【正文】 為△ R/R 后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。 下圖為一直流供電的平衡 電阻電橋， inE 接直流電源 E： 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 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 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(duì)試件影響小， 對(duì)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(duì)傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。我們 選擇的是 LPSIII 型傳感器，量程 20Kg，精度為 %，滿量程時(shí)誤差? ，完全滿足本系統(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(hào)一般是由傳感器輸出的。因此，一般對(duì)放大器有如下一些要求： 輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)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。 普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)引入大量噪聲。所以，此種方案不宜采用。 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)南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 做成一個(gè)差動(dòng)放大器，如下圖所示： 圖 利用普通運(yùn)放構(gòu)成的放大器 電阻 R R2 和電容 C C C C4 用于濾除前級(jí)的噪聲， C C2 為普通小電 容，可以濾除高頻干擾， C C4 為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。輸出級(jí)為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合應(yīng)用要求。實(shí)際測量，每一級(jí)運(yùn)放都會(huì)引入較大噪聲， 對(duì)精度影響較大。 此類芯片內(nèi)部采用差動(dòng)輸入，共模抑制比高，差模輸 入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。即 Rg 兩端的電壓分別為 Vin+、 Vin。由于整個(gè)電路對(duì)稱， 調(diào)整時(shí)不會(huì)造成共模抑制比的降低。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，我們決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器AD620。 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(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，這一啟動(dòng)信號(hào)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(duì) 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(hào)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； （ 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。 方案一 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，如： ADS780 ADS7804 等。采樣頻率高，功耗比較低，是理想的高速、高精度、省電型 A/D 轉(zhuǎn)換器件。 但考慮到所轉(zhuǎn)換的信號(hào)為一慢變信號(hào)，逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器的快速的優(yōu)點(diǎn)不能很好的發(fā)揮，且根據(jù)系統(tǒng)的要求， 14 位 AD 足以滿足精度要求，太高的精度就反而浪費(fèi)了系統(tǒng)資源。 方案二 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器：如： ICL713 ICL7109 等。輸入電壓越大，反向積分時(shí)間越長。 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器雖然速度較慢，但轉(zhuǎn)換精度高 (如： ICL7135)，具有精確的差分輸入。 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力 。只要干擾電壓的平均值為零，對(duì)輸出就不產(chǎn)生影響。故而采用雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器可大大降低對(duì)濾波電路的要求。另外雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器較強(qiáng)的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價(jià)格。 鍵盤輸入 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 鍵盤輸入是人機(jī)交互界面中重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。鍵盤由許多鍵組成， 每一個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)，當(dāng)鍵按下時(shí)，觸點(diǎn)閉合，當(dāng)鍵松開時(shí)，觸點(diǎn)斷開。因此 ， 相對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)來說鍵盤接口信號(hào)是輸入信號(hào)。 但是在與單片機(jī)的連接時(shí)占用較多的接口資源。另外 ZLG7289 內(nèi)部有譯碼電路，大大簡化了程序。 輸出 顯示 方案一 全部采用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼能顯示時(shí)鐘，以及被測物體的重量等信息 。由此增加 了電路的復(fù)雜程度 ， 也加大了編程的難度。 LCD 顯示器的工作原理：液晶顯示器的主要材料是液態(tài)晶體。因此，用液晶做成顯示器件，就可以把上訴外界條件的變化反映出來從而形成現(xiàn)實(shí)的效果。由于可以分頁顯示，無需太大屏幕，我們選擇了點(diǎn)陣式 128 64 型 LCD— OCM4x8C。 5V， +1V，傳感器需要＋ 10V以上的線性電源（不能用開關(guān)電源，否則稱重?cái)?shù)據(jù)不穩(wěn)定）。 方案一 采用三端固定穩(wěn)壓芯片 7805 和 7812 為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。如下圖： 圖 +5V電源電路圖 在這里只給出了＋ 5V電源電路， +12V 電源電路與 +5V 相似，因此不再畫出。 方案 二 以 LM317 和 LM337 型號(hào)的芯片為核心來設(shè)計(jì)電源電路。 LM317 是一種外接很少元件就能工作的三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，它的三個(gè)接線端分別稱為輸入端、輸出端和調(diào)整端。所以消耗的電流都從輸出端流出，內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓（約 ）接至比較放大器的同相端和調(diào)整端之間。 LM 系列的特性有： 可調(diào)整輸出電壓低到 ；保證 輸出電流；典型線性調(diào)整率 %；典型負(fù)載調(diào)整率 %； 80dB 紋波抑制比；輸出短路保護(hù)；過流、過熱保護(hù)；調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)。實(shí)踐證明，若橋電源采用一級(jí)穩(wěn)壓，穩(wěn)壓器采用 78 系列，稱重誤差為 10%，屏幕顯示的稱重?cái)?shù)據(jù)變化較大，各部分之間協(xié)調(diào)性較差。由此可見電橋電壓的重要性。另外，系統(tǒng)要求擴(kuò)大輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍，故使用它很不方便。 具體實(shí)施方案簡介 根據(jù) 以上 設(shè)計(jì)方案，硬件部分采用 51系列單片機(jī) AT89S52 為控制核心部 件，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。在實(shí)際使用電子秤的稱重功能時(shí)考慮到涉及到大量的數(shù)據(jù)，而 AT89S52 片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限，因此在片外擴(kuò)展一片 32K 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，選用 62256 實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號(hào)的濾波放大處理和 A/D 轉(zhuǎn)換部分組成。另外由于 秤臺(tái)的自身重量、振動(dòng)和沖擊分量， 以及 還要避免物體超重時(shí)對(duì)傳感器的損壞，所以在選擇傳感器時(shí)要保證有一定的承重裕量，所選的傳感器量程應(yīng)該比系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的要大。由于傳感器的輸出信號(hào)中含有一定的干擾噪聲，所以必須要對(duì)傳 感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，在濾波電路的設(shè)計(jì)時(shí)利用普通小電容濾除高頻干擾，利用大的電解電容濾除低頻干擾。傳感器輸出的電信號(hào)比較微弱，一般為毫伏級(jí)，必須采用適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行信號(hào)放大處理，這樣才能保證整個(gè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性能。在選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)根據(jù)系統(tǒng)精度的要求，選擇了具有很強(qiáng)抗干擾能力的雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7135，雖然轉(zhuǎn)換速度慢， 但精度高，輸入阻抗高，可自動(dòng)調(diào)零，具有超量程信號(hào)，全部輸出的 TTL 電平信號(hào)兼容。 人 機(jī)交互部分的鍵盤在系統(tǒng)中，可以輸入數(shù)字和已經(jīng)固定的控制命令等。顯示用的 LCD 我們根據(jù)要求選用了字符點(diǎn)陣式液晶顯示器 OCM4x8C，可以一次滿屏幕顯示 4行 8列的 32個(gè)中文字符或 4行 16列的英文字符，滿足電子秤在稱物時(shí) 的購物清單顯示要求。 部分，不包括系統(tǒng)電源部分 圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 稱重傳感器 LPSIII 濾波電路 放大器 AD620 A/D轉(zhuǎn)換器 ICL7135 AT89S52 單片機(jī) 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 62256 （ 32K） 鍵盤控制芯片 ZZLG7289 64鍵 鍵盤 帶有中文字庫的點(diǎn)陣式128x64型的LCD OOCM4X8C 數(shù)據(jù)采集 部分 人機(jī)交互 界面 單片機(jī) 控制模塊 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 第 三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)可以分成以下幾個(gè)部分：單片機(jī)控制模塊，前端信號(hào)采集、處理、轉(zhuǎn)換模塊，人機(jī)接口界面以及系統(tǒng)電源部分 （為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)超量程與欠量程的報(bào)警功能， 還擴(kuò)展了報(bào)警電路） 。 ATMEL 公司是美國 20世紀(jì) 80 年代中期成立并發(fā)展起來的半導(dǎo)體公司。其推出的 AT89 系列單片機(jī)，在世界電子技術(shù)行業(yè)中引起了極大的反響，在國內(nèi)也受到廣大用戶歡迎。 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造 ， 兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu) 。 AT89S52 具有如下特點(diǎn)： 40 個(gè)引腳 ， 8k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 ， 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） ， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口 ， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中 斷 ， 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ， 2 個(gè)全雙工串行通信口 ， 看門狗（ WDT）電路 ， 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器 ?？臻e模式下 ， CPU暫停工作 ， 而 RAM 定時(shí)計(jì)數(shù)器 、 串行口 、 外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作 ， 掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù) ， 停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 主要功能特性 見下表 ： 表 AT89S52功能 8k可反復(fù)擦寫 (1000次） ISP Flash ROM 時(shí)鐘頻率 033MHz 256x8bit內(nèi)部 RAM 低功耗空閑和省電模式 3級(jí)加密位 軟件設(shè)置空閑和省電功能 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 引腳封裝如下圖所示： 圖 AT89S52的引腳圖 引腳功能說明： VCC/GND： 電源 /接地 引腳； Port 0： P0 是一個(gè) 8位漏極開路型雙向 I/O 端口，端口置 1(對(duì)端口寫 1)時(shí)作高阻抗輸入端； P0 還可以用作總線方式下的地址數(shù)據(jù)復(fù)用管腳，用來操作外部存儲(chǔ)器。對(duì)內(nèi)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收指令字節(jié)、校驗(yàn)程序、輸出指令字節(jié)時(shí)，要求外接上拉電阻； Port 1： P1 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口，輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL。端口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用； P2 口在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，可作為高位地址輸出；內(nèi)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收高 8位地址和控制信息； Port 3： P3 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻 的 8 位雙向 I/0 端口，輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL。 P3 引腳功能復(fù)用 見下表： 表 P3引腳功能復(fù)用 串行通訊輸入 (RXD) 串行通訊輸出 (TXD) 外部中斷 0( INT0) 外部中斷 1(INT1) 定時(shí)器 0輸入 (T0) 定時(shí)器 1輸入 (T1) 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 RD RST： 在振蕩器運(yùn)行時(shí) ，有兩個(gè)機(jī)器周期 (24 個(gè)振蕩周期 )以上的高電平出現(xiàn)在此管腳時(shí)，將使單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位后 P0— P3 口均置 1，管腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器 SFR全部清零。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻，如晶振為 12MHz，時(shí)鐘頻率就為 6MHz。 ALE/PROG： 訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE(地址鎖存允許 )的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，即使不訪問外部存儲(chǔ)器， ALE 端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(hào) (此頻率是振蕩器頻率的 1/6)，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，出現(xiàn)一個(gè) ALE 脈沖； 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 PSEN： 該引腳是外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)輸出端