電子稱(chēng)研制技術(shù)A_20121024

1、, ,高精度電子稱(chēng)控制儀研制技術(shù)方案擬 制 人：林紀(jì)漢審 核：批 準(zhǔn)：擬制單位：武漢人天 1目目 錄錄高精度電子稱(chēng)控制儀高精度電子稱(chēng)控制儀.0 0研制技術(shù)方案研制技術(shù)方案.0 0研制技術(shù)方案研制技術(shù)方案.2 21 1概述概述 .2 22 2任務(wù)來(lái)源任務(wù)來(lái)源 .2 23 3主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo) .2 23.1技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo).24 4技術(shù)方案技術(shù)方案 .2 24.1整體框圖整體框圖.24.2設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案.34.2.1MCU 設(shè)計(jì).34.2.2ADC 的選擇.44.2.3采樣電路設(shè)計(jì) .54.2.4外圍接口設(shè)計(jì) .64.2.5電源設(shè)計(jì) .74.2.6輸入輸出口 .74.2.7軟件概要說(shuō)明

2、.84.3 結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)方案.85 5原材料成本原材料成本.9 96 6所需的儀器儀表和工具所需的儀器儀表和工具.10107 7計(jì)劃計(jì)劃.10102研制技術(shù)方案1摘要本產(chǎn)品主要完成對(duì)從重量傳感器采樣來(lái)的信號(hào)，進(jìn)行濾波、放大、采樣，并將采樣的數(shù)據(jù)通過(guò) RS232 口或 RS485 口傳送給 PLC，通過(guò) PLC 發(fā)送命令對(duì)電子稱(chēng)進(jìn)行控制。其主要功能就是完成對(duì)物品的稱(chēng)重，并通過(guò)本儀器 I/O 口完成對(duì)物料的控制，并將結(jié)果顯示出來(lái)。2關(guān)鍵詞電子稈 RS232 PLC ADC3任務(wù)來(lái)源任務(wù)來(lái)源為人天包裝技術(shù)有限公司研究所。4主要技術(shù)指標(biāo)4.1技術(shù)指標(biāo)精度：0.1%采樣速度100Hz輸入電壓：220V1

3、0% 50Hz通信接口：RS232預(yù) 留：RS485工作溫度：-1040最大濕度：90%R.H功耗： 20W傳感器電源：DC12V380mA輸入阻抗：10M傳感器靈敏度： 2mV/V輸入范圍：0.227mV(傳感器 2mV/V 時(shí))非線(xiàn)性：0.01%F.S增益飄移：10PPM/最高顯示精度：1/30000顯示器：觸摸屏。輸入口：4 個(gè)輸出口：4 個(gè)地址碼開(kāi)關(guān)：6 位5技術(shù)方案5.1整體框圖3C8051F120晶體22.1184MHz保險(xiǎn)管、開(kāi)關(guān)濾波電源插座高精度電子稱(chēng)控制儀方框圖重量傳感器7針Con2信號(hào)激勵(lì)12V激勵(lì)0V信號(hào)屏蔽地AD8221信號(hào)信號(hào)AD7732SCLKMISOMOSIV0-

4、AD780BR基準(zhǔn)電壓5VMAX3232RS2323針Con43針Con5MAX3072RS485DIROGNDT1inR1outGNDTXDRXDGNDABGNDCS1晶體2.4576MHz橋式整流濾波電路9V78055V12V12V變壓器7VLNGNDEMI平滑5V3VEMIAGNDVref-D+D-/DRDY10針Con6TDOTMSTDITCKTRST7V21V21V平滑781212VV0+5VAMS11173.3V濾波3.3V上電復(fù)位電路SYS_RSTMR5VC8051F120為同一MCU3.3V光電隔離2TLP521P4口驅(qū)動(dòng)8C1008OUT光電隔離2TLP521P5口驅(qū)動(dòng)8C1

5、00816Con4光電隔離2TLP521IN光電隔離2TLP521IN16Con5保護(hù)及LED顯示電路OUTP6口P7口3.3VI/O部部分分方方框框圖圖圖 1：整機(jī)框圖45.2設(shè)計(jì)方案5.2.1 MCU 設(shè)計(jì)MCU 是產(chǎn)品的核心，本產(chǎn)品選擇的是 C8051F120，其主要特征有：工作溫度：-40+85；JTAG 口 根據(jù)以上特征能夠滿(mǎn)足采樣、RS232、 RS485 的通信、鍵盤(pán)的譯碼和七段數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。選擇 22.1184MHz 的外部晶體作為時(shí)鐘源，經(jīng)內(nèi)部 4 倍頻后產(chǎn)生 88.4736MHz 的主頻，這樣大大提高了 MCU 的處理能力，運(yùn)用 JTAG 口對(duì)其調(diào)試、仿真及目標(biāo)代碼的寫(xiě)入。

6、5.2.2 ADC 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)采用 AD7732 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，AD7732 是一款高精度、高吞吐量模擬前端，可實(shí)現(xiàn)真 16 位峰峰值分辨率，及 500 s 總轉(zhuǎn)換時(shí)間（2 kHz 通道切換），非常適合高分辨率多路復(fù)用應(yīng)用。AD7732 采用 - 架構(gòu)，具有最高 24 位無(wú)失碼性能。用戶(hù)可通過(guò)簡(jiǎn)易數(shù)字接口對(duì)該器件進(jìn)行配置，從而平衡噪聲性能與數(shù)據(jù)吞吐量，實(shí)現(xiàn)最高 12.3 kHz 的轉(zhuǎn)換速率。該模擬前端具有兩個(gè)全差分輸入通道，采用 5 V 單模擬電源供電時(shí)，可接受最高10 V 的單極性或真雙極性輸入范圍。AD7732 擁有超量程和欠量程檢測(cè)功能，在不降低鄰近通道性能的同時(shí)，可接受最高16.5

7、V 過(guò)壓模擬輸入。差分基準(zhǔn)電壓輸入具有“無(wú)基準(zhǔn)電壓”檢測(cè)功能。AD7732 包含自校準(zhǔn)和按通道進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)。數(shù)字串行接口可配置用于三線(xiàn)式操作，并且與微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器兼容。所有接口輸入均為施密特觸發(fā)式。其轉(zhuǎn)換時(shí)間及輸出速率見(jiàn)表 15表 1：ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間表5.2.3 濾波放大電路的設(shè)計(jì)濾波電路主要采用是 LC 低通濾波器，放大部分采用的是儀表放大器，這里選擇的是 AD 公司生產(chǎn)的 AD8221，其放大位數(shù)可達(dá) 1000 倍，即可達(dá) 60dB,其典型應(yīng)用電路如圖 2。圖 2：AD8221 典型應(yīng)用電路為了減少紋波的干擾，給傳感器單獨(dú)提供一路 12V 的線(xiàn)性電源，將2mV24mV 傳感

8、器橋式輸出的信號(hào)，分別送放大器的 IN+和 IN-，通過(guò)濾波和調(diào)節(jié) AD8221 放大倍數(shù)，將信號(hào)放大，將此信號(hào)再經(jīng) AD7732 的預(yù)采樣判斷后，調(diào)整 AD7732 的內(nèi)部 PGA 將信號(hào)放大至 2.5V 左右的較高的信號(hào)電壓來(lái)進(jìn)行采樣，這樣可以提高其信噪比，也就提高 AD7732 的有效位數(shù)，以到達(dá) 0.01%的精度要求。另外，對(duì)參考電壓也嚴(yán)格采用基準(zhǔn)電壓芯片，選擇 AD 公司生產(chǎn)的AD780AR，此芯片其在 10Hz10KHz 的范圍內(nèi)，輸出噪聲最大只有，精度達(dá)1mV 其輸出電壓為 2.5V or 3V，可用 5V 的線(xiàn)性電源供電。設(shè)計(jì)中還采取的抗干擾措施包括對(duì)模擬電源和模擬地采用 12

9、06/100 的磁珠來(lái)抑制高頻信號(hào)的干擾，信號(hào)的連接采用屏蔽電纜，保證信號(hào)不受干擾，在 PCB 板布線(xiàn)時(shí)在信號(hào)的兩邊都走一根地線(xiàn)將信號(hào)線(xiàn)夾在中間，以減少信號(hào)之間的串?dāng)_。在布模擬地時(shí)、共地點(diǎn)選擇在 AD7732 上，以星形方式進(jìn)行連接，這樣可保證 AD 模擬地的穩(wěn)定可靠，整個(gè)印制板用一個(gè)屏蔽罩進(jìn)行屏蔽，以減少外來(lái)的強(qiáng)信號(hào)的影響。65.2.4 外圍接口設(shè)計(jì)通過(guò) MAX3232 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換完成 RS232 的通信，通過(guò) MAX3072 完成 RS485 的電平轉(zhuǎn)換，兩接口均能與 PLC 的進(jìn)行通信，這一功能在 PLC實(shí)驗(yàn)板中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。 JTAG 口采用 C8051F120 已具備的標(biāo)準(zhǔn) JTAG

10、口作為仿真調(diào)試。選擇一個(gè)三八譯碼器產(chǎn)生片選信號(hào)。選用 HD7279A 完成鍵盤(pán)譯碼及七段顯示器的驅(qū)動(dòng)，典型電路如下：圖 3：HD7279A 典型應(yīng)用5.2.5 電源設(shè)計(jì)由于精度要求很高，這就對(duì)電源的紋波提出了很高的要求，而開(kāi)關(guān)電源的紋波都在 100mV 左右，按 100dB 的 PSRR 計(jì)算，其影響有 1V 的誤差，不能滿(mǎn)足 0.5V 輸入靈敏度的要求，所以本設(shè)計(jì)采用線(xiàn)性電源，其紋波能控制在10mV 以下，按 100dB 的 PSRR 算只 0.1V 的誤差，可以滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)。電源設(shè)計(jì)為三路輸出分別為12V，5V 和3.3V。另外，采用基準(zhǔn)電壓芯片AD780 其輸出誤差為 0.2%5.2.6

11、 輸入輸出口借用原 PLC 實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)，在此不再論述。75.2.7 軟件概要說(shuō)明開(kāi)始時(shí)鐘、定時(shí)器Uart,IO口初始化ADC采樣處理RS232通信處理RS485通信處理I/O處理模塊顯示器處理模塊鍵盤(pán)處理模塊圖 4：軟件概要說(shuō)明5.3結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)采用外購(gòu)鋁型材盒進(jìn)行再加工方式來(lái)完成，并將顯示器部分與主機(jī)部分的連接做成即可分離安裝也可整體安裝的方式。85.3.1 人機(jī)界面6原材料成本型號(hào)及規(guī)格數(shù)量（個(gè)）單價(jià)（元）總價(jià)（元）C8051F120157.0057.00TLP281812.0096.00MAX323217.007.00MAX3072120.0020.001206LED400.520.0

12、0C1008160.58.00P6KE160.812.874HC14D11.01.022.1184MHz(晶體)11.001.002.4576 MHz(晶體)11.001.00AD7732130.0030.00Ad8221130.0030.0074ALVC4245110.0010.00AD780BR115.0015.00HD7279A110.0010.00七段數(shù)碼管81.008.00撥碼開(kāi)關(guān)15.005.00電解電容818.00AMS111711.001.007805122.007812122.009電源1100.00100.00接插件若干100.00100.00外殼結(jié)構(gòu)1120.00120.00主板 PCB150.0050.00按鍵板 PCB110.0010.00其它分立元件若干20.0020.00合合 計(jì)計(jì)731.87