一級可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。 缺點(diǎn)：此電路要求 R R4 相等，誤差將會(huì)影響輸出精度，難度較大。 方案二 采用專用儀表放大器，如： AD620， INA126 等。 以 INA126 為例 ,接口如圖 所示 。 INA126 具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點(diǎn)。 INA126 在外接電阻 RG 時(shí)，可實(shí)現(xiàn) 1~1000 范圍內(nèi)的任意增益；工作電源范圍為 177。18V；最大電源電流為 ；最大輸入失調(diào)電壓為 125? V；頻帶寬度為 120kHz（在 G=100 時(shí)）。 信號轉(zhuǎn)換 方案一 采用 A/D 轉(zhuǎn)換 （一） A/D 轉(zhuǎn)換原理： 逐次逼近法 逐次逼近式 A/D 是比較常見的一種 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級?；驹硎菑母呶坏降臀恢鹞辉囂奖容^，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進(jìn)行試探。然后再置逐次逼近寄存器次高位為 1，將寄存器中新的數(shù)字量送 D/A 轉(zhuǎn)換器，輸出的 Ｖ o 再與Ｖ i 比較，若Ｖ oＶ i，該位 1 被保留，否則被清除。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。 雙積分法 采用雙積分法的 A/D 轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。雙積分法 A/D 轉(zhuǎn)換的過程是：先將開關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量Ｖ i，Ｖ i 采樣輸入到積分器，積分器從零開始進(jìn)行固定時(shí)間Ｔ的正向積分，時(shí)間Ｔ到基于單片機(jī)的電子稱設(shè)計(jì) 12 后，開關(guān)再接通與Ｖ i 極性相反的基準(zhǔn)電壓ＶＲＥ F，將ＶＲＥ F 輸入到積分器，進(jìn)行反向積分，直到輸出為 0V 時(shí)停止積分。計(jì)數(shù)器在反向積分時(shí)間內(nèi)所計(jì)的數(shù)值，就是輸入模擬電壓Ｖ i 所對應(yīng)的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了 A/D 轉(zhuǎn)換。 A/D 轉(zhuǎn) 換器決定分辨率的高低。 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。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 A/D 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。 是否加采樣 /保持器。有的 A/D 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。一般 A/D 轉(zhuǎn)換器可由外部控制信號啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，這一啟動(dòng)信號可由 CPU 提供。通知微處理器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。其現(xiàn)象是在正常使用時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換器芯片電流驟增，時(shí)間一長就會(huì)燒壞芯片。 選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器除考慮上述要點(diǎn)外，為防止對 A/D 轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)的影響，還要注意以下幾個(gè)問題： （ 1）工作電源電壓是否穩(wěn)定； （ 2）外接時(shí)鐘信號的頻率是否合適； （ 3）工作環(huán)境溫度是否符合器件要求； （ 4）與其它器件是否匹配； （ 5）外接是否有強(qiáng)的電磁干擾； 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 13 （ 6）印刷線路板布線是否合理。 12 位 A/D 精度： 10Kg/4096=； 14 位 A/D 精度： 10Kg/16384=； 考慮到其他部分所帶來的干擾， 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器無法滿足系統(tǒng)精度要求。 方案二 采用 V/F 轉(zhuǎn)換 VF 控制的原理是產(chǎn)生一個(gè)震蕩頻率的電路叫做壓控震蕩器，是一個(gè)壓敏電容，當(dāng)受到一個(gè)變化的電壓時(shí)候它的容量會(huì)變化，變化的電容引起震蕩頻率的變化，產(chǎn)生變頻。 LM331 采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到 電源電壓下都有極高的精度。 由輸入比較器、定時(shí)比較器、 R－ S 觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)管、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成。 LM331 可采用雙電源或單電源供電，可工作在 ～ 40V 之間，輸出可高達(dá) 40V，而且可以防止 Vcc 短路。從傳感器來的毫伏級的電壓信號經(jīng)低溫漂運(yùn)算放大器 INA126 放大到 0～ 10V 后加到 V/F 變換器 LM331 的輸入端，從頻率輸出端 f0輸出的頻率信 號加到單片機(jī)的輸入端 T1 上。所以我決定采用 LM331 芯片 V/F 轉(zhuǎn)換作為信號轉(zhuǎn)換的方案。 單片機(jī)性能 應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和各種單片機(jī)的性能，選擇最容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的型號，而且能達(dá)到較高的性能價(jià)格比。影響性能價(jià)格比的因素除單片機(jī)的性能價(jià)格外，還包括硬件和軟件設(shè)計(jì)的容易程度、相應(yīng)的工作量大小，以及開發(fā)工具的性能價(jià)格比。與研制周期有關(guān)的另一個(gè)重要因素是開發(fā)工具，性能優(yōu)良的開發(fā)工具能加快系統(tǒng)地研制進(jìn)程。顯而易見，這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。再著， AT89C5 AT89S51目前的售價(jià)比 8031 還低，市場供應(yīng)也很充足。其主要由中央處理器（ CPU）、程序存儲(chǔ)器（ ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）、串行接口、并行 I/0 接口、定時(shí) /計(jì)數(shù)器 、中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線組成。 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)。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。 AT89C 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。所以河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 15 AT89C51 符合本次設(shè)計(jì)的主控芯片。它是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕?？蓪?shí)現(xiàn) 0～ 9 的顯示。通常使用的是七段 LED。共陰極 LED 顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地。 在設(shè)計(jì)中使用 LED 顯示塊構(gòu)成 N 位 LED 顯示器。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示與動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。在多位 LED顯示時(shí)，為了簡化 電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè) 8 位 I/O 口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽極點(diǎn)分別由響應(yīng)的 I/O 口線控制。如圖 所示 。比 LED 要好的多，但是價(jià)錢較其貴。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計(jì)算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。發(fā)光管和 LED 數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡單，在前面章節(jié)已經(jīng)介紹過，在此不作介紹，本章重點(diǎn)介紹字符型液晶顯示器的應(yīng)用。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍。 （ 3）體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 17 目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。 液晶顯示的原 理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。 液晶顯示器