實用電子秤的設計與制作

實用電子秤的設計與制作課程設計任務1．設計框圖利用傳感器與檢測技術實驗室已有的應變式稱重臺，將四片應變片采用全橋形式接入測量電路，經過運放OP07組成的儀表放大器放大，再由串行模數轉換芯片TLC549進行A/D轉換，轉換結果送入單片機AT89C51，通過同向門7407驅動四位數碼管顯示。儀表放大器的輸出需經采集卡采集，經過CSY9.0虛擬儀器軟件分析，得到較好的線性度和靈敏度后，才能再送入AD芯片進行轉換。系統(tǒng)框圖如圖1所示?！?5V供±15V供電圖1電子秤系統(tǒng)框圖2．根本要求(1)掌握金屬箔式應變片的應變效應。(2)掌握單臂、半橋和全橋電路的工作原理和性能。(3)利用multisim仿真軟件，確定儀表放大器設計方案；應用運放OP07設計三運放儀表放大器，確定電路元器件具體參數；在通用板上制作電路板。(4)儀表放大器增益可調，放大倍數自行確定；應變電橋和放大電路應具有調零功能。(5)能夠利用匯編或C51語言編寫正確程序，調試電路板，采集放大器的輸出電壓，并顯示。(6)考慮A/D分辨率為20mV，要求靈敏度不低于40mV/20g。(7)利用CSY-V9.1虛擬儀器采集測量電路的輸出電壓至電腦中，并分析數據。要求非線性誤差小于1.50%。(8)編寫課程設計報告，完成設計任務的期限為二個星期。3.成績評定方法與標準本次綜合實訓的成績分為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不合格共5檔。成績將具體從以下5個方面評定，每個方面的成績均占總成績的20%。(1)工作原理主要內容有金屬箔式應變片的應變效應和橫向效應；單臂、半橋和全橋電路的工作原理和性能比擬；儀表放大器的工作原理和特點；A/D轉換的原理；單片機編程根底知識。該項采用面試的方式進行，隨機提問3至5個問題。(2)仿真結果在multisim7中仿真電路的結果；電路中元器件參數的選擇。(3)工藝質量線路板焊接的實物外觀，比方焊點、整體布局、走線的合理性、插孔的擺放、是否整潔美觀等。(4)測量效果從DRLAB實驗臺中檢查重量誤差的大??；從CSY9.0虛擬儀器軟件中檢查非線性誤差和靈敏度的值；(5)實訓報告要求能完整反響整個實訓設計和制作過程，整理出標準的報告。具體格式參照畢業(yè)設計論文要求。內容包括以下幾個方面。a、封面b、目錄c、前言〔課題的背景〕d、硬件制作〔應變片稱重原理、儀表放大器原理、A/D轉換、數碼管顯示〕和程序設計〔流程圖、調試界面〕。采用自己的語言，簡潔明了的說明自己的理解和方法，不可摘抄。e、調試過程〔包括：調試步驟、故障分析、測試數據和數據分析、結論〕。f、體會和建議g、附錄一Multisim7電路仿真原理圖和protel電路圖附錄二線路板實物圖〔測量狀態(tài)〕附錄三元件明細表附錄四CSY9.0測量結果截屏圖或DRLAB開放式實驗平臺測量結果截屏圖附錄五系統(tǒng)程序設計總體要求1．認真閱讀本設計任務書，了解本設計的任務和要求。2．認真復習《傳感器與檢測技術》和《單片機原理與應用》課程中有關應變式傳感器和A/D轉換、數碼管顯示的有關內容。3．適當查閱一些與設計有關的參考資料，鼓勵同學創(chuàng)新。4．利用protel99畫出系統(tǒng)完整電路圖，包括儀表放大器和單片機系統(tǒng)兩大局部。6．特別要注意焊接裝配的質量，認真搞好焊接裝配工藝，焊接完畢后一定要細心檢查有無錯誤、錯焊元件、焊接點與接地點短路等。在焊接裝配完成后，要認真檢查部件的焊接情況，在與電路圖反復對照確屬無誤后，方可接上直流電源，特別要注意電源接法。7．遵守實驗的規(guī)章制度，掌握傳感器CSY3000型實驗臺的操作方法，保護儀表，切忌發(fā)生人身平安和儀表設備平安事故。8．精心調測，盡量得到較高的靈敏度和較低的非線性誤差。9．認真地寫出設計報告，要做到理論與實際相結合，通過設計中的計算、裝配、調測，穩(wěn)固理論，驗證理論，書寫設計報告是一個從感性認識向理性認識開展的過程，也時考察同學們在本設計中有無收獲以及收獲大小的標志。采用應變片稱重的根本原理電阻應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應變敏感元件構成。當被測物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化，通過轉換電路轉換成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。其主要缺點是輸出信號小、線性范圍窄,而且動態(tài)響應較差。但由于應變片的體積小,商品化的應變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設計彈性敏感元件的形式以適應各種應用場合，所以用應變片制造的應變式壓力傳感器在測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數中仍有非常廣泛的應用。應變片是最常用的測力傳感元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地粘貼在測試體外表，測件受力發(fā)生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應的變化。通過測量電路，轉換成電信號輸出顯示。當具有初始電阻值R的應變片粘貼于試件外表時，試件受力引起的外表應變，將傳遞給應變片的敏感柵，使其產生電阻相對變化ΔR/R。在一定應變范圍內ΔR/R與ε的關系滿足下式：式中，ε為應變片的軸向應變。定義K=(ΔR/R)/ε為應變片的靈敏系數。它表示安裝在被測試件上的應變在其軸向受到單向應力時，引起的電阻相對變化ΔR/R與其單向應力引起的試件外表軸向應變ε之比。電阻應變片計把機械應變轉換成ΔR/R后，應變電阻變化一般都很微小，例如傳感器的應變片電阻值120Ω，靈敏系數K=2，彈性體在額定載荷作用下產生的應變?yōu)?000μ，應變電阻相對變化量為：ΔR/R=K*ε=2*1000*10ˉ6=0.002可以看出電阻變化只有120*0.002=0.24Ω，其電阻變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉換電路，把應變片計的ΔR/R變化轉換成電壓或電流變化。通常采用惠斯登電橋電路實現這種轉換。假設將電橋四臂接入四片應變片，如圖2所示，即兩個受拉應變，兩個受壓應變，將兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，構成全橋差動電路。在接入四片應變片時，需滿足以下條件：相鄰橋臂應變片應變狀態(tài)應相反，相對橋臂應變片應變狀態(tài)應相同?？珊喎Q為：“相鄰相反，相對相同〞。此時全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度圖2全橋電路為單片工作時的4倍，同時具有溫度補償作用。除上述全橋電路外，還有單臂和半橋電路兩種。單臂、半橋、全橋電路的靈敏度依次增大；當E和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無關。本次實訓采用全橋電路。電橋供電電源為5V。測量電路的設計1．儀表放大器的工作原理由于傳感器的輸出信號往往較小，必須經過放大電路進行調理放大，再進行測量。常用的放大電路可以由單運放放大器、雙運放放大器、三運放放大器或直接由集成儀表放大器〔如AD620、AD623〕等構成。下面以三運放構成的儀表放大器為例說明儀表放大器的工作原理及性能指標，運算放大器選擇高精度運放OP07。1〕根本電路及放大原理圖3三運放電路原理圖如上圖，由運算放大器特性可知OP1：OP2：由分壓原理可得故由于放大器OP3為差值放大器，可知所以其差值放大倍數為當要改變增益時，僅須調整可變電阻R1即可。2〕第二級放大電路的工作原理圖4第二級放大器原理圖第二級放大電路其實是一個增益可調的同相運算放大器，其作用是把第一級放大電路輸出的電壓進一步放大，以滿足需要，工作原理如下：設U4的輸出電位為V*out，輸入第一級放大電路輸出Vout，而可變電阻P2的實際有效接入局部的阻值為RP。對U4而言，—、+兩端的電位應近似相等，即：而流過R11、R12電阻上的電流I11、I12可分別表示為：；又因為所以整理后，可得：放大系數〔增益〕為：設電阻阻值分別為R11=10kΩ，R12=10kΩ，0≤RP≤10kΩ，那么第二級放大電路的理論計算增益為：2．集成運算放大器OP-07OP-07有A、D、C、E各檔，它是高精度運算放大器，具有極低的失調電壓〔10μV〕和偏置電流〔0.7nA〕，它的溫漂系數為0.5μV/℃，OP-07具有較高的共模輸入范圍〔±14V〕，共模抑制比CMRR=126dB，以及極寬的供電電流范圍〔從±3V到±18V〕，雙電源供電。ADOP-07的封裝、管腳排列以及根本連接方式如下列圖所示，OP07一般不需要調零，如需調零，可在1和8管腳之間接一個電位器，阻值可為20k，參見根本接法圖。圖5ADOP-07封裝圖23742374618R1R3VinR2Vout+15V-15V20k+15V調零調零12348765-IN+IN-Vs+VsOUTNC管腳功能圖根本接法圖6運算放大器引腳圖3．參考電路圖7，圖8是壓力傳感器的測量電路，由兩個局部組成。前一局部是采用三個運放構成的儀表放大器，后面的放大器將儀表放大器的輸出電壓進一步放大。R28是電橋的調零電阻，R42是整個放大電路的調零電阻，R29，R40調整運放增益。儀表放大器因為輸入阻抗高，共模抑制能力好而作為電橋的接口電路。其增益可用下式表示：A＝〔1+〕 圖7儀表放大器圖8反相放大器4．Multisim7電路仿真(1)仿真軟件Multisim7電子仿真軟件Multisim7是加拿大交互圖像技術〔InteractiveImageTechnologiesLtd.CO.〕于2003年推出的最新版本。它將以前推出的EWB5.0和Multisim2001版本功能大大提高，Multisim7版本電子仿真軟件是目前世界上最先進、功能最強大的仿真軟件，是仿真軟件的佼佼者。Multisim7是一個完整的設計工具系統(tǒng)，提供了一個非常大的元件數據庫，并提供原理圖輸入接口、全部的數模Spice仿真功能、VHDL|Verilog設計接口與仿真功能、FPGA|CPLD綜合、RF設計能力和后處理功能，還可以進行從原理圖到PCB布線工具包〔如：Ultiboard2001〕的無縫隙數據傳輸。它提供的單一易用的圖形輸入接口可以滿足設計需求。(2)Multisim7根本界面根本界面如圖1-1所示。根本界面最上方是菜單欄〔Menus〕，共11項；菜單欄下方左面為系統(tǒng)工具欄〔SystemToolbar〕，共11項；中間為設計工具欄〔MultisimDesignBar〕，共8項；再往右是使用中元件列表〔InUseList〕和幫助按鈕；右上角為仿真開關〔SimulateSwitch〕。根本界面的左側為元件工具欄，其中23個元件庫中分別放置同一類型的元件，左列從上到下分別是電源庫〔Source〕、根本元件庫〔Basic〕、二極管庫(Diode)、晶體管庫〔Transistor〕、模擬元件庫〔Analog〕、TTL器件庫〔TTL〕、CMOS器件庫〔CMOS〕、各種數字元件庫〔MiscellaneousDigital〕、混合器件庫〔Mixed〕、指示器件庫〔Indicator〕、其它器件庫〔Miscellaneous〕、射頻元件庫〔RF〕和機電類器件庫〔Electromechanical〕。右列為與實際元件相對應的現實性仿真元件模型快捷鍵按鈕，共10類，從上至下分別是：虛擬電源庫、虛擬信號源庫、虛擬根本元件庫、虛擬二極管庫、虛擬三極管庫、虛擬模擬元件庫、其它虛擬元件庫、常用虛擬元件庫、虛擬3D元件庫、虛擬測量元件庫。另外，左側下方還有“放置總線〞、自動通過因特網進入EDAparts網站的“〞等4個功能按鈕。根本界面的右側為儀表工具欄，該工具欄含有17種用來對電路工作狀態(tài)進行測試的儀器儀表，這17種測量儀器儀表從上到下分別為數字萬用表、函數信號發(fā)生器、瓦特表、示波器、4通道示波器、掃頻儀、頻率計、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉換器、I-V特性分析儀、失真分析儀、頻譜分析儀、網絡分析儀、美國安捷倫函數信號發(fā)生器、美國安捷倫字萬用表和美國安捷倫示波器。根本界面的中間局部即電路窗口，相當于一個現實工作中的操作平臺，電路圖的編輯繪制、仿真分析及波形數據顯示等都在此窗口中進行。根本界面最下方為狀態(tài)欄，狀態(tài)欄顯示有關當前操作以及鼠標所指條目的有用信息。圖9根本界面(3)Multisim7使用方法調用元器件操作單擊根本界面左側元件庫第2個根本元件圖標〔Basic〕，將出現Selectacomponent對話框，單擊Family欄中的RESISTOR，再拉動Component欄的滾動條，選取100ohm，單擊“OK〞，再在平臺上單擊左鍵即可將電阻R1〔在Multisim7軟件中，由于習慣不同，沒有下標的標注〕放置到平臺上，繼續(xù)單擊左鍵可連續(xù)放置電阻，單擊右鍵停止放置；雙擊R1，將出現RESISTOR對話框，在Label頁下，將ReferenceID欄改為R4，按“確定〞退出；單擊R4，可在R4四周出現4個小方塊，再單擊菜單Edit/90Clockwise，可將R4順時針轉90度豎放；當單擊R4四周出現4個小方塊時按住鼠標不放，可將R4拖放到平臺的任何地方；右擊R4，在出現的下拉菜單中選“Cut〞可刪除該元件。連接線路放置好元器件后需要對其進行線路連接，操作步驟如下：將鼠標指向所要連接的元件引腳上，鼠標指針就會變成帶十字圓點狀。單擊并移動鼠標，即可拉出一條虛線；如要在某點轉彎，那么在轉彎處單擊一下，然后繼續(xù)連線。到終點后單擊鼠標即自動產生紅色連線。要刪除連線，用鼠標右擊該連線，在出現的下拉菜單中選“Delete〞即可。A/D轉換與顯示1．A/D轉換一般電子秤的A/D轉換精度越高越好，A/D精度越高，電子秤的靈敏度越高。但12的A/D芯片價格比擬貴，考慮到實驗室條件，本次設計采用8位串行A/D芯片TLC549。TLC549是美國德州儀器公司生產的8位串行A/D轉換器芯片，可與通用微處理器通過SDO、SCLK、CS三條口線進行串行接口"具有4MHz片內系統(tǒng)時鐘和軟硬件控制電路，轉換時間最長17微秒。允許的最高轉換速率為40000次/秒?？偸д{誤差最大為±0.5LSB〔最低有效位〕?？捎糜谳^小信號的采樣。與AT89C51的具體連接線路如圖10所示。REF+接5V電源，REF-接地，圖中輸入電壓為3.35V，TLC549的AIN引腳接儀表放大器的輸出端。SDO、CS、SCLK分別接AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2引腳。圖10TLC549電路連接典型的驅動程序如下。tlc549在讀出前一次數據后，馬上進行電壓采樣，ADC轉換，轉換完后就進入HOLD模式，直到再次讀取數據時，芯片才會進行下一次A/D轉換。也就是說，本次讀出的數據是前一次轉換的值，讀操作后就會再啟動一次轉換，一次轉換所用的時間最長為17uS，芯片沒有轉換結束信號輸出。DATBIT P2.0CSBITP2.1CLKBITP2.2ORG0000HAJMPMAINORG0100HMAIN:MOVSP,#60H ACALLTLC549_ADC MOVR7,#0 DJNZR7,$ ACALLTLC549_ADC SJMP$TLC549_ADC:CLRA CLRCLK CLRCS MOVR6,#8TLC549_L1:SETBCLK NOP NOP MOVC,DAT RLCA CLRCLK NOP DJNZR6,TLC549_L1 MOVP1,A SETBCS SETBCLK RET ;END2．數碼管顯示采用4位共陰數碼管顯示電壓值?？紤]到元器件的購置，統(tǒng)一采用7407驅動數碼管。具體連接電路如下圖。鼓勵采用自己的顯示方式。圖11數碼管顯示電路電子秤電路調試根據圖12所示，應變式傳感器已經裝在傳感器試驗臺上。傳感器中各應變片上的R1、R2、R3、R4接線顏色分別為黃色、藍色、紅色、白色，可用萬用表測量同一種顏色的兩端判別，R1=R2=R3=R4=350Ω。圖12應變式傳感器安裝示意圖接入電源，撥通電源開