优秀毕业论文]基于单片机的称重仪的设计

优秀毕业论文]基于单片机的称重仪的设计内容摘要：

要求。 P0 口和 P2 口用于 LED 数码管的显示。 用 12Mhz 的晶振，时钟周期为 1 us。 采用按键复位。 其最小系统的外围电路图如图 31 所示：毕业设计（论文）11图 31 单片机最小系统　 电 源 电 路 设 计本时钟电源采用整流滤波电路和三端稳压电路 LM7805 和LM7905。 LM7805CT 芯片输入端电压约为 9V,输出端电压为 5V，LM7905 芯片输入端电压约为9V,输出端电压为5V，输入端和输出端的压差绝对值都应大于 ,否则会失去稳压能力。 同时考虑到功耗问题 ,此压差又不易太大,太大则增加 7805 与 7905 本身的功率消耗,增加芯片的升温,不利于安全。 根据变压器副边电压与经过滤波后输出电压关系可知,副边电压约为177。 9V,据此确定变压器原副边匝数比这样即可得到系统所需要的177。 5V 电源，电源设计图如图 32 所示。 毕业设计（论文）12图32 电源设计图 称重传感器的基 本 工 作 原 理传 感 器 实 际 上 是 一 种 将 质 量 信 号 转 变 为 可 测 量 的 电 信 号 输 出 的 装 置。 用传 感 器 首 先 要 考 虑 传 感 器 所 处 的 实 际 工 作 环 境 ， 这 点 对 正 确 使 用 传 感 器 至 关重 要 ， 它 关 系 到 传 感 器 能 否 正 常 工 作 以 及 它 的 安 全 和 使 用 寿 命 ， 乃 至 整 个 衡器 的 可 靠 性 和 安 全 性。 因 此 传 感 器 外 围 电 路 的 抗 干 扰 能 力 是 数 据 采 集 部 分 电路 设 计 的 关 键 环 节。 称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由式（31）给出： （31）电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相 0 应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。 下面就这三方面简要论述。 （一）电阻应变片电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。 他的一个重要参数是灵敏系数 K。 我们来介绍一下它的意义。 设有一个金属电阻丝，其长度为 L，横截面是半径为 r 的圆形，其面积记作S，其电阻率记作 ρ，这种材料的泊松系数是 μ。 当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为 R：R = ρL/S（Ω） （3—2）当他的两端受 F 力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。 设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少 Δr。 此外，还可用实验证明，毕业设计（论文）13此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作 Δρ。 对式（32）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。 我们有：ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （3—3）用式（32）去除式（33）得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S （3—4）另外，我们知道导线的横截面积 S = πr2，则 Δs = 2πr*Δr，所以ΔS/S = 2Δr/r （3—5）从材料力学我们知道Δr/r = μΔL/L （3—6）其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。 μ 是表示材料横向效应泊松系数。 把式（3—5）式（3—6）代入式（34） ，有ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L） ）*ΔL/L= K *ΔL/L （3—7）其中K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L） （3—8）式 37 说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。 需要说明的是：灵敏度系数 K 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的 K 值一般在— 之间；其次 K 值是一个无因次量，即它没有量纲。 在材料力学中 ΔL/L 称作为应变，记作 ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便。 常常把它的百万分之一作为单位，记作 με。 这样，式（3—7）常写作：ΔR/R = Kε (3—9)(二) 弹性体弹性体是一个有特殊形状的结构件。 它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区） ，使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号的转换任务。 （三）检测电路　　检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。 因为惠斯登毕业设计（论文）14电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。 因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。 前 级 放 大 器 电 路 设 计称重传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。 我们已考虑可以采用第三种方案。 所采用的专用仪表放大器我们选用 INA126，其接口如图33所示：图 33 INA126 接口电路 A/D 转换器电路设计考 虑 到 本 系 统 中 对 物 体 重 量 的 测 量 和 使 用 的 场 合 ， 精 度 要 挺 苛 刻 ， 转 换速 率 要 求 不 太 ， 本 设 计 采 用 MAXIM 推出的 MAX18。 A/D 转换器的原理图如图 34 所示：毕业设计（论文）15CPSSADC取 样 保 持 电 路ADC的量 化 编 码 电 路... DDDn110Iv163。 168。 t163。 169。 vI163。 168。 t163。 169。 输 入 模 拟 电 压 取 样 展 宽 信 号数 字 量 输 出 （ n位 ）图 34 A/D 转换原理图在 A/D 转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号代码是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间（亦即时间坐标轴上的一些规定点上）对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的数字量。 因此，一般的 A/D 转换过程是通过取样、保持、量化和编码这四个步骤完成的。 （一）取样定理可以证明，为了正确无误地用取样信号 vS表示模拟信号 vI，必须满足： max2iSf式中 fS取样频率， fimax为输入信号 vI的最高频率分量的频率。 其中对输入模拟信号的采样的图如图 35 所示，所用滤波器的频率特性的图如图 36 所示。 在满足取样定理的条件下，可以用一个低通滤波器将信号 vS还原为 vI，这个低通滤波器的电压传输系数 在低于 fimax的范围内应保持不变，而在)(fAfS－ fimax以前应迅速下降为零。 因此，取样定理规定了 A/D 转换的频率下限。 毕业设计（论文）16tIvovoSt oA163。 168。 f163。 169。 fimaxf imaxffs图 35 对输入模拟信号的采样 图 36 所用滤波器的频率特性因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。 可见，进行 A/D 转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的 vI值。 （二）量化和编码我们知道，数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上的变化也不是连续的。 这就是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。 因此，在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。 所规定的最小数量单位叫做量化单位，用 Δ 表示。 显然，数字信号最低有效位中的 1 表示的数量大小，就等于 Δ。 把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。 这个二进制代码就是 A/D转换的输出信号。 既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被 Δ 整除，因而不可避免的会引入误差，我们把这种误差称为量化误差。 在把模拟信号划分为不同的量化等级时，用不同的划分方法可以得到不同的量化误差。 假定需要把 0～+1V 的模拟电压信号转换成 3 位二进制代码，这时便可以取 Δ=（1/8）V，并规定凡数值在 0～（1/8）V 之间的模拟电压都当作 0Δ看待，用二进制的 000 表示；凡数值在（1/8）V～（2/8）V 之间的模拟电压都当作 1Δ 看待，用二进制的 001 表示，……等等。 不难看出，最大的量化误差可达 Δ，即（1/8）V。 毕业设计（论文）1700000101001110010111011100000101001110010111011101/82/83/84/85/86/87/81V 166。 164。 166。 164。 166。 164。 166。 164。 166。 164。 166。 164。 166。 164。 166。 164。 01234567 ========(7/8)V6/85/84/83/82/81/801V13/1511/159/157/155/153/151/150166。 164。 166。 164。 166。 164。 166。 164。 166。 164。 166。 164。 166。 164。 166。 164。 01234567 ========(14/15)V12/1510/158/156/154/152/150模 拟 电 平 二 进 制 代 码 代 表 的 模 拟 电 平 模 拟 电 平 二 进 制 代 码 代 表 的 模 拟 电 平163。 168。 a163。 169。 163。 168。 b163。 169。 图 37 划分量化电平的两种方法为了减少量化误差，通常采用图 37（b）所示的划分方法，取量化单位Δ=（2/15）V，并将 000 代码所对应的模拟电压规定为 0～（1/15）V，即0～Δ/2。 这时，最大量化误差将减少为为 Δ/2=（1/15）V。 这个道理不难理解，因为现在把每个二进制代码所代表的模拟电压值规定为它所对应的模拟电压范围的中点，所以最大的量化误差自然就缩小为 Δ/2 了。 （三） 取样—保持电路1. 电路组成及工作原理N 沟道 MOS 管 T 作为取样开关用。 RRifIvLvTACh vo图 38 取样—保持电路的基本形式如图 38 所示上的取样保持电路中，当控制信号 vL为高电平时，T 导通，输入信号 vI经电阻 Ri和 T 向电容 Ch充电。 若取 Ri=Rf，则充电结束后vO=－ vI=vC。 当控制信号返回低电平，T 截止。 由于 Ch无放电回路，所以 vO的数值被保存下来。 毕业设计（论文）18 A/D 转换器外围电路 MAXIM 推出的MAX187方便之处在于它包括了数据采集系统所必须的所有部件—— 的A/D 转换器(逐次比较式)、T/ H (采样保持)、内置 参考电压源,以串行方式输出；8 脚DIP封装或16 脚SO 封装,节约印刷板空间，引脚功能图如图39 所示；177。 1/2 LSB的误码率(MAX187A )；内置采样保持电路, 数据采样速度为75kbps ；单+ 5V 电源供电，等待方式静态工作电流2μA ,；串行接口, 兼容SPI、QSPI、Microwave。 几乎不需任何外围器件就能构成一个完整的高速数据采集系统。 图39 MAX187引脚功能图MAX187 使用采样/保持器（T/H）和逐次逼近寄存器（SAR）电路将一个模拟输入信号转换成 12 位的数字输出。 其输入信号在 0V~ Vref 之间，转换时间包括 T/H 的采样时间在内为 10us。 串行接口只需 3 根数字线：SCLK,CS 和DOUT，与微处理器接口非常简单，它的外围引脚接线图如图 310 所示。 毕业设计（论文）19图 310 MAX187 外围引脚接线图MAX187 有两种工作方式：正常方式和暂停方式。 将 SHDN 引脚拉成低电平，器件处于暂停状态，电源电流减低至 10uA 属于低功耗状态。 引脚悬空时，禁止内部参考电源，允许使用外部电源；接高电平时，允许使用内部的参考电源。 当CS 变为低电平时, 开始转换, 此时,DOUT输出为低电平。 包括T/ H 时间的转换时间为10μs , 转换结束, DOUT变为高电平, 当检测到DOU T 为高电平时, 即可读出转换数据。 在SCL K 输入一个。