畢業(yè)論文-基于MCS-96單片機(jī)雙向加力式電子天平

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文專(zhuān) 業(yè) * 年 級(jí) * 姓 名 * 學(xué) 號(hào) * 論文題目 基于MCS-96單片機(jī)雙向加力式電子天平 指導(dǎo)教師 * 目 錄摘要-3第一章 前言- 41.1子稱(chēng)重儀器的開(kāi)展水平和開(kāi)展方向- 4 - 4-689第二章 雙向加力式電子天平原理及總體設(shè)計(jì)- 1010問(wèn)題的提出-10雙向加力式電子天平稱(chēng)重的根本原理-1113天平杠桿系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型-13模擬電路閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析-14161720 雙向加力式電子天平硬件設(shè)計(jì)-2121信號(hào)檢測(cè)電路-213.1.2 PID調(diào)節(jié)器-22溫度檢測(cè)電路- -25反相比例求和電路及積分器電路-273.1.5 A/D轉(zhuǎn)換通過(guò)脈寬調(diào)制的實(shí)現(xiàn)-28333.2.1

2、80C196KB與專(zhuān)用計(jì)數(shù)器的連接-24 外部程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展-39 顯示電路- 39 CMOS串行E2PROM93C46-42 串行接口電路-44 雙向加力式電子天平軟件設(shè)計(jì)-48485051525355第五章 誤差分析及數(shù)據(jù)處理-5858重力加速度的變化因素-58 緯度與海拔高度對(duì)電子天平輸出的影響-596364677172737475致謝-77參考文獻(xiàn)-78基于MCS96單片機(jī)雙向加力式電子天平摘要電子稱(chēng)重技術(shù)是現(xiàn)代稱(chēng)重計(jì)量和控制系統(tǒng)工程的重要根底之一。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和稱(chēng)重傳感器技術(shù)的迅速開(kāi)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的相互滲透，電子稱(chēng)重技術(shù)及應(yīng)用又有了新的開(kāi)展。稱(chēng)重特點(diǎn)從單參數(shù)測(cè)量向多參

3、數(shù)測(cè)量特別是對(duì)快速稱(chēng)重和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的研究與應(yīng)用，已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平和工業(yè)興旺程度的重要標(biāo)志。尤其近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的迅猛開(kāi)展，國(guó)際上稱(chēng)量技術(shù)的開(kāi)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)快速稱(chēng)量，提高靈敏度和測(cè)量精度，提高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，要求稱(chēng)量裝置自動(dòng)化、多功能化、在線(xiàn)化。特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，電子稱(chēng)重儀器更是向著小型化、網(wǎng)絡(luò)化的方向開(kāi)展。并且在動(dòng)態(tài)質(zhì)量測(cè)量、稱(chēng)重傳感技術(shù)、以及稱(chēng)重顯示控制器等方向有了較大的開(kāi)展。AbstactThe electronics weighs the technique is one of the important foundations that the

4、modern weighs to calculate and control the system engineering.In recent years, along with the calculator and weigh to spread the technical and quick development of the feeling machine, modern science is technical to permeate mutually, the electronics weighs the technique and applications and has the

5、 new development.Weigh the characteristics to measure from the single parameter measure toward many parameters to have become important marking of measure a national science technique level and industry flourishing degree towards weighing quickly to weigh with dynamic state of research and applicati

6、ons, especially.Particularly in recent years, along with the fast fierce development of related techniques, such as the calculator technique and the micro-electronics technique.etc., international measure the technical development trend up is a realization to measure quickly, raise the intelligent d

7、egree and measure the accuracy, raise the dynamic state stability, request to measure to equip the automation, multi-function turn, on-line turn.Especially the emergence of.第一章 前言電子稱(chēng)重技術(shù)是現(xiàn)代稱(chēng)重計(jì)量和控制系統(tǒng)工程的重要根底之一。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和稱(chēng)重傳感器技術(shù)的迅速開(kāi)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的相互滲透，電子稱(chēng)重技術(shù)及應(yīng)用又有了新的開(kāi)展。稱(chēng)重特點(diǎn)從單參數(shù)測(cè)量向多參數(shù)測(cè)量特別是對(duì)快速稱(chēng)重和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的研究與應(yīng)用，已成為衡量

8、一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平和工業(yè)興旺程度的重要標(biāo)志。 電子稱(chēng)重技術(shù)是集電子、機(jī)械、材料、信息、管理為一體的綜合技術(shù)，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，各工業(yè)興旺國(guó)家都把電子稱(chēng)重結(jié)束的研究和應(yīng)用提高到電子稱(chēng)重設(shè)備制造工程的高度來(lái)認(rèn)識(shí)。將研究的重點(diǎn)，從單純的稱(chēng)重轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)過(guò)程的稱(chēng)重系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)領(lǐng)域，使稱(chēng)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(chēng)重計(jì)量概念已脫穎而出。 尤其近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的迅猛開(kāi)展，國(guó)際上稱(chēng)量技術(shù)的開(kāi)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)快速稱(chēng)量，提高靈敏度和測(cè)量精度，提高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，要求稱(chēng)量裝置自動(dòng)化、多功能化、在線(xiàn)化。特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，電子稱(chēng)重儀器更是向著小型化、網(wǎng)絡(luò)

9、化的方向開(kāi)展。并且在動(dòng)態(tài)質(zhì)量測(cè)量、稱(chēng)重傳感技術(shù)、以及稱(chēng)重顯示控制器等方向有了較大的開(kāi)展。1.2 目前國(guó)內(nèi)外電子天平的開(kāi)展水平及狀況 我國(guó)在八十年代中期已開(kāi)始了電子天平的開(kāi)發(fā)和研制工作。1986年，湖南大學(xué)成功研制精度為0.1mg(萬(wàn)分之一)，量程為0200g的智能電子分析天平，并于1986年在長(zhǎng)沙通過(guò)了技術(shù)鑒定，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，到達(dá)了八十年代初的國(guó)際先進(jìn)水平。 在以后的幾年里，上海天平儀器廠、上海儀器二廠、北京光學(xué)儀器廠、北京康光儀器、沈陽(yáng)天平儀器廠、沈陽(yáng)龍騰電子稱(chēng)量?jī)x器、常熟衡器廠、湘西天平儀器廠等廠家相繼研制和開(kāi)發(fā)了自己的電子天平產(chǎn)品，并到達(dá)了八十年代中后期的國(guó)際先進(jìn)水平。而價(jià)格卻大大低于

10、國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的價(jià)格。但是，由于傳感器的制造、集成電路的生產(chǎn)工藝的限制，國(guó)內(nèi)廠家的電子天平與國(guó)際先進(jìn)水平還有一定差距，要想趕超國(guó)際先進(jìn)水平仍需克服重重困難。 國(guó)外在電子天平的研制和生產(chǎn)上日本、德國(guó)、瑞士等國(guó)起步較早。早在八十年代初期，這些國(guó)家已能成系列大批量的生產(chǎn)電子天平。目前這些國(guó)家電子天平的產(chǎn)量、數(shù)量在年產(chǎn)30萬(wàn)臺(tái)以上，占全世界電子天平產(chǎn)量的90%以上，其電子天平的技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。另外，美國(guó)、法國(guó)等的電子天平也開(kāi)展的很快。 下面將90年代末期國(guó)內(nèi)外各廠家生產(chǎn)的電子天平的品種及技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比擬見(jiàn)表1.1：國(guó)別生產(chǎn)廠家系 列品種個(gè)數(shù)最大稱(chēng)量單位：g讀數(shù)精度日本A&D公司HA系列電子分析天平

11、ER系列電子分析天平FR系列電子分析天平FA/FX/FY系列精密電子天平EK系列便攜式稱(chēng)重計(jì)數(shù)多功能天平EP系列多功能精密工業(yè)天平EP系列精密工業(yè)天平 4 3 2 4 3 4 3120-21032-180210-310120-3100120-1200012-60kg1-120kg1mg1-100mg10-100mg1g德國(guó)sartorirs公司LC系列電子分析天平AC系列電子分析天平RC系列電子分析天平BA系列電子分析天平PT系列電子天平微量及超微量電子天平2334156560-3400060-21052-25030-6100121-61003-25100mg1g瑞士MettlErAE系列電子

12、分析天平AB/BP系列電子分析天平PM系列電子精密天平AT系列電子分析微量天平微量及超微量電子天平511126441-20550-310080-610022-4051mg100mg100mg2ug-1mg美國(guó)DenverAA系列電子分析天平AB系列電子分析天平AC系列電子分析及精密天平DI系列電子分析及精密天平AL系列電子精密天平DE系列電子分析天平AINSWOKTHJ系列黃金及鉆石天平44131176431-25040-3000100-12000100-12000300-5000100-300040-4001mg100mg100mg100mg100mg100mg1-10mg中國(guó)上海天平儀器廠

13、FA系列電子分析天平JA系列電子精密天平JB系列電子精密天平JY系列電子精密天平MD系列電子精密天平JZ系列電子精密天平DA系列電子分析天平761139230-120200-21005100310100-2000110-600030-1201mg100mg100mg100mg200mg200mg中國(guó)北京康光儀器有限公司MP系列精密分析天平 3200-20001-10mg中國(guó)沈陽(yáng)龍騰電子稱(chēng)量?jī)x器ES系列電子天平2460-50kg中國(guó)常熟衡器廠DF系列電子分析天平DJ系列電子精密天平DT系列電子天平664110-200200-6100200-20001mg100mg 目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電子天平根本上

14、具備了采用先進(jìn)的微機(jī)技術(shù)及傳感器激素，具備稱(chēng)量快速、精度可靠、自動(dòng)校準(zhǔn)、去皮重等功能；接上不同接口可與打印機(jī)、計(jì)算機(jī)等外部設(shè)備相連；有的還能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)稱(chēng)重、百分比稱(chēng)重、動(dòng)物稱(chēng)重、標(biāo)準(zhǔn)偏差稱(chēng)重、存儲(chǔ)數(shù)值稱(chēng)重、添加稱(chēng)重、最大最小稱(chēng)重、乘數(shù)稱(chēng)重、不同單位之間的換算及過(guò)載保護(hù)等。 但與國(guó)外先進(jìn)水平相比，無(wú)論是在品種上、質(zhì)量上、自動(dòng)化水平上、儀器造型上、產(chǎn)量上、更新?lián)Q代的速度上仍然有一定的差距。1.3 電子天平的特點(diǎn)及其開(kāi)發(fā)電子天平與以往的稱(chēng)量?jī)x器相比，其主要特點(diǎn)如下：1 速度快。約5-8秒即可穩(wěn)定。2 精度高。目前電子天平的最高精度可達(dá)0.1ug。3 重復(fù)性好。4 可偏心稱(chēng)重，而且比擬準(zhǔn)。5 使用簡(jiǎn)單、

15、方便、集百分比稱(chēng)重、技術(shù)稱(chēng)重、動(dòng)物稱(chēng)重等多種稱(chēng)重方式于一身，還可進(jìn)行多種單位制之間的轉(zhuǎn)換。6 可自動(dòng)校準(zhǔn)或外部校準(zhǔn)。7 可與打印機(jī)或計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。8 自動(dòng)去皮重。9 對(duì)周?chē)h(huán)境自適應(yīng)。10 故障自檢測(cè)等等。正因?yàn)殡娮犹炱綋碛腥绱酥嗟墓δ芗疤攸c(diǎn)，因此廣泛的應(yīng)用于國(guó)防、科研、工廠、實(shí)驗(yàn)室。不僅能作常規(guī)的測(cè)試，還可以在一些特殊的場(chǎng)合做物質(zhì)質(zhì)量的測(cè)定，如：在流水線(xiàn)上做檢測(cè)儀、對(duì)放射性物質(zhì)的稱(chēng)量、在鐘表元件廠對(duì)鐘表元件進(jìn)行程量及計(jì)數(shù)、作糧食水分檢測(cè)儀等。電子天平的開(kāi)發(fā)和研制已朝著以下方向開(kāi)展： 1 超薄便攜式天平。電子儀器的開(kāi)展趨勢(shì)是向微型開(kāi)展，電子天平也不例外。體積小、使用方便、便于攜帶的電子天平

16、更受用戶(hù)的歡送。 2 測(cè)量精度高。天平的感量即天平的分辨率自天平誕生之日起便一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，也成為評(píng)價(jià)天平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。機(jī)械傳感器局部及電子信號(hào)處理局部對(duì)天平感量的提高同樣重要，而天平感量同測(cè)量精度又息息相關(guān)。 3 軟件代替硬件。硬件本錢(qián)高、且其電器性能有時(shí)還影響天平的性能；而硬件的各局部總要消耗一定的能量，影響電子天平主板的溫度，進(jìn)而也影響了電子天平主板的工作性能，使其測(cè)量精度降低。目前，溫度補(bǔ)償、線(xiàn)性補(bǔ)償、全量程調(diào)整、PID調(diào)節(jié)等模擬電路均由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 4 多種測(cè)量功能。電子稱(chēng)重的趨勢(shì)是快速、自動(dòng)化，與各種電子設(shè)備聯(lián)機(jī)能力強(qiáng)，各種不同的稱(chēng)量方式滿(mǎn)足不同用戶(hù)1的要求。特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)

17、絡(luò)的快速開(kāi)展，使計(jì)算機(jī)對(duì)多臺(tái)電子天平的監(jiān)控成為可能。 5 多量程、多精度的實(shí)現(xiàn)及多種單位制之間的換算等。多量程、多精度可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)抵多機(jī)。另外，由于各行業(yè)及各地測(cè)量單位不一樣，多種單位之間的換算也是必要的。 6 防暴天平、防風(fēng)天平、防腐天平以及防震天平等能在特殊環(huán)境中工作的電子天平也正在由各國(guó)電子天平廠商研制和開(kāi)發(fā)中。這些天平將擁有巨大的市場(chǎng)。1.4 論文的主要任務(wù)及本人在工程中所承當(dāng)工作 龍騰電子稱(chēng)量與江蘇大學(xué)合作，研制開(kāi)發(fā)新型雙向加力式電子天平，本人在工程中承當(dāng)?shù)娜蝿?wù)如下： 1 調(diào)研、收集和查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)電子天平的資料為開(kāi)發(fā)工作準(zhǔn)備。 2 剖析日本A&D公司、瑞士METTLER公司同類(lèi)電子

18、天平的結(jié)構(gòu)和原理。 3 參與雙向加力式電子天平主板硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，繪制印刷電路板。4 雙向加力式電子天平軟件系統(tǒng)的編寫(xiě)和系統(tǒng)調(diào)試用單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言PL/M-96。本人在做畢業(yè)設(shè)計(jì)期間參與此工程的開(kāi)發(fā)，并以此為畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目，本人將在以下幾個(gè)方面作詳細(xì)的闡述：1 雙向加力式電子天平的根本原理。2 雙向加力式電子天平的總體設(shè)計(jì)。3 雙向加力式電子天平的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。4 雙向加力式電子天平的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。5 誤差分析及數(shù)據(jù)處理。1.5 小 結(jié)由于電子天平的諸多特點(diǎn)決定了它在現(xiàn)代化社會(huì)中的廣泛應(yīng)用，研制開(kāi)發(fā)新型的電子天平是占領(lǐng)未來(lái)市場(chǎng)的根本保證。從以往看來(lái)，每一項(xiàng)電子技術(shù)的新突破都可能推動(dòng)電子天平的更新

19、換型，微處理器的出現(xiàn)與更新?lián)Q代、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?、專(zhuān)用集成電路的生產(chǎn)、專(zhuān)用單片機(jī)及專(zhuān)用芯片的出現(xiàn)，無(wú)不在電子天平中得到表達(dá)。因此研制與開(kāi)發(fā)電子天平，一方面要注意國(guó)外電子天平的先進(jìn)之處，另一方面也應(yīng)關(guān)注電子技術(shù)的開(kāi)展?fàn)顩r，使得我國(guó)的電子天平早日趕上或超過(guò)世界先進(jìn)水平。第二章 雙向加力式電子天平原理及總體設(shè)計(jì) 電子天平是廣泛應(yīng)用的精密質(zhì)量計(jì)量?jī)x器。傳統(tǒng)使用的機(jī)械天平，由于其稱(chēng)重速度慢，操作十分煩瑣，校準(zhǔn)十分煩瑣，校準(zhǔn)與去皮運(yùn)算均由人工來(lái)完成。而且人為誤差大，現(xiàn)在逐漸被淘汰了。電子天平去掉了傳統(tǒng)機(jī)械天平的橫刀與刀口，與全電子的形式出現(xiàn)，應(yīng)用電磁力反響零位法原理，采用單片微處理機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與

20、數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了天平的電子化、數(shù)字化、智能化，另外，由于采用了溫度補(bǔ)償、數(shù)字濾波、線(xiàn)性補(bǔ)償、程序自動(dòng)跟蹤技術(shù)等軟、硬件措施，有效的削弱了干擾和溫漂帶來(lái)的誤差，相對(duì)誤差可達(dá)百萬(wàn)分之一。2.1 雙向加力式電子天平的根本原理2.1.1 問(wèn)題的提出沈陽(yáng)龍騰電子稱(chēng)量?jī)x器是中外合資、專(zhuān)門(mén)研制生產(chǎn)電子天平的公司。該公司的ES系列產(chǎn)品，有24個(gè)品種，稱(chēng)量范圍10g-50g-1g，其中，量程為2000g和3000g的天平要求精度為1mg，由于所用的機(jī)芯傳感器與1000g、500g、200g、100g等產(chǎn)品的機(jī)芯是一樣的，這必然導(dǎo)致在2000g和3000g電子天平中磁缸線(xiàn)圈中的電流，磁缸中的磁場(chǎng)強(qiáng)度B與流過(guò)磁缸線(xiàn)

21、。 Fig.2.1 The relation between intension of magetic field and electronic current圈電流I的關(guān)系，如圖2.1所示。由于電流的增大B與I呈非線(xiàn)性的關(guān)系。使得電子天平不是工作在圖2.1所示的線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)，電子天平的稱(chēng)量就會(huì)出現(xiàn)偏差，無(wú)法保證天平測(cè)量的準(zhǔn)確性。為了克服B與I的矛盾，有兩個(gè)方法，一是改變傳感器的機(jī)芯結(jié)構(gòu)，二是利用B與I的正負(fù)對(duì)稱(chēng)關(guān)系，開(kāi)發(fā)出一種雙向加力式電子天平，國(guó)際上只有德國(guó)、日本成功的開(kāi)發(fā)出了同類(lèi)型的產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)尚屬空白，針對(duì)目前龍騰稱(chēng)量?jī)x器公司開(kāi)發(fā)2000G以上高精度天平所面臨的難題，我們決定開(kāi)發(fā)新型雙向

22、加力式電子天平。2.1.2 雙向加力式電子天平稱(chēng)重的根本原理 無(wú)論是單向加力還是雙向加力的電子天平，它們的傳感器局部都是一個(gè)杠桿結(jié)構(gòu)。如圖2.2所示： 對(duì)于單向加力式電子天平，1端要比2端重。對(duì)于雙向加力式電子天平2端要比1端重。因此，當(dāng)電子天平為上電時(shí)空載，杠桿都是不平衡的。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(shí)磁缸線(xiàn)圈中有初始電I，當(dāng)加載重物時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)加力線(xiàn)圈中的電流的大小，使得杠桿再次平衡，這樣根據(jù)加力線(xiàn)圈中的電流I便可測(cè)得重物的質(zhì)量M。即空稱(chēng)時(shí)：GL2=BIL+G磁缸L1加載重物時(shí)：G+GL2=BIL+G磁缸L1G+G=BLL1/L2I+G磁缸L1/L2G=BLL

23、1/L2II 2.1其中，G為空稱(chēng)時(shí)稱(chēng)盤(pán)及配重的重量。G為重物的重量I為加載重物時(shí)加力線(xiàn)圈中的電流G磁缸為2端磁缸重量及配重L為磁缸線(xiàn)圈的長(zhǎng)度B為磁缸的磁感應(yīng)強(qiáng)度可見(jiàn)，加載重物的重量與加力線(xiàn)圈中的電流成正比，確定空載時(shí)的電流，即可測(cè)得重物的重量，進(jìn)而確定待測(cè)物的質(zhì)量。單向加力是電子天平在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，電磁力的方向是單向的。雙向加力式電子天平的機(jī)械結(jié)構(gòu)仍然是杠桿結(jié)構(gòu)，只是在未加重物時(shí)，2端要比1斷重，當(dāng)1端加載重量為1/2GMAXGMAX是電子天平最大稱(chēng)量值時(shí)，電磁力為0，磁缸線(xiàn)圈中的電流為0。其中，1/2 GMAX +GL2=G磁缸FL2F=0那么 G磁缸=L1/L21/2 GMAX+GG+

24、GL2=BIL+G磁缸L1那么 G=BLL1/L2|II| 2.2可見(jiàn)，加載重物重量等于1/2 GMAX時(shí)，F(xiàn)=0；I=0；加載重物重量大于1/2 GMAX時(shí)，F(xiàn)0；I正向其中，電磁力F向上為大于0，此時(shí)的電流I為正向，但是，無(wú)論是正向還是反向的電流，電流的最大值I雙向MAX=1/2I單向MAX (2.3)其中，I雙向MAX：雙向加力式電子天平最大稱(chēng)量GMAX時(shí)的電流I單向MAX：雙向加力式電子天平最大稱(chēng)量GMAX時(shí)的電流這樣，在量程加大，電子天平機(jī)械結(jié)構(gòu)不變的情況下，測(cè)量同樣質(zhì)量的物體，雙向加力式電子天平的電流值是單向加力式電子天平電流值的1/2，使電子天平電流工作在良好的線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)，保證了

25、測(cè)量精度。2.2 模擬電路閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析2.2.1 天平杠桿系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 如下圖的杠桿系統(tǒng)，應(yīng)滿(mǎn)足牛頓定律：其中，m系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量f阻尼系數(shù)k彈簧系數(shù)2.2.2 模擬電路閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析由上述分析可知，一個(gè)天平杠桿系統(tǒng)可簡(jiǎn)單扼要的認(rèn)為是一個(gè)二階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為 我們可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為一個(gè)機(jī)械化天平系統(tǒng)它的框圖如下： Fig.2.4 The framework of electronic balance without PID圖中，w2為位置檢測(cè)裝置傳遞函數(shù)，視為比例環(huán)節(jié)w2=k2 w3為信號(hào)變換器的傳遞函數(shù)，視為比例環(huán)節(jié)w3=k3 w4是電磁力發(fā)生器的傳遞函數(shù)，視為比例環(huán)節(jié)w4=k4那么該閉

26、環(huán)系統(tǒng)未加PID校正網(wǎng)絡(luò)時(shí)的傳遞函數(shù)為： 2.9該二階系統(tǒng)的一般式為： 2.10我們知道，對(duì)于一個(gè)二階系統(tǒng)，在不同阻尼條件下，響應(yīng)是不同的。阻尼太大，過(guò)渡時(shí)間性太長(zhǎng)；阻尼過(guò)小，那么產(chǎn)生振蕩，也延長(zhǎng)了穩(wěn)定時(shí)間。適宜的阻尼系數(shù)，可以得到良好的過(guò)渡過(guò)程。但是要改變機(jī)械天平的傳遞函數(shù)使之獲得最正確的阻尼狀態(tài)是很困難的，因?yàn)閺臋C(jī)械化很難配備影響動(dòng)、靜態(tài)特性參數(shù)的m、f、k的調(diào)整裝置。然而在電子天平中，我們可以引入一個(gè)有源的PID校正網(wǎng)絡(luò)，也就是在信號(hào)變換器的放大局部引入并聯(lián)負(fù)反響，通過(guò)選擇適宜的電路參數(shù)來(lái)改善系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，獲得滿(mǎn)意的響應(yīng)曲線(xiàn)。此時(shí)w2(s)有如下形式 2.11式中，T1積分電路的時(shí)間常

27、數(shù)TD微分電路的時(shí)間常數(shù)K1積分電路的比例關(guān)系KD微分電路的比例系數(shù)因此天平杠桿系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)框圖如下：其中，傳感器w2=k2磁缸系統(tǒng)w4=k4PID是運(yùn)放等器件構(gòu)成的控制器2.3 雙向加力式電子天平的工作原理雙向加力式電子天平的工作原理如圖2.6所示。當(dāng)稱(chēng)重物置于或卸下稱(chēng)盤(pán)時(shí)，由于稱(chēng)重量的變化，天平的蘅桿偏離零位平衡狀態(tài)，引起相應(yīng)的位移位置偏差，它帶動(dòng)光闌移動(dòng)，從而通過(guò)光電檢測(cè)器檢測(cè)到一個(gè)與物重相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。這個(gè)電信號(hào)經(jīng)前置放大器、PID調(diào)節(jié)器、功率放大，反響給電磁力發(fā)生器的加力線(xiàn)圈相應(yīng)電流，它的大小與物重成正比例。電磁力發(fā)生器在電流作用下產(chǎn)生一個(gè)與橫桿位移方向相反的電磁力，把橫桿恢復(fù)原位，

28、這時(shí)被測(cè)物的重量有良好的線(xiàn)性關(guān)系。被測(cè)物的重量與電磁力相平衡的關(guān)系式為： W=K0BDnI (2.12)其中，W被稱(chēng)物體的重量 K0常數(shù)與使用單位制有關(guān) B磁鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度D線(xiàn)圈的直徑n線(xiàn)圈的匝數(shù)I通過(guò)加力線(xiàn)圈的電流強(qiáng)度對(duì)某一線(xiàn)圈來(lái)說(shuō)D和n都是一定的，而對(duì)某一磁鋼而言B又是一定的，因此2.12式可簡(jiǎn)化為：W=K1I 2.13 式中，K1= K0BDn為常數(shù)。因此，通過(guò)檢測(cè)電流I，就可經(jīng)間接得到被稱(chēng)物體的重量。2.4 雙向加力式電子天平的總體設(shè)計(jì)研制和開(kāi)發(fā)雙向加力式電子天平的主要任務(wù)是克服在機(jī)芯結(jié)構(gòu)不變的情況下磁缸系統(tǒng)的飽和現(xiàn)象。同時(shí)增加了多種稱(chēng)量方式選擇、多種單位制轉(zhuǎn)換、與上位計(jì)算機(jī)的通訊功能

29、。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低本錢(qián)，在硬件系統(tǒng)軟件化也作了探索。1 在微機(jī)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案上，一般有兩種途徑：一種是利用單片機(jī)及外圍器件構(gòu)成一個(gè)通用系統(tǒng)，配以必要的通道接口和外設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)多種功能和物理量的測(cè)量，即所謂的“二層結(jié)構(gòu)，目前的多功能天平即是采用的這種結(jié)構(gòu)。另一種那么是本系統(tǒng)采用的，用大規(guī)模集成電路以最簡(jiǎn)捷的線(xiàn)路，組成滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的餓智能化微機(jī)最小系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)緊湊，本錢(qián)低廉，是智能化儀器的設(shè)計(jì)方向。2 本系統(tǒng)采用16位的80C196單片機(jī)，具有快速運(yùn)算和超強(qiáng)的控制能力，特別適合電子天平的復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能。硬件結(jié)構(gòu)上采用組合裝配式，載存儲(chǔ)器容量和接口等方面留有余地，以利系統(tǒng)功能的擴(kuò)展

30、和系統(tǒng)的餓調(diào)試、檢查。3 在軟件設(shè)計(jì)上，建立軟件測(cè)量原理，采用多周期采樣和加權(quán)處理技術(shù)，保證測(cè)量范圍和精度。采用數(shù)字濾波技術(shù)，保證數(shù)據(jù)精度的跟隨性和穩(wěn)定性。采用零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤技術(shù)，保證數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性。4 雙向加力式電子天平的測(cè)量原理和單向式根本相同，都是將被測(cè)物體的質(zhì)量最后轉(zhuǎn)化為脈沖量。但是，由于雙向式天平在稱(chēng)量過(guò)程中加力線(xiàn)圈中的電流方向要發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此，其電路設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足電流的雙向流動(dòng)且可測(cè)，這與單向式有很大的區(qū)別。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們考慮了三種方案，一種是用兩套模擬電路，對(duì)正反向進(jìn)行控制，單片機(jī)在判斷正反向加力的同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這么做其測(cè)量正向或反向加力原理與單向是相同的。但由于器件本身的

31、分散性，會(huì)造成電路的不對(duì)稱(chēng)，測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)受到影響。另一種方案是采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，用單片機(jī)的輸出，作為正反加力供電電路的輸入信號(hào)。還有一種方案，即本系統(tǒng)所采用的方案，采用硬件實(shí)現(xiàn)的PID調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向加力的控制，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是電路巧妙、簡(jiǎn)潔，易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是后面的稱(chēng)重信號(hào)電路比擬煩瑣。 5 雙向加力式電子天平設(shè)計(jì)原理如圖2.7所示，任何一個(gè)平衡控制系統(tǒng)為了進(jìn)一步提高精度和穩(wěn)定性，都需要加進(jìn)閉環(huán)系統(tǒng)，雙向加力是電子天平其機(jī)械光電傳感器與模擬線(xiàn)路組成一個(gè)閉環(huán)的電磁力平衡系統(tǒng)。假設(shè)稱(chēng)物加重，天平產(chǎn)生不平衡，通過(guò)光電檢測(cè)到線(xiàn)圈在磁缸中的瞬態(tài)位移，經(jīng)前置放大器和PID調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一

32、個(gè)變化量的輸出，使流經(jīng)加力線(xiàn)圈中的電流I變化，電磁力加大或減小并與稱(chēng)物 重量相抵消而到達(dá)新的平衡。當(dāng)重物質(zhì)量小于1/2MMAXMMAX是天平最大稱(chēng)重值時(shí)，電流方向由三極管T1流向信號(hào)地，此時(shí)設(shè)電流方向?yàn)檎?。電磁力和稱(chēng)重物只連的杠桿原理I=KM 2.14K為常數(shù)處在磁場(chǎng)中的通電線(xiàn)圈，其中流過(guò)線(xiàn)圈的電流I與被稱(chēng)物體的質(zhì)量M成正比。流過(guò)線(xiàn)圈的電流流經(jīng)采樣電阻，在采樣電阻兩端取得采樣電壓與采樣電流對(duì)應(yīng)，采樣電壓可正可負(fù)，采樣電壓經(jīng)過(guò)反相比例求和電路與標(biāo)準(zhǔn)電壓疊加，輸出為負(fù)的電壓信號(hào)。此電壓經(jīng)積分器基準(zhǔn)電壓疊加，接比擬器電路，與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)相比，產(chǎn)生線(xiàn)圈中電流I成正比的調(diào)寬脈沖信號(hào)，調(diào)寬

33、脈沖信號(hào)經(jīng)測(cè)周計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，得到相應(yīng)的數(shù)字量，這個(gè)數(shù)字量與被稱(chēng)重物的質(zhì)量相對(duì)應(yīng)，在由計(jì)算機(jī)進(jìn)行濾波、補(bǔ)償、計(jì)算等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，送液晶顯示器顯示的即為被稱(chēng)中午的質(zhì)量。這個(gè)閉環(huán)的電磁力平衡過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，即天平的整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)只要一通電，就一直處在不斷的調(diào)整、不斷的到達(dá)新的平衡的過(guò)程，天平的反響相當(dāng)靈敏，稱(chēng)量讀數(shù)相當(dāng)精確。2.5 小結(jié)雙向加力式電子天平的原理與單向式的根本原理在本質(zhì)上是一致的，雙向加力是針對(duì)量程加大，又不改變其機(jī)芯傳感器而提出的一種比擬巧妙的解決方法。與同類(lèi)機(jī)芯的單向加力式電子天平相比，傳感器不變，根本的測(cè)量原理不變，硬件電路設(shè)計(jì)及軟件數(shù)據(jù)處理特別是采用運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力都很強(qiáng)

34、的80C196KB型單片機(jī)作相應(yīng)的改變，同樣能到達(dá)很高的測(cè)量精度，但量程卻大大的增加了，因此也可視為提高精度的一種方法，這要比單純的以改變機(jī)芯的容量，增強(qiáng)磁缸的磁感應(yīng)強(qiáng)度，來(lái)擴(kuò)大量程的方法要經(jīng)濟(jì)、巧妙得多。第三章 雙向加力式電子天平硬件設(shè)計(jì)雙向加力式電子天平的硬件設(shè)計(jì)主要包括模擬電路局部和數(shù)字局部，模擬電路的功能主要是實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，信號(hào)放大，PID調(diào)節(jié)，調(diào)寬脈沖的生成，溫度信號(hào)的采集等。數(shù)字電路局部的功能是實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，顯示，通訊等功能。本系統(tǒng)采用十六位的80C196型單片機(jī)，具有運(yùn)算速度快，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。廣泛用于各類(lèi)檢測(cè)和工業(yè)控制系統(tǒng)。還適用于一般的信號(hào)處理和高級(jí)智能儀器，以

35、及高性能的計(jì)算機(jī)外部設(shè)備控制和辦公自動(dòng)化設(shè)備控制器。3.1 雙向加力式電子天平的模擬電路設(shè)計(jì) 稱(chēng)重信號(hào)由光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后轉(zhuǎn)換成調(diào)寬脈沖，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送單片機(jī)。模擬電路完成信號(hào)轉(zhuǎn)換和PID調(diào)節(jié)功能，主要有以下5個(gè)局部的電路組成。3.1.1 信號(hào)檢測(cè)電路1 位移檢測(cè)器 在橫桿處零位平衡狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)光敏二極管接受的光強(qiáng)相等。光敏二極管受光照后產(chǎn)生與光強(qiáng)成比例的電流。平衡時(shí)，兩光敏二極管電流相等。 當(dāng)重物置于盤(pán)上時(shí)，盤(pán)下降，狹縫上升，位于上邊的光敏二極管接受的光增加，下面的光敏二極管接受的光減少，此時(shí)I1I2。這個(gè)值在后面的調(diào)節(jié)器中變成電壓值。2 信號(hào)調(diào)節(jié)電路 信號(hào)調(diào)節(jié)由電流

36、/電壓變換局部和積分放大局部組成。光敏二極管輸出的電流I1，I2流經(jīng)相等的電阻，經(jīng)放大后增幅。電流/電壓變換：I1=I2，U1輸出為0電平；I1I2，U1輸出問(wèn)電平。所以。積分放大器的對(duì)應(yīng)輸出為：I1=I2，U1輸出不變化；I1I2，U1輸出正向變化。3.1.2 PID調(diào)節(jié)器 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定的工作，并且能獲得效果好的調(diào)節(jié)過(guò)程，通常引入自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。集成運(yùn)放PID比例、積分、微分電路自動(dòng)調(diào)節(jié)器就是在自動(dòng)控制中應(yīng)用極為廣泛的一種調(diào)節(jié)裝置。調(diào)節(jié)器是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算的裝置，因而是一種具有特定傳遞函數(shù)的裝置。而我們知道，要實(shí)現(xiàn)某一函數(shù)，最方便的方法就是使用高增益的運(yùn)

37、算放大器，借助于深度反響，可使其閉環(huán)傳遞函數(shù)等于輸入回路與反響回路傳遞函數(shù)之比。 如圖3.3所示電路是反相輸入式比例、積分、微分器的原理圖。由反相放大器的根本公式可以得到即輸出與輸入信號(hào)呈比例、積分、微分關(guān)系。當(dāng)輸入階躍信號(hào)時(shí)，輸出波形如圖3.4所示，得到這樣一種輸入、輸出關(guān)系怎么就能起到自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用呢？下面以電子天平自動(dòng)控制為例簡(jiǎn)要說(shuō)明。圖3.5是電子天平控制原理框圖。位置檢測(cè)器是檢測(cè)原件，將檢測(cè)值和給定值的差值送入PID調(diào)節(jié)器，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置控制天平橫桿。當(dāng)橫桿偏離平衡位置時(shí)，它能自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使偏差消除。顯然，PID調(diào)節(jié)器增益越大，控制系統(tǒng)的靜態(tài)精度就越高，調(diào)節(jié)越迅速。R1C1R2構(gòu)成比

38、例微分電路，當(dāng)輸入階越信號(hào)時(shí)，由于電容C1上的電壓不能突變，R1相當(dāng)于被短路，所以在最初瞬間，放大器相當(dāng)于開(kāi)環(huán)。隨著電容的充電，反響電壓逐漸增大，輸出電壓也逐漸減小，等到充電結(jié)束，放大器恢復(fù)到比例放大狀態(tài)。微分作用能反映輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，加速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。但增益太高，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性會(huì)變差，結(jié)果橫桿不宜太大，而隨著偏差減小，增益增大。這一點(diǎn)剛好由PID調(diào)節(jié)電路中的積分電路來(lái)完成。R1R2C2構(gòu)成比例積分電路，偏差出現(xiàn)以后，例如輸入端有階躍信號(hào)輸入，由于電容上的電壓不能突變，C2相當(dāng)于被短路，放大器處于較深的比例負(fù)反響狀態(tài)，放大器的反響減弱，增益也逐漸增大。當(dāng)調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束時(shí)，C2相當(dāng)

39、于開(kāi)路，放大器恢復(fù)開(kāi)環(huán)時(shí)的高增益狀態(tài)，以保持良好的靜態(tài)精度?？梢?jiàn)，積分和微分是相輔相成的。如果能恰當(dāng)?shù)呐浜?，就能得到良好的控制效果?雙向加力式電子天平的PID調(diào)節(jié)電路如圖3.6所示，此PID調(diào)節(jié)器具有高頻濾波環(huán)節(jié)。C1R2R1R3C2構(gòu)成比例微分環(huán)節(jié)，其中C1R2R3構(gòu)成微分環(huán)節(jié)，在主要工作頻率范圍內(nèi)，R2不起作用。到了高頻區(qū)，C1的阻抗小于電阻R2時(shí)，R2的存在限制了閉環(huán)增益進(jìn)一步增大，但R2不能過(guò)大，否那么會(huì)引起微分運(yùn)算誤差的增大， 在反響回路中R3與C2并聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。并聯(lián)的小電容C2可以加強(qiáng)高頻段的負(fù)反響，壓低高頻噪聲，同時(shí)有相位超前特性，可以補(bǔ)償C1造成的滯后作用，有利于閉

40、環(huán)穩(wěn)定。R1R3C3構(gòu)成比例積分電路。PID正常工作產(chǎn)傳遞函數(shù)此時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)腡1、T2、T就可以補(bǔ)償天平機(jī)械結(jié)構(gòu)局部的傳遞函數(shù)，取得良好的控制效果，實(shí)現(xiàn)天平系統(tǒng)的快速性和超調(diào)量小的要求。 運(yùn)算放大器U1B1TL702與三極管Q1、Q2組成的推挽功放電路共同構(gòu)成對(duì)加力線(xiàn)圈的功率放大電路，三極管Q1、Q2接成設(shè)計(jì)跟隨器的形式，放大倍數(shù)為1，運(yùn)算放大器U1B只是起到了一個(gè)信號(hào)傳遞和隔離的作用。溫度檢測(cè)電路 單向加力式電子天平采用的是硬件的溫度補(bǔ)償，雙向加力式電子天平采用軟件溫度補(bǔ)償，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度檢測(cè)電路，如圖3.7所示。由溫敏二極管和放大器、積分器等組成。它由四局部組成：基準(zhǔn)電壓源電路

41、、反相比例放大電路、積分器電路、比擬器電路。1 溫敏二極管和放大器電路：由運(yùn)算放大器U1AC4072和溫敏二極管組成，其工作原理如下，溫敏二極管經(jīng)電阻R15接基準(zhǔn)電壓源，溫敏二極管兩端的電壓接反比例放大器由C4072的輸入端，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，溫敏二極管兩端的電壓發(fā)生變化，經(jīng)反比例放大器放大輸出一個(gè)負(fù)的電壓信號(hào)，即U0=R17/R16Ui，Ui為二極管兩端的電壓。2 積分器、比擬器電路：積分器由運(yùn)放U1BC4072和CD4066組成，比擬器由LM311構(gòu)成，其工作原理如下：CD4066為雙向模擬開(kāi)關(guān)，80C196通過(guò)其高速輸出端口HS0.2向CD4066發(fā)出一個(gè)方波信號(hào)，使CD4066的1、2

42、腳導(dǎo)通，這樣基準(zhǔn)電壓源電路發(fā)出的基準(zhǔn)電壓、放大后的溫度信號(hào)通過(guò)電阻R13和R18疊加，共同對(duì)電容C6充電，形成積分電路。積分器的輸出因此調(diào)整HSO.2發(fā)出的方波的寬度，可以使積分器輸出鋸齒波。此鋸齒波信號(hào)進(jìn)入過(guò)零比擬器，比擬器輸出方波信號(hào)u。如圖3.8所示，可見(jiàn)比擬器輸出方波的寬度與溫度信號(hào)放大器輸出信號(hào)呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，即溫度值與方波的寬度呈對(duì)應(yīng)的關(guān)系。將80C196KB的告訴輸入口HIS.1在事件形式存放器中設(shè)置為正跳變、負(fù)跳變均為事件，那么在HIS.1可以捕捉到方波的寬度，這樣就將溫度值變成了相應(yīng)的數(shù)字量，供計(jì)算機(jī)在溫度補(bǔ)償時(shí)調(diào)用。溫度的計(jì)算方法如下：假設(shè)溫度在050之間，在0時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的

43、計(jì)數(shù)值為N0；在50時(shí)單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)值為N50；在t時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)值為Nt；那么內(nèi)部計(jì)數(shù)值為N時(shí)，當(dāng)前溫度T與N的關(guān)系為 3.8由此可見(jiàn)，N與T的關(guān)系是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。測(cè)得N，便可獲得當(dāng)前的溫度值，有了當(dāng)前的溫度值，便可利用溫度補(bǔ)償算法，對(duì)稱(chēng)量值進(jìn)行補(bǔ)償。 反相比例求和電路及積分器電路反相比例求和電路、積分器電路是信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。如圖3.9所示，由運(yùn)算放大器U2OP07構(gòu)成的反相比例求和電路的主要功能，是將采樣信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)疊加，輸出負(fù)的電壓信號(hào)。在不同的量程范圍，是雙向加力式電子天平加力線(xiàn)圈中的電流改變方向，稱(chēng)量范圍較小時(shí)，采樣電阻兩端的信號(hào)電壓為負(fù)值，稱(chēng)量范圍加大時(shí)，采樣電阻兩端

44、電壓為正值，為了在后續(xù)的電路中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理，采樣信號(hào)與精密基準(zhǔn)電壓信號(hào)通過(guò)反相比例求和電路相加，輸出負(fù)值的采樣信號(hào)電壓，反相比例求和電路輸出U=-R9U1/R6+R9U2/R8。 積分器電路由運(yùn)算放大器U3OP07構(gòu)成，其功能為將反相比例求和電路輸出的采樣信號(hào)與基準(zhǔn)電壓通過(guò)電阻R14和R18共同對(duì)電容C1充電，這樣做的目的有三個(gè)，一是增大了采樣信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍；二是利用積分電路的滯后效應(yīng)，使后續(xù)局部的采樣更加穩(wěn)定；三是使采樣輸出為負(fù)值，與鋸齒波發(fā)生器發(fā)出的鋸齒波比擬，從而輸出方波。如圖3.9。設(shè)采樣信號(hào)為U1，基準(zhǔn)電壓為U2那么積分器的輸出為U= -1/C1U0/R1+U2/R14。

45、CD4066的控制端接計(jì)數(shù)器的MF腳，此管腳為采樣周期控制端，保證在一個(gè)采樣周期內(nèi)CD4066是導(dǎo)通的，即保證在采樣周期內(nèi)基準(zhǔn)電壓與采樣信號(hào)完成積分動(dòng)作，輸出一個(gè)恒值信號(hào)。 積分電路的誤差主要來(lái)自于非線(xiàn)性的誤差，為減小積分電路的非線(xiàn)性誤差，我們采取以下措施。選擇Aod和Rid都比擬大，Uio和Iio相對(duì)較小的C4072集成運(yùn)算放大器構(gòu)成積分電路。電容器選擇漏電小、損耗小的聚苯乙烯電容器作為積分電容。在積分電路的前級(jí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)反比例求和電路，用來(lái)增大積分電路輸入信號(hào)的幅值。積分時(shí)間T的大小、積分電容的大小影響積分誤差，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我們用一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，由計(jì)數(shù)器的MF端來(lái)控制積分時(shí)間，使積分

46、相對(duì)誤差%可以忽略不計(jì)。3.A/D轉(zhuǎn)換通過(guò)脈寬調(diào)制的實(shí)現(xiàn)一般電子天平的相對(duì)精度都在十萬(wàn)分之一以上，雙向加力式電子天平的相對(duì)精度到達(dá)三十萬(wàn)分之一，要到達(dá)如此高的精確度，靠通常的A/D轉(zhuǎn)換器是難以實(shí)現(xiàn)的。雙向加力式電子天平使用了調(diào)寬脈沖計(jì)數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。脈寬調(diào)制電路由鋸齒波發(fā)生器和比擬器構(gòu)成。 鋸齒波發(fā)生器又三極管Q1、Q2及充電電容C4組成，比擬器為L(zhǎng)M311。鋸齒波發(fā)生器是根據(jù)電容充放電原理設(shè)計(jì)的。 1 工作過(guò)程：計(jì)數(shù)器的OFLOW引腳的負(fù)脈沖到來(lái)時(shí)，UQ2點(diǎn)為低電平，那么三極管Q2導(dǎo)通，此時(shí)C點(diǎn)電壓為負(fù)，D點(diǎn)電位為零，通過(guò)Q2對(duì)電容C充電，Q2導(dǎo)通時(shí)等效電阻很小，因此C點(diǎn)

47、電壓快速升至零，這時(shí)OFLOW負(fù)脈沖結(jié)束，C點(diǎn)電壓為0，三極管截止，充電結(jié)束。對(duì)于三極管Q1，由于穩(wěn)壓管B1的作用，始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)Q2截止時(shí)，電容C通過(guò)三極管Q1和電阻R34放電，C點(diǎn)電壓逐漸下降至Vss。這樣，隨著計(jì)數(shù)器OFLOW引腳負(fù)脈沖的不斷輸出，電容C反復(fù)充電放電，那么CD輸出相應(yīng)周期與計(jì)數(shù)器輸出波形周期相同的系列鋸齒波。 2 詳細(xì)分析如圖3.10：為計(jì)數(shù)脈沖輸入端，每1ms輸入一個(gè)負(fù)脈沖；為比擬器的正相輸出入端，輸入鋸齒波；為比擬器反相輸入端，輸入一個(gè)負(fù)的電壓信號(hào)，且隨著M的增大而減??；為比擬器輸出端，輸出脈寬。當(dāng)端為+5V時(shí)，UQ2為： 當(dāng)端為0V時(shí)，UQ2為： 由于開(kāi)關(guān)管Q

48、2為PNP型，所以，當(dāng)UQ2=-1.860.7V時(shí)，開(kāi)關(guān)管翻開(kāi)。即在端負(fù)脈沖信號(hào)到來(lái)時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q2翻開(kāi)，對(duì)電容C充電。對(duì)于晶體管Q1，由于穩(wěn)壓管D1的作用，始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。它的基極電壓Uq1穩(wěn)壓在11V左右，那么UB=-10V。當(dāng)負(fù)脈沖結(jié)束時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q1翻開(kāi)，此時(shí)Uc=0V，電容C通過(guò)三極管Q1，經(jīng)由R34放電，直至Uc=UB=-10V。如圖3.11所示的放電過(guò)程可以等效為： 這說(shuō)明該回路的放電速度與有關(guān)，且越大，放電越慢，越小，放電越快。特別值得注意的是，在10-4s時(shí)候，雖然在t+3V。 邏輯“1電平：驅(qū)動(dòng)器輸出端為5V15V，負(fù)載端要求3V。 負(fù)載電阻：37K。 負(fù)載電容：2500F。

49、 MCS96的串行口與MCS51的串行口兼容，它由四種操作模式，三種是異步的，一種是同步的。異步模式是全雙工的，即能同時(shí)收發(fā)。接受器是帶緩沖的，即在第一個(gè)接收字節(jié)從接收存放器被讀走之前，就可以開(kāi)始接受第二個(gè)字節(jié)。發(fā)送存放SBUFtr和接收寄器SBUFrx在物理上是分開(kāi)的，但通過(guò)一個(gè)串行口緩沖存放器SBUF07H去訪問(wèn)它們。模式0是同步方式，模式1至模式3為異步方式。 模式1：通過(guò)TXD發(fā)送數(shù)據(jù)，RXD接收數(shù)據(jù)。10位構(gòu)成一串行幀，假設(shè)串行口控制存放器SP-CON中的奇偶樣驗(yàn)允許位PEN=1，那么發(fā)送時(shí)的第8數(shù)據(jù)位將以偶校驗(yàn)位代之。 模式2：模式2的串行幀由11位構(gòu)成。1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1

50、位可變成的數(shù)據(jù)位和1位停止位。發(fā)送時(shí)利用SP-CON存放器中的TB8位，把值賦給第9數(shù)據(jù)位，模式2不能允許奇偶校驗(yàn)。模式3：模式3與模式2具有相同的幀格式，發(fā)送時(shí)第9數(shù)據(jù)位仍通過(guò)TB8賦予0或1，假設(shè)PEN=1，那么該位是奇偶校驗(yàn)位。MCS96串行口的工作受串行口控制/狀態(tài)存放器11H的控制，波特率決定于16位波特率存放器000EH的內(nèi)容，存放器的最高位用于選擇波特率發(fā)生器的輸入頻率源，最該位為1，選用XTAL1即振蕩器頻率，否那么選擇來(lái)自T2CLK引腳的外部頻率，波特率的低15位表示一個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù)B，不同模式下波特率可以用公式計(jì)算，采用XTAL1時(shí)，異步模式：波特率=XTAL1頻率/64B+

51、1。本系統(tǒng)與上位機(jī)通訊采用串行模式3，有奇偶校驗(yàn)位，采用12MHZ晶振，串行口輸入頻率源為XTAL1。在參數(shù)設(shè)定功能中，波特率是可選的，分別為9600、4800、2400、1200，那么對(duì)應(yīng)的波特率存放器值分別為8013H、8026H、804DH、809BH。本系統(tǒng)的傳輸距離不是很遠(yuǎn)，在使用的范圍內(nèi)RS232C也有一定的抗干擾能力，傳輸速率也可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求，因此，在這里采用RS232C作為串行通訊接口。由于RS232C有自己的電氣標(biāo)準(zhǔn)，而此標(biāo)準(zhǔn)并不能滿(mǎn)足TTL電平傳送要求，所以，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。在此RS232信號(hào)和單片機(jī)串口信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換采用MAX232A，它是具有雙驅(qū)動(dòng)器、雙接受器的

52、通訊器接口電路，不需要外接電容而進(jìn)行倍壓及電壓極性轉(zhuǎn)換，只需要+5V供電，電源電流為5mA。80C196KB通過(guò)TXD端發(fā)送信息，通過(guò)RXD端接收信息。80C196KB與RS232C的連接方式如圖324所示。雙向加力式電子天平軟件設(shè)計(jì) 雙向加力式電子天平軟件的總體設(shè)計(jì)在電子天平的更新?lián)Q代過(guò)程中，為了不斷的降低本錢(qián)和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，局部硬件設(shè)計(jì)軟件化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，這也是智能儀器開(kāi)展的方向。我們?cè)谛麻_(kāi)發(fā)的電子天平中，溫度補(bǔ)償、線(xiàn)性補(bǔ)償、全量程調(diào)整等局部均由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面，為了滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求，我們?cè)谲浖O(shè)計(jì)中設(shè)置了多達(dá)11種單位制的轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)不同國(guó)家和地區(qū)用戶(hù)的使用。我們?cè)O(shè)計(jì)了百分

53、比稱(chēng)量方式、動(dòng)物稱(chēng)量方式、和計(jì)數(shù)稱(chēng)量方式等多種稱(chēng)量方式以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。為了適應(yīng)不同地區(qū)重力加速度的差異，我們?cè)诿看问褂秒娮犹炱綍r(shí)都可對(duì)電子天平進(jìn)行全量程調(diào)整、去皮、校準(zhǔn)等處理。使得電子天平在使用上更可靠、更方便。因此，雙向加力式電子天平的軟件設(shè)計(jì)比擬復(fù)雜，我們采用單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言PL/M96進(jìn)行設(shè)計(jì)，PL/M是專(zhuān)為單片機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的高級(jí)語(yǔ)言，支持結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，語(yǔ)句功能強(qiáng)、代碼轉(zhuǎn)換率高、程序的可維護(hù)性可讀性強(qiáng)。雖然在一些局部問(wèn)題上PL/M程序代碼生成情況不如匯編語(yǔ)言，但在處理比擬復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，前者的代碼并不比后者大，甚至優(yōu)于后者。因此完全能適應(yīng)單片機(jī)的動(dòng)態(tài)要求。尤其在線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)缺葦M復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理過(guò)

54、程中，調(diào)用PL/M浮點(diǎn)運(yùn)算庫(kù)FPAL96，運(yùn)算十分方便，在本系統(tǒng)中取小數(shù)點(diǎn)后四位有效數(shù)字，能夠很好的保證運(yùn)算精度。在PL/M語(yǔ)言中，子程序稱(chēng)為過(guò)程，本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，程序功能盡量由子程序來(lái)完成，使主程序簡(jiǎn)明易懂，便于調(diào)試和維護(hù)。主程序主要完成自檢、程序初始化、按鍵掃描、開(kāi)關(guān)中斷、稱(chēng)量方式選擇、線(xiàn)性化處理、溫度補(bǔ)償、全量程調(diào)整、稱(chēng)量結(jié)果顯示、自校準(zhǔn)、參數(shù)設(shè)置、以及通訊的功能。程序設(shè)計(jì)中還涉及很多針對(duì)硬件的功能子程序，局部已在硬件設(shè)計(jì)中表達(dá)過(guò)，如93C46讀寫(xiě)子程序、顯示子程序、串口通訊子程序等。雙向加力式電子天平軟件系統(tǒng)概要程序框圖如圖4所示，圖中絕大多數(shù)程序還要調(diào)用其它子程序，

55、而且這些子程序之間也要相互調(diào)用，為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，圖中只畫(huà)出了主要的調(diào)用關(guān)系。主程序框圖如圖所示。限于篇幅，在此不一一介紹。下面將程序設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要模塊作簡(jiǎn)要介紹：主程序：完成自檢、程序初始化、按鍵掃描、開(kāi)關(guān)中斷、稱(chēng)量方式選擇、線(xiàn)性化處理、溫度補(bǔ)償、全量程調(diào)整、稱(chēng)量結(jié)果顯示、自校準(zhǔn)、參數(shù)設(shè)置、以及通訊的功能。初始化子程序：完成相關(guān)存放器的初始調(diào)設(shè)置、變量初始化、參數(shù)設(shè)置初始化、顯示緩沖區(qū)初始化等。中斷效勞子程序：完成采樣、采樣值排序去出粗大誤差、多周期累加等。參數(shù)設(shè)置子程序：實(shí)現(xiàn)程序中涉及的功能參數(shù)的外部設(shè)定、在這個(gè)子程序中需調(diào)用9346數(shù)據(jù)讀寫(xiě)子程序。稱(chēng)重方式選擇及單位換算子程序：有稱(chēng)重狀態(tài)下MO

56、DE鍵切入，完成稱(chēng)重方式的選擇及不同單位制之間的選擇換算。按鍵判斷及掃描子程序：雙向加力式電子天平的鍵功能比擬復(fù)雜，只有五個(gè)按鍵，卻要實(shí)現(xiàn)方式選擇、單位換算、去年處理、參數(shù)設(shè)定、自校準(zhǔn)、全量程調(diào)整、打印通訊等二十多種功能，所有鍵皆為復(fù)用鍵，且在不同方式下具有不同的含義。在鍵功能的設(shè)計(jì)上，我們用用建立鍵值表的方法。 線(xiàn)性化處理子程序：完成電子天平稱(chēng)重結(jié)果的線(xiàn)性補(bǔ)償，消除非線(xiàn)性誤差。 溫度補(bǔ)償子程序：根據(jù)溫度補(bǔ)償算法，消除溫度變化造成的誤差。 校準(zhǔn)子程序：完成全量程調(diào)整和內(nèi)部參數(shù)值校準(zhǔn)功能。 計(jì)算功能子程序：按昭線(xiàn)性關(guān)系，將內(nèi)部采樣值通過(guò)計(jì)算，轉(zhuǎn)換為稱(chēng)重值，調(diào)用計(jì)算功能子程序之前，要先進(jìn)行計(jì)量單位

57、的選擇。 實(shí)時(shí)顯示子程序：將顯示緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)及信息送液晶顯示模塊顯示。通訊子程序：接受上位計(jì)算機(jī)的命令和將天平中的數(shù)據(jù)，按設(shè)定方式發(fā)送給計(jì)算機(jī)。中斷效勞程序設(shè)計(jì)中斷效勞程序的主要功能是采樣，即讀取中斷計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)值。本系統(tǒng)采用的中斷計(jì)數(shù)器的晶振頻率為12MHZ計(jì)數(shù)器為十四位，那么兩次中斷的時(shí)間間隔為365ms，由于采樣的連續(xù)進(jìn)行，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，尤其采用PL/M高級(jí)語(yǔ)言編程，能實(shí)現(xiàn)的功能有限，否那么會(huì)造成連續(xù)中斷，即上次中斷未出，又進(jìn)行下次中斷，因此中斷效勞程序只能完成采樣、累加求和、插入排序等功能。其中，累加求和與插入排序兩段程序的順序不能顛倒，這與消除隨機(jī)誤差的干擾有關(guān)，這方面的細(xì)節(jié)已

58、在第三章中討論過(guò)。 校準(zhǔn)程序的設(shè)計(jì)電子天平是根據(jù)電磁力平衡原理設(shè)計(jì)制造的，在諸多對(duì)其精度可能產(chǎn)生影響的因素中。地心引力的影響比擬突出，不同地域、不同的地心引力勢(shì)必造成天平顯示值的不同，因此當(dāng)天平從一地移到另一地使用時(shí)，誤差我們可以通過(guò)校準(zhǔn)天平來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就是校準(zhǔn)程序的作用。校準(zhǔn)程序分為全量程校準(zhǔn)和修正校準(zhǔn)砝碼值兩局部。正確的校準(zhǔn)程序如下：天平校準(zhǔn)前，需至少預(yù)熱40分鐘。在一般稱(chēng)重的狀態(tài)下，按CAL鍵，顯示“CAL 0。按TARE鍵，顯示“CALF。將標(biāo)準(zhǔn)砝碼放在稱(chēng)中盤(pán)上，按TARE鍵校準(zhǔn)開(kāi)始，校準(zhǔn)結(jié)束后顯示“CALEND進(jìn)入正常的稱(chēng)重狀態(tài)。修正校準(zhǔn)砝碼值的步驟如下：當(dāng)“CAL 0和“CAL F顯

59、示時(shí)，按CAL鍵，顯示3000.00。按PRINT鍵減1，按MODE鍵加1，重復(fù)按鍵到實(shí)際值后，按TARE鍵，然后按正常的校準(zhǔn)步驟進(jìn)行天平的校準(zhǔn)。下次校準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)砝碼實(shí)際值重新設(shè)置。校準(zhǔn)程序框圖如圖43所示。鍵盤(pán)程序的設(shè)計(jì) 雙向加力式電子天平只設(shè)五個(gè)鍵，CAL、TARE、ON/OFF、MODE、PRINT等，但其鍵功能卻很復(fù)雜，包括稱(chēng)重控制、參數(shù)設(shè)定、方式選擇、自校準(zhǔn)等，因此以上五個(gè)鍵均為復(fù)用鍵，且在不同的方式下具有不同的含義。在鍵功能子程序的設(shè)計(jì)上，我們采用建立鍵值表的方法，將鍵包括復(fù)合鍵的判斷設(shè)為過(guò)程，過(guò)程的返回值作為鍵值，按鍵判斷子程序過(guò)程如下：程序中，當(dāng)ON/OFF鍵按下時(shí)過(guò)程返回1，

60、TARE鍵按下是過(guò)程返回2，MODE鍵按下時(shí)過(guò)程返回3，ON/OFF鍵按下時(shí)過(guò)程返回4，PRINT鍵按下是過(guò)程返回5，ON/OFF鍵和TARE鍵同時(shí)按下返回6，無(wú)鍵按下是過(guò)程返回0。這樣，在程序中子要調(diào)用過(guò)程KEYVAL，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤(pán)的掃描。如執(zhí)行以下語(yǔ)句A=KEYVAL；IFA=1THEN，就可以判斷ON/OFF鍵是否按下。 參數(shù)設(shè)定程序設(shè)計(jì) 為了滿(mǎn)足用戶(hù)的各種需求，雙向加力式電子天平設(shè)計(jì)了用戶(hù)軟件，用戶(hù)可根據(jù)需要自行改變參數(shù)設(shè)定。參數(shù)設(shè)定程序需要調(diào)用9346數(shù)據(jù)讀寫(xiě)子程序，將用戶(hù)設(shè)定的參數(shù)存入9346中指定的單元，供程序運(yùn)行時(shí)調(diào)用、判斷。以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)功能和精度的要求。電子天平每次上電時(shí)，