基于psd电子秤电路设计_大学学士学位论文(编辑修改稿)

基于psd电子秤电路设计_大学学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。 这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。 51 系列单片机： 由 ATMEL 公司生产的 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微放大电路 A/D 数模转换 压力信号采集 MSP430F135 单片机 LED 显示 报警装置 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 控 制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash，使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 空闲模式下， CPU 停止工作，允 许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 而且，它还具有一个看门狗（ WDT）定时 /计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路 [3]。 430 系列单片机： MSP430 系列单片机是一个特别强调超低功耗的单片机品种，很适合应用与电池供电的长时间工作场合。 在这个系列中有很多个型号，它们是由一些基本功能模块按不同的应用目标 组合而成。 MSP430 系列的 CPU 采用 16 位精简指令系统，集成有 16 位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率。 它采用数字控制振荡器（ DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于 6181。 s。 其中 MSP430x41x 系列微控制器设计有一个 16 位定时器，一个比较器， 96 段 LCD 驱动器和 48 个通用 I\O 引脚。 MSP430F1x 系列具有以下一些共同特点： （ 1） 超低功耗。 （ 2） 强大的处理能力。 （ 3） 丰富的片上外围模块。 （ 4） 方便高效的开发方式。 （ 5） 多种存储器形式。 （ 6） 适应工业及运行环境。 在本设计中选择 MSP430F135 系列单片机 [14]。 数据采集部分 电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路和 A/D 转换电路，因此对于这部分的论证主要分三方面。 传感器的选择 PSD 光电位置传感器 在设计中 ， 传感器是一个十分重要的元件 ， 因此对传感器的选择也显的特别的重要 ， 不仅要注意其量程和参数 ， 还有考虑到与其相配置的各种哈尔滨理工大学学士学位论文 7 电路的设计的难以程度和设计性价比等等。 高灵敏度光电位置传感器 PSD 是一种新型的光电器件 ， 或称为坐标光电池 ， 它是一种非分割型器件 ， 可将光敏面上的光点位置转化为电信号。 当一束光射到 PSD 的光敏面上时 ， 在同一面 上的不同电极之间将会有电流流过 ， 这种电压或电流随着光点位置变化而变化的现象就是半导体的横向光电效应。 因此利用 PSD 的 pn 结上的横向光电效应可以来检测入射光点的照射位置。 它不像传统的硅光电探测器只能作为光电转换、光电耦合、光接收和光强测量等方面的应用。 而能直接用来测量位置、距离、高度、角度和运动轨迹等。 它与阵列式图像传感器也不一样 , 不像固态图像传感器的测量表面由于敏感单元有一定大小而存在死区 ； PSD 器件能连线检测光点的位置 ， 没有死区分辨力高。 适配电路简单等特点 ； 正日益引起人们的重视。 PSD 应用于 位移测量基本原理如图所示 ， 由半导体激光器 (LD) 发射出的光束经过透镜 1聚焦 ， 光斑照射到待测物体上 ， 部分反射光通过透镜 2会聚到 PSD的光敏面上。 当激光光斑投射到被测物的某一位置时 ， 会聚到PSD的光斑恰好位于光敏面的中央位置。 此时 ， PSD两电极输出电流相同。 由图 (22)可知光敏面上位置坐标 x = 0， 以该位置作为基准点。 图中 B 点表示待测物的基准点 ， 则其散射光斑会聚到 PSD光敏面中央 b处 ， 而待测点 A 和 C的散射光斑分别会聚到 PSD光敏面 a c两处 ， 分别测得两电极的电流信号 ， 再经过后续处理电路就可以精确测试出 A、 C两点与基准点 B之间的位移 [2]。 图 22 位移测试原理图 当重力压在位移敏感传感器的重力盘上时，重力盘弹性元件的形变位移在上图中位置 A、 B、 C 范围内变化，此时 PSD 的敏感表面上的光斑位置发生变化，从而使 PSD 产生相应的电流信号，有电流信号的变化可以看出重力大小的变化，再经过后续一系列处理使电信号转变为数字信号显示出来。 放大电路的介绍 经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等哈尔滨理工大学学士学位论文 8 电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行 A/D 转换。 为此，测量电路中常设有模拟放 大环节。 这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。 放大器的输入信号一般是由传感器输出的。 传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。 因此，一般对放大器有如下一些要求： 1． 输入阻抗应远大于信号源内阻。 否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。 2． 抗共模电压干扰能力强。 3． 在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。 从而保证放大器输出性能稳定。 4． 能附加一些适应特定要求的电路。 如放大器增益的外接电阻调整 、方便准确的量程切换、极性自动变换等。 我们考虑了以下几种方案： 方案一 利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。 普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。 由于 A/D 转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。 所以，此种方案不宜采用。 方案二 由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。 差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放 (如OP07)做成一个差动放大器，如图 23 所示： C1C3C2C4R1R2R3 R6R4R8R5R7R 1 0+ 5V 5VR9VoViVi 图 23 利用普通运放构成的放大器 电阻 R R2 和电容 C C C C4 用于滤除前级的噪声， C C2哈尔滨理工大学学士学位论文 9 为普通小电容，可以滤除高频干扰， C C4 为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。 优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器 R6 可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。 输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。 缺点：此电路要求 R R4 相等，误差将会影响输出精度， 难度较大。 实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大 [12]。 方案三 采用专用仪表放大器，如： AD620， INA126 等。 此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。 以 AD620 为例，内部结构如图 24 所示： 图 24 AD620 的内部等效图 接口如图 25 所示： 图 25 AD620 的接口图 AD620 由传统的三运算放大器发展而成 ， 但一些主要性能却优于三运哈尔滨理工大学学士学位论文 10 算放大器构成的仪表放大器的设计 ， 如电源范围宽 (177。 ～ 177。 18V),设计体积小 ， 功耗非常低 (最大供电电流仅 )， 因而适用于低电压、低功耗的应用场合。 AD620 的单片结构和激光晶体调整 ， 允许电路元件紧密匹配和跟踪 ，从而保证电路固有的高性能。 AD620 为三运放集成的仪表放大器结构 ， 为保护增益控制的高精度 ,其输入端的三极管提供简单的差分双极输入 ， 并采用 β 工艺获得更低的输入偏置电流 ， 通过输入级内部运放的反馈 ， 保持输入三极管的集电极 电流恒定 ， 并使输入电压加到外部增益控制电阻 RG上。 AD620 的两个内部增益电阻为 ， 因而增益方程式为： 1/  RGKG (21) 对于所需的增益 ， 则外部控制电阻值为：  KGRG )1/( (22) AD620 具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。 其最大输入偏置电流为 20nA，这一参数反映了它的高输入阻抗。 AD620 在外接电阻 Rg 时，可实现 1~1000 范围内的任意增益；工作电源范围为 177。 ~177。 18V；最大电源电流为 ；最大输入失调电压为 125V；频带宽度为 120kHz（在 G=100 时） [6]。 在本设计中，根据 PSD 原理选用相应的放大电路，且先需要首先应对PSD 输出的光电流进行电流 电压转换，在进行放大，如图 26 所示： A1O P 07A2O P 07A3O P 07A4O P 07A5O P 07Rf20kRf20kR51kR61kR71kR 1 020kR 1 210kR 1 310kR81kR 1 11kC4 U FC5 50 p FC3 50 p FR910k+ 12 vabPSDC O MIXI X 39。 + 12 V+ 12 V+ 12 V+ 12 V + 12 V 12 V 12 V 12 V 12 V 12 V 图 26 常用的 PSD 测量电路及相应的放大电路 哈尔滨理工大学学士学位论文 11 显示电路部分的选择 数据显示是电子秤的一项重要功能 ， 是人机交换的主要组成部分，它可以 将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。 数据显示部分可以有以下两种方案供选择。 的组成有以下两种方案可供选择：一是 LED 数码管显示 ， 二是 LCD 液晶显示两种选择。 LCD 液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表到计算器，从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器。 超量程报警部分选择 智能仪器一般都具有报警和通讯功能，报警主要用于系统运行出错、当测量的数据超过仪表量程或者是超过用户设置的上下限时为提醒用户而设置。 在本系统中，设置报警的目的就是在超出电子秤测量范围时 ，发出报警信号，提示用户，防止损坏仪器。 超限报警电路是由单片机的 I/O 口来控制的，当称重物体重量超过系统设计所允许的重量时，通过程序使单片机的 I/O 值为高电平，从而三极管导通，使蜂鸣器 SPEAKER 发出报警声。 本章小结 本章对电路设计所用元件进行了比较和选型，并主要对控制器部分和数据采集部分进行了进行了分析。 最后决定采用 MSP430F135 单片机，内含 A/D 转换器；数据采集部分运用 PSD 常用的测量电路以及其相应的放大电路。 哈尔滨理工大学学士学位论文 12 第 3章 硬件电路设计 TI 公司 MSP430 单片机简介 MSP430 系列是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在 1996 年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。 MSP430 系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。 强大的处理能力 MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（ RISC）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高 的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125ns。 这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 在运算速度方面， MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 125μs 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT 等） [15]。 MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。 当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6μs。 超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯 片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先， MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 ~ 电压。 因而。