【正文】 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?，F(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會進(jìn)入了信息時(shí)代，在信息時(shí)代人們的社會活動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，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示 [3]。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，都會引起電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出 [4]。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。 )(434211 RR RRR RE ????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。 當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時(shí)，由分壓原理有： ADABBDo uuuu ??? ))(( 4321 4231 RRRR RRRRE ?? ??3421 RRRR ?? ?? ?? ?)()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo ?????????? ??????ERR??? = （ ） 當(dāng) 滿足條件 R1R3=R2R4 時(shí)，即 （ ） ou =0，即電橋平衡。 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)。 （ 2）分辨力和靈敏度高，精度較高。 （ 4）商品化，使用方便，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動化測量 [5]。題目要求稱重范圍 0～ 5Kg,滿量程量誤差不大于 ? ，考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，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 5Kg。 前級放大器部分 經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信 號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。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。傳感器的輸出信號不僅電平低，內(nèi)阻高，還常 伴有較高的共模電壓。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會使所測電壓造成偏差。 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。 能附加一些適應(yīng)特定要求的電路。 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)成多級放大器。由于信號轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。 方案二 由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動放大器。 優(yōu)點(diǎn)：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大電路，滑動變阻器 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，誤差將會影響輸出精度，難度較大。 方案三 采用專用儀表放大器，如： AD620， INA126 等。 以 INA126 為例 ,接口如下圖所示： 圖 INA126 儀表放大結(jié)構(gòu)圖 放大器增益 ，通過改變 RG 的大小來改變放大器的增益。其最大輸入偏置電流為 20nA，這一參數(shù)反映了它的高輸入阻抗。~177。 基于以上分析，我決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器 INA126。 采用逐次逼近法的 A/D 轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成。逐次逼近法轉(zhuǎn)換過程是：初始化時(shí)將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開始時(shí)，先將逐次逼近寄存器最高位置 1，送入 D/A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為 Ｖ o，與 送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量Ｖ i 進(jìn)行比較，若Ｖ oＶ i，該位 1 被保留，否則被清除。重復(fù)此過程，直至逼近寄存器最低位。逐次逼近的操作過程是在一個(gè)控制電路的控制下進(jìn)行的?；驹硎菍⑤斎腚妷鹤儞Q成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，再把此時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。Ｖ i 越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時(shí)間也越長。 A/D 轉(zhuǎn)換器選用的原則： A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。在系統(tǒng)中， A/D 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。不同類型的 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率大不相同。逐次逼近型屬 于中速 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為納秒級，用于個(gè)通道過程控制和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 A/D 轉(zhuǎn)換器的有關(guān)量程引腳。 A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束后 A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號觸發(fā)器置位，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志電平。 A/D 轉(zhuǎn)換器的晶閘管現(xiàn)象。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 A/D 轉(zhuǎn)換器電源入口處加退耦濾波電路，為防止窄脈沖 波竄入在電解電容上再接一高頻濾波電容； （ 3）在 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源端接一限流電阻，可在出現(xiàn)晶閘管現(xiàn)象時(shí)，有效地把電流限定在允許范圍內(nèi)，以防止燒壞器件。 由上面對傳感器量程和精度的分析可知： A/D 轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在 3g 以下。所以我們需要選擇 14 位或者精度更高的 A/D 轉(zhuǎn)換器 [17]。 列如 LM331 LM331 是性能價(jià)格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。 LM331 的動態(tài)范圍寬，可達(dá) 100dB；線性度好，最大非線性失真小于 ％，工作頻率低到 時(shí)尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá) 12 位 ；外接電路簡單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成 V/F 或 F/V 等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。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 [18]。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）、程序存儲器（ ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（ 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器的單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(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[7]。所以 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、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。可實(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。 圖 LED 數(shù)碼管顯示方式 方案二 LCD 顯示 LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱， LCD 的構(gòu)造是在兩片 平 行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。 在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的 輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、 LED 數(shù)碼管、液晶顯示器。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （ 1）顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（ CRT）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。 （ 2）數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。 （ 4）功耗低：相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動 IC 上，因而耗 電量比其它顯示器要少得多。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、 PDA 移動通信工具等眾多領(lǐng)域。例如屏的第一行的亮暗由 RAM 區(qū)的 000H——00FH 的 16 字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（ 000H） =FFH時(shí)，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為 8 個(gè)點(diǎn)；當(dāng)（ 3FFH） =FFH 時(shí)，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)（ 000H） =FFH，（ 001H） =00H，（ 002H） =00H， …… （ 00EH） =00H，（ 00FH）=00H 時(shí)，則在屏幕的頂部顯示一條由 8 段亮線和 8 條暗線組成的虛線。 （ 2）字符的顯示：用 LCD 顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由 68 或 88 點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對應(yīng)的顯示 RAM 區(qū)的 8 字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為 “1”，其它的為 “0”，為 “1”的點(diǎn)亮，為 “0”的不亮。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在 LCD 上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示 RAM 對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對應(yīng)的代碼即可。 1602 字符型 LCD 簡介 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣式 LCD，目前常用 16*1，16*2， 20*2 和 40*2 行等的模塊。 1602LCD 分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為 HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別， 1