傳感器與測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、傳感器與測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程名稱：荷重傳感器及電子稱專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名：陳徑學(xué)號(hào)：13043113完成日期：2016.1.3一， 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展，電子秤在許多商業(yè)活動(dòng)中已成為不可缺少的計(jì)量工具。電子秤作為一個(gè)典型的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，也可歸納為由三大環(huán)節(jié)所組成。如圖 1 所示一次儀表通常指的是傳感器，它是由敏感元件，電路，機(jī)構(gòu)等組成，是利用某些特殊材料對(duì)某些物理量具有一定的敏感，然后轉(zhuǎn)換成電量（電壓， 電流）。 通常來(lái)自一次儀表的電信號(hào)比較弱小，不足以驅(qū)動(dòng)顯示器。為此采用二次儀表對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大；來(lái)自一次儀表的電信號(hào)往往還夾帶外部的干擾信號(hào)，必須把它去除， 一般二次儀表還包

2、括濾波電路用以消除干擾。 傳感器的轉(zhuǎn)換關(guān)系往往并不服從線性關(guān)系，所以有時(shí)還需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)木€性補(bǔ)償處理。故稱二次儀表為測(cè)量與顯示部件。二次儀表的輸出信號(hào)可能是模擬量，也可能是數(shù)字量。三次儀表是采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，所以要求二次儀表的輸出信號(hào)必須是數(shù)字信號(hào)。三次儀表將進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并形成控制量輸出。 作為規(guī)模較小的儀表系統(tǒng)，三次儀表主要是以中央處理器為核心的數(shù)字電路，組成智能化儀表。使整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能與功能大大提高。圖 2 所示的以單片機(jī)為核心部件組成三次儀表，它大大豐富了電子秤功能。各種各樣形式的電子秤的儀表結(jié)構(gòu)都是大同小異的，都必須利用荷重傳感器來(lái)采集重量信號(hào)并變換成相應(yīng)大小的電信號(hào)。 電

3、子秤的二次儀表把來(lái)自荷重傳感器的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大， 濾波。這不僅為了提高靈敏度，更重要的是與下一環(huán)節(jié)的電路進(jìn)行正確匹配。目前大多數(shù)電子秤是數(shù)字顯示方式，所以模擬信號(hào)還必須作模數(shù)轉(zhuǎn)換。有了 A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)碼信號(hào)，就可以進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)度變換、自動(dòng)超載報(bào)警、自動(dòng)數(shù)字顯示。還可以增加人機(jī)對(duì)話鍵盤(pán)、 與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換與通信、輸出模擬或數(shù)字控制信號(hào)等功能。由此大大提高了性能。二， 設(shè)計(jì)過(guò)程1、荷重傳感器電子稱傳感器的選用荷重傳感器的形式有電阻式、電容式、 壓磁式等多種形式。電阻式傳感器又分為金屬絲（箔）式、半導(dǎo)體式，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍。大多數(shù)電子秤的使用場(chǎng)合是極為普通的室內(nèi)外的大氣層環(huán)境，所

4、謂的溫度條件是-10C 55C 。選用金屬箔式應(yīng)變片傳感器作為電子秤的荷重傳感器是最廣泛的應(yīng)用。因?yàn)榻饘俨綉?yīng)變片在這個(gè)溫度范圍內(nèi)具有精度高、穩(wěn)定性好、線性、轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)單，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片盡管也能適用并且也有不少優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高， 體積小，響應(yīng)速度快等。 但是對(duì)溫度的敏感，以前一直是它的缺陷，雖然目前已經(jīng)通過(guò)激光修補(bǔ)工藝解決了溫度補(bǔ)償問(wèn)題， 可是生產(chǎn)成本高成為廣泛使用的阻礙。電容式荷重傳感器也是一種可選對(duì)象，但是需要穩(wěn)定的交流電源作為工作電源，技術(shù)要求高，電路復(fù)雜，適用于安裝空間小，響應(yīng)速度快的場(chǎng)合。 壓磁式荷重傳感器特別適用于環(huán)境溫度較高的場(chǎng)合，但是精度不高， 僅適用于大噸位

5、秤重。選用荷重傳感器的基本要求是：靈敏度高，函數(shù)關(guān)系呈線性，重復(fù)性好，長(zhǎng)期穩(wěn)定。應(yīng)變片傳感器在“傳感器與測(cè)試技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)中已經(jīng)了解了應(yīng)變效應(yīng)。利用應(yīng)變效應(yīng)可以組成荷重傳感器的論述并不多。如圖3 所示，為三種常見(jiàn)的應(yīng)變片荷重傳感器。圖3金屬應(yīng)變片荷重傳感器圖（ a）為圓柱式荷重傳感器，彈性元件為合金鋼材料。圖（ b）為梁式荷重傳感器，彈性元件為彈簧鋼材料。圖（ c）為 S 型剪切式荷重傳感器彈性元件為鋁合金材料。三種結(jié)構(gòu)形式的荷重傳感器均為壓縮式受力，根據(jù)測(cè)重范圍的需要，采用不同的彈性模量的材料。通常荷重傳感器的測(cè)量范圍與分辨率是互相制約的，測(cè)量范圍越大，則分辨率越差。反之，測(cè)量范圍越小，則

6、分辨率越好。測(cè)量橋路一個(gè)成品的金屬箔式應(yīng)變片傳感器，通常在受應(yīng)變的彈性元件表面按對(duì)稱位置粘貼四個(gè)同質(zhì)應(yīng)變片，以便構(gòu)成全臂電橋。如圖4 所示，管式彈性體的貼片位置和測(cè)量電橋。全臂電橋的靈敏度最高，線性好，溫度補(bǔ)償性能也比較好。EyR E0（2-1）測(cè)量電橋的輸出：RFl應(yīng)變與荷重力的關(guān)系：2 rhE（2-2）其中， F 為荷重力， l 為管狀體受力長(zhǎng)度， r 為管狀體半徑， h 為管壁厚度， E 為楊氏模量，這是與彈性體材質(zhì)有關(guān)。為了與不同稱重范圍相匹配，約定不同稱重范圍的最大應(yīng)變量m 保持一致。同一規(guī)格的荷重傳感器當(dāng)然選用相同的彈性體材質(zhì)，只是通過(guò)管狀彈性體管壁厚度h 來(lái)匹配不同稱重范圍。另外

7、，如（2-1 ）式，欲提高輸出信號(hào)，可以提高工作電壓E0。值得注意地是，過(guò)度提高工作電壓E0，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片電阻通過(guò)的電流過(guò)大而自身發(fā)熱引起溫度帶來(lái)的誤差。一般標(biāo)稱的應(yīng)變片電阻為120，約定的工作電壓E0 為 6V 或 12V。測(cè)量電橋的最大輸出電壓為 6mV或 12mV。根據(jù)不同的使用場(chǎng)合，電子秤的秤臺(tái)上可以布置一個(gè)荷重傳感器，也可以布置幾個(gè)荷重傳感器。 低重位的小型電子秤一般只要布置一個(gè)荷重傳感器（如商店15Kg 電子秤），而大噸位平臺(tái)式電子秤考慮到受力強(qiáng)度和平衡的關(guān)系，通常需要由4 個(gè)荷重傳感器來(lái)托起稱重平臺(tái)（如汽車(chē)地磅秤） 。參見(jiàn)圖5 所示。圖 5荷重傳感器的布置2、荷重傳感器電子稱調(diào)理

8、電路的設(shè)計(jì)調(diào)理電路包括信號(hào)放大、信號(hào)濾波、溫度補(bǔ)償、線性化處理、標(biāo)度變換、A/D 和 D/A 變換等。調(diào)理電路指的是完成來(lái)自傳感器的信號(hào)幅值、標(biāo)度、 線性化、 電量性質(zhì)等的調(diào)整來(lái)滿足系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的要求。除了信號(hào)幅值和電量性質(zhì)變換之外，其他均由三次儀表中的單片機(jī)來(lái)完成。電子秤系統(tǒng)所需的調(diào)理電路主要是放大器、濾波器和A/D 轉(zhuǎn)換器。( 一）放大器由于各種傳感器的轉(zhuǎn)換電信號(hào)比較微弱, 需要將信號(hào)濾波, 放大到A/D 轉(zhuǎn)換器可以接受的范圍 . 目前模擬放大器均采用運(yùn)算放大器。不同的使用場(chǎng)合, 運(yùn)算放大器選用的要求也不同。主要可以分成：通用型, 高精度型 , 高輸入阻抗，高速型等。運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)：開(kāi)

9、環(huán)增益，差模輸入輸出阻抗，輸入失調(diào)電壓和電流的溫度系數(shù)，共模抑制比，上升率，帶寬。習(xí)慣選擇： 1若信號(hào)內(nèi)阻較大時(shí)，應(yīng)采用高輸入阻抗的放大器，否則將會(huì)產(chǎn)生信號(hào)傳遞損失。大多數(shù)場(chǎng)合都要求高輸入阻抗的放大器。 2若信號(hào)電壓很小時(shí)，就必須考慮低噪聲，低溫漂，高精度的放大器。1、通用放大器： A741 作為要求一般的場(chǎng)合，使用該運(yùn)算放大器可以勝任。它具有失調(diào)量小，溫漂小，功耗低，輸入阻抗高共模抑制比CMRR高等優(yōu)點(diǎn)。電路引腳參見(jiàn)圖6。圖 6A741 通用運(yùn)算放大器LMX24 （ X=1，2，3）單片四運(yùn)放集成電路。特點(diǎn)：可以單電源雙電源兼用（單電源：3V 30V，雙電源 ±1.5V ±

10、;15V）, 不需要外接補(bǔ)償電路, 且功耗低 , 四運(yùn)放性能較一致等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)使用體會(huì) , 應(yīng)用方便 , 價(jià)格低 , 但精度不夠理想。比較合適做比較器, 電平轉(zhuǎn)換器。 電路引腳參見(jiàn)圖7。圖 7單片四運(yùn)放LMX3242. 高精度集成運(yùn)放:作為傳感器信號(hào)的放大, 尤其信號(hào)低到幾十微伏的信號(hào) A741,LMX24肯定不能使用。則要求選用超低失調(diào), 超低漂移 , 超低噪聲的運(yùn)算放大器。OP07接線圖與 A741 大致一樣。主要技術(shù)指標(biāo) : 輸入失調(diào)電壓 85mV; 失調(diào)電流 0.8nA, 失調(diào)電壓漂移 <0.2 mV，輸入偏置電流 2nA; 差模輸入電阻 31m; 輸出電阻 60 ，共模抑制比C

11、MRR:110dB.ICL7650 這是屬于斬波穩(wěn)零型集成運(yùn)算放大器，利用CMOS工藝，內(nèi)設(shè)200HZ 時(shí)鐘源，在時(shí)鐘節(jié)拍下分時(shí)工作。第一節(jié)拍采集輸入失調(diào)并記憶在補(bǔ)償電容內(nèi)。第二節(jié)拍采集輸入信號(hào)并與失調(diào)電壓相抵消一部分，再進(jìn)行放大。 這樣可做到超低失調(diào)和超低漂移。各方面的技術(shù)指標(biāo)要比OP07更好。它在測(cè)量放大 , 生物醫(yī)學(xué)工程檢測(cè), 微弱信號(hào)放大中應(yīng)用非常廣泛。電路引腳參見(jiàn)圖8。圖 8ICL7650 斬波穩(wěn)零型運(yùn)算放大器電路介紹：CA， CB 為記憶電容 , 將采集輸入失調(diào)記憶在該電容內(nèi), 所以補(bǔ)償精度取決于電容的品質(zhì)( 高品質(zhì) , 小漏電 ) 。為了簡(jiǎn)化電路 , 通常采用內(nèi)部時(shí)鐘, CA，

12、CB的容量取0.1 mF. 采用外部時(shí)鐘時(shí) , 頻率越高 , 電容越小。為了防止輸出電壓超過(guò)一定幅度, 使得放大器阻塞。采用引腳9控制。鉗位要求： R3+R2/R1=100 1000K輸出要求：負(fù)載電阻大于10K ，由于時(shí)鐘節(jié)拍關(guān)系，輸出電壓會(huì)出現(xiàn)200HZ波紋?？梢圆捎玫屯V波電路加以平滑。UsViR1Uo0R1R2UoKoVi ,UsUoR1Uo0KoR1 R2UoKo ( R1R2 )UsR1R2 Us(2 3)R1R2KoR 1R1輸入回路：3. 典型的測(cè)量放大器圖 9測(cè)量放大器典型電路參見(jiàn)圖 9, 采用三運(yùn)放組成一個(gè)測(cè)量放大器，它具有高輸入阻抗，高增益，低噪聲和高共模抑制比 , 適用

13、于電橋放大或儀表放大器。電路分析 ：采用線性疊加原理：輸出電壓：U 0Rf U01(Rf)(1Rf )U02(2 4)RRRfRU 0Rf U 01R f U 02Rf (U 02U01)(2 5)RPRR代入 V1 ， V2：U 0RfRf 1Rf 2)(V2V1 )(2 6)(1RPR上式表明： 輸入阻抗大， 只要 A1，A2 輸入阻抗與運(yùn)放增益對(duì)稱，有利于提高共模抑制比，大大降低溫度漂移。（ V2-V1）可以看作電橋輸出的電位差。AD521， AD522 等是一種將三個(gè)運(yùn)算放大器集成于一塊芯片的測(cè)量放大器，有利于提高性能。（二）濾波器大多數(shù)傳感器的轉(zhuǎn)換電信號(hào)是微弱的，經(jīng)過(guò)儀表系統(tǒng)的放大，

14、處理，傳輸，每個(gè)環(huán)節(jié)都有可能引入電磁干擾， 若干擾信號(hào)過(guò)大， 就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量失敗。 采用濾波器方法可以有效去除干擾信號(hào)，它已經(jīng)被廣泛使用了。濾波器可分為：低通、高通、帶通、帶阻濾波器。濾波器又可分為有源與無(wú)源濾波器。高質(zhì)量的濾波電路，信號(hào)經(jīng)過(guò)該濾波器能夠不衰減甚至增大，而干擾信號(hào)卻被大幅度衰減。濾波器是把有用信號(hào)與無(wú)用信號(hào)按頻率區(qū)分 , 任何一種濾波器都會(huì)有截止頻率，頻率特性可以用 Q值衡量， Q值越高，靈敏度越高，頻率信號(hào)的選擇性越好。有了高質(zhì)量的運(yùn)算放大器組成的濾波器， 其尺寸大大減小， 性能得到明顯提高。 但是在普通的工作環(huán)境里一般仍采用無(wú)源濾波器，尤其是僅設(shè)置低通濾波時(shí)。一階低通濾波器實(shí)

15、例：參見(jiàn)圖 11,圖 10一階無(wú)源、有源低通濾波器（ A）V0 (S)Rf)1H ( s)(1(2 7)Vi (S)R11SRC一階無(wú)源低通濾波器傳遞函數(shù)：（ B）一階有源低通濾波器傳遞函數(shù)：（ RC環(huán)節(jié)在正輸入端）V0 (S)11SCH ( s)1(2 8)Vi (S)R1 SRCSC（ C）一階有源低通濾波器傳遞函數(shù)：（ RC環(huán)節(jié)在負(fù)輸入端）H ( s)V0 (S)Rf1(2 9)Vi (S)R11 SRCU 01R f 1 V2(1R f 1 )V1(2 10)RPRPU 02R f 2 V1(1R f 2 )V2(2 11)RPRP圖 11一階有源低通濾波器的頻率特性( 三)A/D 轉(zhuǎn)

16、換器常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器有兩種形式： 逐次逼近 A/D 轉(zhuǎn)換器； 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器。 另外還有一種商業(yè)用途的是調(diào)寬式 A/D 轉(zhuǎn)換器。逐次逼近 A/D 轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快， 準(zhǔn)確度高， 成本低。目前常用的轉(zhuǎn)換芯片有8 位的 0809/0808 ，0832，12 位的 AD574。逐次逼近A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度取決于轉(zhuǎn)換位數(shù)，而與輸入電壓大小無(wú)關(guān)。1. 逐次逼近 A/D 轉(zhuǎn)換器的基本原理：如圖 12 所示 , 類(lèi)似天平秤測(cè)重一樣， 在未知重物的質(zhì)量之前， 首先把量程之半的砝碼與之比較。產(chǎn)生兩種可能：【 1】砝碼偏輕：則再加上一個(gè)減半的砝碼繼續(xù)比較；【 2】砝碼偏重：則取下盤(pán)上的砝碼

17、，再換一個(gè)減半的砝碼繼續(xù)比較。重復(fù)上述過(guò)程，直到天平秤兩端平衡為止。左盤(pán)上的砝碼總量且為被秤重物的重量。這種“二進(jìn)制搜索”技術(shù)隨著位數(shù)增加，可以達(dá)到最佳近似測(cè)量結(jié)果。 采用電子線路構(gòu)成這樣的“天平秤的秤重流程”來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換。圖 12二進(jìn)制搜索法的天平秤測(cè)重所謂逐次逼近：每一次的砝碼電壓減小，逐步接近實(shí)際被測(cè)量。基本組成： D/A 轉(zhuǎn)換器、比較器、控制邏輯、時(shí)鐘等( 見(jiàn)圖 13) 。工作過(guò)程 :啟動(dòng)脈沖發(fā)生后，控制邏輯先發(fā)出最高位Dn-1=1 送逐次逼近寄存器暫存并供 D/A 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓 Vo。這個(gè)電壓送比較器與輸入電壓進(jìn)行比較。比較結(jié)果產(chǎn)生兩種結(jié)果：【 1】 Vx>=Vo

18、 ：Dn-1=1 保留此位，再送Dn-2=1 進(jìn)行 D/A 比較；【 2】 Vx<Vo ： Dn-1=0, 再送 Dn-2=1 進(jìn)行 D/A 比較；保留或改變某一位的狀態(tài), 均由比較器輸出為信號(hào), 觸發(fā)控制邏輯動(dòng)作.這個(gè)比較過(guò)程是逐位進(jìn)行的 , 直到所有位都比較完畢。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后, 邏輯控制會(huì)發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào), 告訴外部設(shè)備 , 可以讀數(shù)了 .不管轉(zhuǎn)換數(shù)字與實(shí)際值之間偏差多少, 只要最低位一旦確定, 這個(gè)數(shù)字讀數(shù)就確定了.所以轉(zhuǎn)換精度與數(shù)字長(zhǎng)度有關(guān); 轉(zhuǎn)換時(shí)間與數(shù)字長(zhǎng)度有關(guān);設(shè) : 每一位的比較過(guò)程需要時(shí)間t, 若該A/D 轉(zhuǎn)換器位數(shù)為n, 則一次轉(zhuǎn)換周期為:T=nt 。圖 13逐次逼近

19、A/D 轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2. 積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是 : 轉(zhuǎn)換精度高 , 抗干擾能力強(qiáng) , 成本低但轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng) , 不能對(duì)變化較快的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。但仍然被極廣泛的應(yīng)用。（ 1） V-F 變換型 A/D 轉(zhuǎn)換器這種 A/D 是將被采樣的直流電壓的平均值轉(zhuǎn)換成單位時(shí)間的脈沖數(shù), 在采樣期間若摻入交流干擾則通過(guò)平均化而獲得抑制。圖 14 V-F變換型 A/D 轉(zhuǎn)換器框圖工作原理若輸入電壓為正， 經(jīng)積分器運(yùn)算， 輸出為負(fù)向變化。 供比較器與V2 比較。當(dāng) VA<=V2時(shí), 比較器翻轉(zhuǎn) , 使復(fù)原電壓發(fā)生器啟動(dòng) , 輸出負(fù)電壓 VB 幅值大于 VX,經(jīng) D 送輸入 ,

20、 迫使積分器朝正向積分。 最后使積分輸出上升到 V1, 使得比較器再一次翻轉(zhuǎn) . 且關(guān)閉復(fù)原電壓發(fā)生器，由此進(jìn)入第二次循環(huán)。數(shù)學(xué)分析 :輸入 Vx>0, 則積分輸出 :VA1VxdtVx T1T1RC0RCT1VA RC(2 12)V x積分周期： T=T1+T2 ，如果 RC很小 ,VB 足夠大。 T2 很小 , 可以不計(jì)。轉(zhuǎn)換頻率：1V xV xfVA RC(2 13)TRC(V1 V2 )理解：【 1】 VA=V1-V2，在 T1 時(shí)間內(nèi)積分電壓的累計(jì)是上下限電壓的差。【 2】因反向積分輸入電壓VB Vx， RC很小， T2 非常小。圖 15 V-F變換型 A/D 轉(zhuǎn)換器工作波形(

21、2) 定電荷復(fù)原型 V/F 轉(zhuǎn)換器基本結(jié)構(gòu) : 積分器 , 比較器 , 復(fù)位電路。其中復(fù)位電路包括 : 定時(shí)器 , 模擬電子開(kāi)關(guān) , 恒流源。開(kāi)始時(shí) ,S 斷開(kāi) , 積分器僅對(duì)輸入 Vx 積分。?積分輸出 Vo1<=Ek 時(shí) , 比較器負(fù)跳變 , 啟動(dòng)定時(shí)器產(chǎn)生脈寬為 Tk 的負(fù)脈沖。這個(gè)負(fù)脈沖 ?使電子開(kāi)關(guān)閉合。此時(shí) , 恒定電流也參與積分運(yùn)算。 在脈寬為T(mén)k 的負(fù)脈沖期間 , 由于恒電流為負(fù)且幅值大于被測(cè)電流, 故迫使積分輸出作反向運(yùn)算。Tk 后電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi), 積分運(yùn)算又進(jìn)入第二周期。圖 16定電荷復(fù)原型V-F 變換型 A/D 轉(zhuǎn)換器框圖(3) 雙積分 V-T 型 A/D 轉(zhuǎn)換器顧名

22、思義，這種A/D 轉(zhuǎn)換器的一次轉(zhuǎn)換周期需要進(jìn)行兩次積分運(yùn)算。第一次積分： 稱定時(shí)積分。 在約定的時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入電壓 Vx 進(jìn)行反向積分； Vx 越大，則積分輸出幅值也大。圖 17兩次積分運(yùn)算第二次積分：稱定量積分。對(duì)約定的基準(zhǔn)電壓VB 進(jìn)行反向積分，這是繼第一次對(duì)Vx積分后作反向積分，則原積分輸出幅值越大，則本次積分時(shí)間也長(zhǎng)。?第一次積分完成了對(duì)輸入電壓的幅值與極性的判斷。第二次積分完成了輸入電壓轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔： V T。工作原理第一次積分運(yùn)算 : 積分器對(duì)輸入電壓進(jìn)行積分:1T1(2 14)V01V X dtRC 0VX1 T1(2 15)T1VX dt.0令輸入電壓的平均值:代入上式 :VX

23、T1(2 16)V01RC在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)t=T1, 積分輸出正比于輸入電壓的平均值。第二次積分運(yùn)算: 積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行積分:V02VX T11 t(2 17)RCVB dtRC 0若積分過(guò)零 :V02 (t )0.tT2由此 , 第二次積分所需的時(shí)間 :VX T11 tVX T1VBtRCVB dtRCRC0RC 0VXT1(218)T2VB顯然 , 第二次積分所需的時(shí)間 T2 與輸入平均電壓呈正比。 如果轉(zhuǎn)換器的時(shí)間長(zhǎng)短是由計(jì)數(shù)器穩(wěn)頻計(jì)數(shù)來(lái)確定的 , 那么有 :T1N1 .T2N 2ffN2N1 VXN1VXf(2 19)f,.or.N 2VBVB【 1】轉(zhuǎn)換過(guò)程 :預(yù)備階段 : 在外部

24、發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，轉(zhuǎn)換器通過(guò)控制邏輯電路完成如下工作：計(jì)數(shù)器復(fù)位 ; 積分電容電荷釋放; 接通 K1 輸入通道?！?2】采樣階段 :t=t1，開(kāi)始對(duì)輸入電壓進(jìn)行定時(shí)積分，打開(kāi)計(jì)數(shù)器閘門(mén)開(kāi)始計(jì)數(shù)。積分時(shí)間 T1 由計(jì)數(shù)器計(jì)滿溢出為限?！?3】比較階段 : 斷開(kāi) K1 接通 K2 或 K3 的基準(zhǔn)電壓輸入通道，要求積分運(yùn)算朝反方向變化?！?4】結(jié)束階段: 比較積分同時(shí)計(jì)數(shù), 直到積分輸出為零, 計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)N2 代表T2 的大小。工作波形：圖18雙積分A/D 轉(zhuǎn)換器工作波形以型號(hào)為 MC14433的 3 位半雙積分設(shè)采樣時(shí)間 T1 內(nèi)的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)為A/D 轉(zhuǎn)換器為例：2000 ，基準(zhǔn)電壓選200

25、0mV。且有：N2N1 VXVB20002000(mV )VXVX(mV )上式表明計(jì)數(shù)脈沖N2 可以直接表示以mV為單位的模擬輸入電壓。雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：【 1】抗干擾能力強(qiáng)：通常工頻干擾是環(huán)境最大的干擾源，并且會(huì)通過(guò)輸入迭加到真信號(hào)作積分運(yùn)算。令 : 工頻交流干擾電壓竄入輸入端 :VXVX VX其中 : 第一項(xiàng)為真實(shí)信號(hào), 第二項(xiàng)為偽信號(hào) , 即干擾信號(hào)。通過(guò)采樣定時(shí)積分 :1T 1V0(2 20)(t)(VX VX .)dtRC 0其中 : 第一項(xiàng)為真實(shí)信號(hào)的采樣積分, 第二項(xiàng)為偽信號(hào)的積分, 要求通過(guò)積分運(yùn)算消除掉。V0 (t)1 T 11T1VX dtVX dtRC 0R

26、C 0(t )1 T11T1tdtV0RC 0VX dtVm sinRC 0Vm(cosT1 1)0(221)RC要滿足條件 :T12 fT12n,.T1nn( 222)f（n=1,2,3,4 ）?推導(dǎo)結(jié)果說(shuō)明: 采樣時(shí)間 T1 若取工頻的整倍數(shù)時(shí)可以完全消除干擾影響。【 2】轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性好：參見(jiàn)定量積分運(yùn)算關(guān)系 :VxT11RCRCVxT1T2VBtVx T1VB tVB dt00RCRC上式表明 : 經(jīng)過(guò)兩次運(yùn)算 , 結(jié)果于積分常數(shù) RC似乎無(wú)關(guān)。那么只要在短時(shí)間內(nèi)積分電阻與積分電容保持穩(wěn)定 , 對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度不會(huì)帶來(lái)影響。同樣對(duì)時(shí)鐘的穩(wěn)定性要求也不高。3、荷重傳感器電子稱控制系統(tǒng)的選擇在

27、上世紀(jì)九十年代之前, 單片機(jī)技術(shù)尚未普及。電子秤儀表僅發(fā)展到數(shù)字顯示，而自動(dòng)故障診斷、自動(dòng)調(diào)零、數(shù)字濾波、鍵盤(pán)操作、數(shù)字通訊等功能是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。自從INTEL公司推廣 MCS51系列的單片機(jī)技術(shù)， 在國(guó)內(nèi)掀起了一場(chǎng)儀表的革命。 由于單片機(jī)的系統(tǒng)硬件大大濃縮， 體積特別小， 所以特別適用于儀表電路的構(gòu)成， 增強(qiáng)了儀表的功能和提高了儀表的性能。不同規(guī)格的電子秤, 因用途不同 , 對(duì)單片機(jī)執(zhí)行的任務(wù)有一定的區(qū)別。小型商業(yè)電子秤的使用環(huán)境比較好, 電源較穩(wěn)定 , 電磁干擾小。 但是秤量小 , 為了便于移動(dòng), 要求電消耗少。 通常采用液晶、 LED、熒光管作數(shù)字顯示器件。其中液晶顯示耗電少, LED、熒

28、光管作數(shù)字顯示的亮度高 , 耗電也明顯高多了。 液晶顯示顯示的控制比較復(fù)雜, 普通電路難以實(shí)現(xiàn), 所以需要單片機(jī)來(lái)控制。 電子秤需要把貨物的重量和相應(yīng)金額形式顯示給買(mǎi)方。除了需要運(yùn)算外， 還要求能通過(guò)鍵盤(pán)輸入當(dāng)前商品的單價(jià)。沒(méi)有單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)這些功能是十分困難的。大噸位電子秤除了具備小型電子秤的全部功能，還要考慮環(huán)境影響。 如行車(chē)型門(mén)式電子秤中的電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)與制動(dòng)引起供電電源的波動(dòng)、電磁場(chǎng)強(qiáng)度大、風(fēng)力大、 震動(dòng)強(qiáng)烈。 穩(wěn)壓與抗干擾與濾波要求特別高， 有時(shí)還要求隨時(shí)測(cè)量風(fēng)力、 溫度變化等。 另外還有防止超載的保護(hù)功能的設(shè)置等?？偠灾辛藛纹瑱C(jī)就可以通過(guò)程序設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)電路無(wú)法很好解決的問(wèn)題

29、。目前在檢測(cè)顯示儀表中運(yùn)用最多的是 MCS51系列的單片機(jī)型號(hào)為 89C51、 89C52，均為 40 引腳。近幾年來(lái) 20 引腳的 89C2051 單片機(jī)頗受研發(fā)人員歡迎。因?yàn)閷?duì)某些功能較簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)容量較少的儀表，使用 89C2051 單片機(jī)使整體尺寸更小。1、 89C51 單片機(jī)的基本特性89C51 單片機(jī)為40 引腳的大規(guī)模集成電路，如圖所示。它具有3個(gè) 8位 I/O 口，其中P0口為動(dòng)態(tài)性I/O口，通常用于以字節(jié)為單位的外部數(shù)據(jù)傳輸或作為低8 位地址線。因?yàn)镻0口為動(dòng)態(tài)性I/O 口，作為尋址線功能時(shí)必須由地址鎖存線ALE與其配合使用。 P2 口通常作為高 8 位地址線， 與 P0 口組

30、成 16 位地址線， 與外部設(shè)備如程序存儲(chǔ)器、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 P1 口為靜態(tài)雙向 I/O 口，可以進(jìn)行位尋址，使用起來(lái)更靈活。圖 19 89C51 與 89C2051 的引腳圖除了上述的數(shù)據(jù)口和地址線，89C51 還具備高效率的控制端。如RXD， TXD為串行口，可以發(fā)送或接收脈沖序列，進(jìn)行串行傳遞數(shù)據(jù)或通訊。INT0， INT1 為為外部中斷，低電平有效，當(dāng)外部申請(qǐng)中斷時(shí)，單片機(jī)便立刻響應(yīng)所約定的中斷服務(wù)的內(nèi)容。T0， T1 為雙功能端口，關(guān)閉時(shí)作為內(nèi)部程序中的定時(shí)器，開(kāi)放時(shí)作為接收外部事件的計(jì)數(shù)器。WR為數(shù)據(jù)輸出控制信號(hào)， RD為數(shù)據(jù)輸出控制信號(hào)，低電平有效。這8 根

31、控制線也可以組成 P3 口，其功能與 P1 口相同。89C51 單片機(jī)的內(nèi)部資源有限，程序存儲(chǔ)器的容量為4K 字節(jié)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量為128個(gè)字節(jié)。如果存儲(chǔ)不能滿足儀表的需求，可以通過(guò)P0 口、 P2 口進(jìn)行擴(kuò)展，由ALE 和 PSEN控制線配合， 利用外部存儲(chǔ)器可以擴(kuò)展使用范圍大大增加。最大可以獲得64K 字節(jié)程序存儲(chǔ)器和 64K 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。若需要擴(kuò)展時(shí)，EA 應(yīng)處于低電平，長(zhǎng)過(guò)I/O口；若不需要擴(kuò)展時(shí)， EA應(yīng)處于高電平。89C2051 單片機(jī)的基本構(gòu)成如圖所示， 89C2051 單片機(jī)與 89C51 的指令系統(tǒng)完全兼容。 89C2051 單片機(jī)后于 89C51 問(wèn)世，是一種改進(jìn)型單

32、片機(jī)。其特點(diǎn)是芯片減小到原來(lái)的四分之一，特別適合袖珍儀表結(jié)構(gòu)。它不能擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，所以取消了 P0 口、 P2 口。內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器保持不變，程序存儲(chǔ)器的容量為 2K 字節(jié)。顯然，特別適合低成本、單功能的檢測(cè)與控制儀表，例如溫度表、壓力表、小型電子秤、定時(shí)器等。檢測(cè)量、控制量、數(shù)字顯示等涉及到數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采用并行傳輸方式的話，可以利用P1 口；采用串行傳輸方式的話，可以利用RXD，TXD端口。由于引腳少 , 常常采用串行傳輸方式來(lái)傳送數(shù)據(jù)。而P1 口通常可以靈活應(yīng)用與兩種傳輸方式。并且， 89C2051 單片機(jī)的P1 口驅(qū)動(dòng)能力（低電平時(shí)）比89C51 大得多，可以直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管。 8

33、9C2051 只有 P1， P3 口作為 I/O 口，允許對(duì)外傳輸數(shù)據(jù)或輸入輸出控制信號(hào)。如圖 9 所示， P1.5 P1.7 負(fù)責(zé)輸出顯示數(shù)據(jù) ; P1.2 P1.4 負(fù)責(zé)鍵盤(pán)輸入 ;P3.2,P3.3 負(fù)責(zé)校正參數(shù)存儲(chǔ) . 整個(gè)系統(tǒng)由于功能比較簡(jiǎn)單，采用低功能單片機(jī)的性價(jià)比高。圖 9小型電子秤的鍵盤(pán)與顯示器接口根據(jù)設(shè)計(jì)的電子稱耗電少，秤量小， 電源較穩(wěn)定， 使用環(huán)境比較好和89C2051 更加適用于對(duì) LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，我們選用內(nèi)含驅(qū)動(dòng)邏輯電路的LED數(shù)碼管組合顯示器。如圖 8 是顯示器外部引腳圖，可以知道它是一串行信號(hào)傳輸顯示數(shù)據(jù)，有 3 個(gè)引腳， 分別定義為：CLOCK：時(shí)鐘節(jié)

34、拍，它確定了傳輸顯示數(shù)據(jù)的波特率；DATA： 數(shù)據(jù)線，傳輸顯示數(shù)據(jù)脈沖序列；ON/OFF：控制信號(hào)，根據(jù)時(shí)序要求，控制刷新（ON），保持（ OFF），它防止顯示器在線數(shù)據(jù)因受干擾丟失。在顯示器上刷新顯示數(shù)據(jù)時(shí)，控制信號(hào)“ ON/OFF”處于“ OFF”狀態(tài)，鎖存器關(guān)閉，不允許改變數(shù)據(jù)，而輸入的數(shù)據(jù)按“ CLOCK”時(shí)鐘節(jié)拍逐位由“ DATA”線送移位寄存器。由于每次僅刷新一位數(shù)碼管的數(shù)字， 故這種顯示方式仍為動(dòng)態(tài)掃描形式。 單片機(jī)采用定時(shí)中斷服務(wù)程序，進(jìn)行定時(shí)刷新。圖 8電子秤的顯示電路三，電子秤流程及程序圖 10電子秤工作流程每個(gè)系統(tǒng)程序都具有一個(gè)“初始化”程序段，所謂“初始化”就是定義某些

35、特殊寄存器的功能，如定時(shí)器 T0/T1 的含義，中斷字的設(shè)置， 內(nèi)部 RAM的清理和預(yù)設(shè)等，這些工作是依據(jù)系統(tǒng)要求而設(shè)定的。如MAIN:CLR AMOV P1,A；P1口清零。MOV TMOD #51H；T0為定時(shí)器，且自動(dòng)賦初始值。MOV TH0,#0F8H；設(shè)置定時(shí)器初始值。MOV TL0,#0CHMOV R6,#80h；將內(nèi)部 RAM清零，范圍 #20H #7FH。MOV R0,#20hCLR AMMM: MOV R0,AINC R0DJNZ R6,MMMMOV SP,#40HSETB EASETB TR0;CLR 20H；堆棧入口地址為#40。打開(kāi)中斷啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)數(shù)?？刂茦?biāo)志號(hào)預(yù)置。鍵

36、盤(pán)管理程序，單片機(jī)的鍵盤(pán)設(shè)計(jì)可以有兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種是中斷法，即在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)任何時(shí)刻按下其中任一個(gè)按鍵都會(huì)向單片機(jī)提出中斷申請(qǐng)。單片機(jī)立刻響應(yīng)，停止當(dāng)前工作轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。完成人機(jī)對(duì)話后再繼續(xù)原來(lái)的工作。由于中斷方式響應(yīng)及時(shí)、優(yōu)先權(quán)高， 修改或補(bǔ)充任務(wù)不會(huì)破壞整個(gè)程序結(jié)構(gòu)。但是有時(shí)會(huì)帶來(lái)不利的因素，如電子秤處在信號(hào)采集時(shí)一旦中斷，信號(hào)采集數(shù)據(jù)遭到破壞，讀數(shù)發(fā)生明顯錯(cuò)誤。另外為了隨時(shí)接收中斷，外部中斷始終開(kāi)放著，容易受到電磁干擾的影響，導(dǎo)致誤操作。另一種是查詢方式，即在規(guī)定時(shí)刻才主動(dòng)詢問(wèn)外部是否有按鍵按下，如果發(fā)現(xiàn)有按鍵信號(hào)，接下來(lái)根據(jù)按鍵入口位置來(lái)決定進(jìn)行何種管理工作。這種方式受到時(shí)間段限

37、制，靈活性不夠并且程序編制比較困難。但是它能保證數(shù)據(jù)采集的完整性，也能防止電磁干擾的影響。本系統(tǒng)采用的是查詢方式鍵盤(pán)管理。圖 9 所示，電子秤儀表設(shè)有三個(gè)鍵位，分別執(zhí)行零點(diǎn)校正，斜率校正和任務(wù)確定。當(dāng)開(kāi)機(jī)后發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)空載條件下讀數(shù)不為零，就按零點(diǎn)校正鍵會(huì)自動(dòng)復(fù)零。在秤臺(tái)上放入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼，觀察儀表讀數(shù)是否符合砝碼重量，如果存在誤差，就按斜率校正鍵會(huì)自動(dòng)調(diào)整斜率K值來(lái)滿足測(cè)量范圍。任務(wù)確定鍵是切換儀表狀態(tài)，是處在校正還是秤重。中斷服務(wù)程序主要是完成定時(shí)對(duì)顯示器各數(shù)碼位進(jìn)行刷新， 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。 同時(shí)提供了基準(zhǔn)時(shí)間，給出 V/F 轉(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)的采樣閘門(mén)時(shí)間（ 100 毫秒）。如下是一段可以支持上述功能的中斷服務(wù)程序的典型程序。 #30H #33HAM為顯示緩沖區(qū)， #3FH為顯示緩沖區(qū)指針，P1.7為串行數(shù)據(jù)線 ,P1.6 為時(shí)鐘線 ,#6CH 為閘門(mén)時(shí)間計(jì)數(shù)器。 P1.0 P1.3 為數(shù)碼管選通線。TOB:PUSHPSWPUSHACCSETB PSW.3SETB PSW.4CLR P1.6ANL P1,#0F0HMOV A,3FHMOV R0,AMOV A,R0MOV R7,#08HADD A,#1EHMOVC A,A+PCSSS:CLR C