電子稱畢業(yè)設(shè)計論文

1、電子稱設(shè)計課題姓 名： * 學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化班 級： 2011級本科5班 學(xué) 號： * 完 成 日 期： * 目錄第一章 任務(wù)和要求 1.1設(shè)計任務(wù) 1.2設(shè)計要求 第二章 功能分析 2.1控制系統(tǒng)總體框架圖 2.2 各模塊基本原理第三章 硬件設(shè)計 3.1 電路主要結(jié)構(gòu) 3.2 ±12V穩(wěn)壓電路3.3 兩級放大電路3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路3.5 數(shù)字顯示電路第4章 軟件設(shè)計4.1 總程序模塊設(shè)計4.2 A/D電路模塊設(shè)計4.3 拆字程序模塊設(shè)計4.4 顯示電路模塊設(shè)計第5章 安裝與調(diào)試5.1 硬件調(diào)試5.2 軟件調(diào)試 5.3 綜合調(diào)試5.4 故障

2、分析與解決方案5.5 功能測試及結(jié)果分析 第一章 任務(wù)和要求1.1 設(shè)計任務(wù)1利用multisim仿真軟件，確定儀表放大器設(shè)計方案；2進行電路參數(shù)即增益計算，元件數(shù)值選定；3設(shè)計電路原理圖；4在印制電路板焊接電路；5調(diào)試電路板，輸出電壓信號6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(shù)據(jù)。7編寫課程設(shè)計報告。1.2 設(shè)計要求(1) 掌握金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)。(2) 掌握單臂、半橋和全橋電路的工作原理和性能。(3) 電路仿真與參數(shù)確定。利用multisim仿真軟件，確定儀表放大器設(shè)計方案；應(yīng)用運放OP07設(shè)計三運放儀表放大器，確定電路元器件具體參數(shù)； (4) 制作電路

3、板。 儀表放大器增益可調(diào)，放大倍數(shù)為10002000；應(yīng)變電橋和放大電路應(yīng)具有調(diào)零功能。(5) 利用匯編或C51語言編寫正確程序，調(diào)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) 數(shù)據(jù)處理及分析。 利用CSY-V9.1虛擬儀器采集測量電路的輸出電壓至電腦中，確定系統(tǒng)線性度和靈敏度（最小二乘法），要求非線性誤差小于1.50%。(8) 編寫課程設(shè)計報告，完成設(shè)計任務(wù)的期限為一個星期。第二章 功能分析2.1控制系統(tǒng)總體框架圖利用傳感器與檢測技術(shù)實驗室已有的應(yīng)變式稱重臺，將四片應(yīng)變片采用全橋形式接入測量電路，經(jīng)過運放OP07組成的儀

4、表放大器放大，再由串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC549進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機AT89C51，通過同向門7407驅(qū)動四位數(shù)碼管顯示。儀表放大器的輸出需經(jīng)采集卡采集，經(jīng)過CSY9.0虛擬儀器軟件分析，得到較好的線性度和靈敏度后，再送入AD芯片進行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 電子秤系統(tǒng)框圖2.2各模塊基本原理采用應(yīng)變片稱重的基本原理電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)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(yīng)變敏感元件構(gòu)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(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應(yīng)變片是最常用的

5、測力傳感元件。當用應(yīng)變片測試時，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發(fā)生形變，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測量電路，轉(zhuǎn)換成電信號輸出顯示。當具有初始電阻值R的應(yīng)變片粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化R/R。在一定應(yīng)變范圍內(nèi)R/R與的關(guān)系滿足下式：式中，為應(yīng)變片的軸向應(yīng)變。 定義K=(R/R)/為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測試件上的應(yīng)變在其軸向受到單向應(yīng)力時，引起的電阻相對變化R/R與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變之比。 電阻應(yīng)變片計把機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成R/R后，應(yīng)變電阻變化一般都很微小，這樣小的電阻變化既

6、難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變片計的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。通常采用惠斯登電橋電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖2所示，即兩個受拉應(yīng)變，兩個受壓應(yīng)變，將圖2 差動全橋電路兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路。在接入四片應(yīng)變片時，需滿足以下條件：相鄰橋臂應(yīng)變片應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)相反，相對橋臂應(yīng)變片應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)相同。可簡稱為：“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 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

7、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(guān)。本次實訓(xùn)采用全橋電路。電橋供電電源為5V。放大器的工作原理由于傳感器的輸出為微弱的低頻差分信號,其電壓幅度為微伏級，必須經(jīng)過放大電路進行調(diào)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(gòu)成。下面以三運放構(gòu)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）基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

8、大倍數(shù)為當要改變增益時，僅須調(diào)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(diào)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(shè)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的實際有效接入部分的阻值為RP。對U4而言， 、+ 兩端的電位應(yīng)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(shù)（增益）為： 設(shè)電阻阻值分別為R11=10k，R12=10k，0RP10k，則第二級放大電路的理論計算增益為：3）集

9、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(diào)電壓（10V）和偏置電流（0.7nA），它的溫漂系數(shù)為0.5V/，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。AD OP-07的封裝、管腳排列以及基本連接方式如下圖所示，OP07一般不需要調(diào)零，如需調(diào)零，可在1和8管腳之間接一個電位器，阻值可為20k，參見基本接法圖。 圖5 AD OP-07封裝圖 圖6 運算放大器引腳圖通過利用Multisim7仿真軟件，可以得到參考設(shè)計電路。兩級放大

10、電路Multisim7仿真如圖7所示。圖7 兩級放大電路Multisim7仿真2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換的工作原理一般電子秤的A/D轉(zhuǎn)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芯片價格比較貴，考慮到實驗室條件，本次設(shè)計采用8位串行A/D芯片TLC549。TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行 A/D轉(zhuǎn)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(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17微秒。允許的最高轉(zhuǎn)換速率為40000次/秒?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB（最低有效位）。可用于較小信號的采樣。2.2

11、.4 數(shù)碼管顯示的工作原理采用4位共陰數(shù)碼管動態(tài)顯示顯示電壓值。統(tǒng)一采用7407驅(qū)動數(shù)碼管。首先顯示一個數(shù), 然后關(guān)掉，然后顯示第二個數(shù)，又關(guān)掉，那么將看到連續(xù)的數(shù)字顯示,輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約1ms），由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。這就是動態(tài)顯示。第3章 硬件設(shè)計3.1 電路主要結(jié)構(gòu)利用傳感器與檢測技術(shù)實驗室已有的應(yīng)變式稱重臺，將四片應(yīng)變片采用全橋形式接入測量電路，經(jīng)過兩級放大電路放大，再由串行A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換

12、結(jié)果送入單片機89C51，通過7407驅(qū)動四位數(shù)碼管顯示電壓值。接線如圖8所示。圖8 硬件系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)3.2 ±12V穩(wěn)壓電路為確保給OP07供應(yīng)穩(wěn)定的±12V電壓。故設(shè)計±12V穩(wěn)壓電路，如圖9所示。圖9 ±12V穩(wěn)壓電路 3.5 兩級放大電路本設(shè)計采用兩級放大電路，由兩個部分組成。前一部分是采用三個運放構(gòu)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。接線如圖10所示。圖10兩級放大電路 3.6 A/D轉(zhuǎn)換電路一般電子秤的A/D轉(zhuǎn)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芯片價格比較貴，考慮到實驗室條件，本次設(shè)計

13、采用8位串行A/D芯片TLC549。TLC549與89C51接線如圖11所示。圖11 A/D轉(zhuǎn)換電路圖3.5 數(shù)字顯示電路采用4位共陰數(shù)碼管動態(tài)顯示顯示電壓值。統(tǒng)一采用7407驅(qū)動數(shù)碼管。數(shù)碼管、7407與89C51接線如圖12所示。圖12 數(shù)字顯示電路圖第4章 軟件設(shè)計4.1 總程序模塊設(shè)計在總程序中先將系統(tǒng)初始化，然后循環(huán)調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換程序、把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)拆成BCD碼程序和數(shù)碼管顯示程序。程序流程圖如圖13所示。圖13 總程序模塊程序流程圖4.2 A/D電路模塊設(shè)計當為低電平時DATA OUT為高阻狀態(tài)。轉(zhuǎn)換開始之前，必須為低電平，以確保完成轉(zhuǎn)換。89C52產(chǎn)生8個時鐘脈沖，以提供作為

14、549的I/O CLK的引腳輸入。當為低電平時，最先出現(xiàn)在引腳上的信號為轉(zhuǎn)換值的最高位。依次轉(zhuǎn)換8個數(shù)據(jù)，直至8位轉(zhuǎn)換完畢。程序流程圖如圖14所示。圖14 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖4.3 拆字程序模塊設(shè)計拆字程序既把A/D轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BCD碼，流程圖如圖15所示。圖15 拆字程序流程圖4.4 顯示電路模塊設(shè)計在單片機中實際的工作流程如下：先打開P2.0，送個位，然后關(guān)掉P2.0，打開P2.1送十位，再關(guān)掉P2.1，打開P2.2 送百位 , 再關(guān)掉P2.2，打開P2.3 送千位，由于速度足夠快，那么我們將看到4個數(shù)顯示。顯示電路模塊流程圖如圖16所示。圖16 顯示電路模塊流程圖第5章 安裝與調(diào)

15、試5.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試是整個調(diào)試步驟中第一步，硬件電路的正確性，是其它各部分正常工作的先決條件。（1）首先判斷購買的各個元器件本身是否已經(jīng)損壞，按電路原理圖安裝電路，安裝完畢，再則根據(jù)電路原理圖仔細檢查元器件是否有組裝上的錯誤，諸如極性電容、集成塊安裝方向錯誤等。再利用萬用表檢測各個焊點是否存在虛焊等問題，并且按照原理圖一部分一部分的檢測。（2）進行調(diào)試，先硬件調(diào)試然后軟件調(diào)試。R3是電橋的調(diào)零電阻，R17是整個放大電路的調(diào)零電阻，R8，R19調(diào)整運放增益。如果運放兩個輸入端上短接，則輸出端電壓也應(yīng)該等于0V。但事實上，輸出端總有一些電壓，該電壓稱為失調(diào)電壓VOS。如果將輸出端的失調(diào)電壓除

16、以電路的噪聲增益，得到結(jié)果稱為輸入失調(diào)電壓或輸入?yún)⒖际д{(diào)電壓。必須對放大器的兩個輸入端施加差分電壓，以產(chǎn)生0V輸出。調(diào)節(jié)R17的阻值即可將電路調(diào)零。（3）將應(yīng)變電橋接入電路，調(diào)節(jié)R3調(diào)節(jié)電橋平衡，使電橋輸出端電壓為0V；再通過調(diào)節(jié)R17、R8、R19調(diào)節(jié)電路放大增益。使第一級放大倍數(shù)達到，第二級放大倍數(shù)在211倍之間。5.2 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試主要應(yīng)用Keil軟件進行程序的調(diào)試，Keil軟件全面支持匯編語言，C51語言的編譯/連接、調(diào)試。(1) A/D轉(zhuǎn)換程序的調(diào)試 (2) 顯示程序的調(diào)試5.3 綜合調(diào)試在完成了硬件和軟件調(diào)試工作以后，便可進行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試一般采用全速斷點調(diào)試運行方

17、式，在這個階段的主要工作是排除系統(tǒng)中遺留的錯誤以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度。5.4 故障分析與解決方案5.4.1 故障出現(xiàn)情況(1) 數(shù)碼管顯示數(shù)值不穩(wěn)定；(2) 數(shù)碼管顯示數(shù)值為零；5.4.2 解決方案（針對上述故障一一對應(yīng)的解決方案）(1) 在主程序調(diào)用顯示程序之前加了一個循環(huán)，實現(xiàn)循環(huán)調(diào)用顯示程序，便實現(xiàn)了數(shù)值的穩(wěn)定顯示。(2) 一開始顯示數(shù)值始終為零，然后將程序中volt=volt*5.0/255*1000改成volt=1234，編譯下載后可以穩(wěn)定的顯示1234，說明顯示部分的硬件電路和程序沒有問題。再測TLC549的輸入電壓，測出一個負值，由于此處的TLC549的REF+為+5V,RE

18、F-為0，所以TLC549的輸入電壓須為正值。然后調(diào)節(jié)應(yīng)變電橋電阻的位置，便實現(xiàn)了TLC549的輸入電壓為正值，數(shù)碼管便可正常顯示。5.5 功能測試及結(jié)果分析測試電路板，增加砝碼，記錄輸出電壓信號，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(shù)據(jù)。測試結(jié)果分析如圖17所示。圖17測試結(jié)果分析由圖可分析知，靈敏度為105.06，非線性誤差為±0.41%，參照設(shè)計指標：考慮A/D分辨率為20mV，要求靈敏度不低于40mV/20g。系統(tǒng)線性度和靈敏度（最小二乘法），要求非線性誤差小于1.50%。本設(shè)計完全符合設(shè)計指標。 總 結(jié)在本次課程設(shè)計中，我花了大量的時間和精力進

19、行資料查閱和調(diào)試電路板，結(jié)合自己所學(xué)，認真解決每一個功能模塊中遇到的問題。在設(shè)計各個功能模塊之前，我用Protel 99 SE繪圖軟件進行了各個模塊的繪制，并最終繪制成一個總的電路原理圖。但由于缺乏實踐經(jīng)驗，電路中還有些功能不夠完善，有寫參數(shù)不夠精確，而且抗干擾能力也不夠好?？傊?，在這次課程實際中，我學(xué)會了怎樣把自己所學(xué)的書本知識應(yīng)用到實處?？吹阶约涸O(shè)計的功能電路能在仿真軟件中運行、調(diào)試好的電路正確運行，我有了很大的成就感。另外，通過具體的操作，我掌握了各個功能模塊的接口設(shè)計方法，無論是在設(shè)計思想還是在動手能力上都有了很大的提高。參考文獻1 余成波等.傳感器與自動檢測技術(shù)M.高等教育

20、出版社，2004.2 沙占友等.新型專用數(shù)字儀表原理與應(yīng)用M.機械工業(yè)出版社, 2006.3 周航慈等.智能儀器原理與設(shè)計M.北京航空航天大學(xué)出版社, 20054 張立科.8051系列單片機程序設(shè)計M. 人民郵電出版社, 2006.5  張金鐸. 傳感器用其應(yīng)用M. 西安電子科技大學(xué)出版社, 2002.6 沈紅衛(wèi). 基于單片機的智能系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)M. 電子工業(yè)出版社，2005.7 吳金戌. 8051單片機實踐與應(yīng)用M.

21、0;清華大學(xué)出版社, 2003.附錄附錄1：軟件程序#include<reg51.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define datapoint P0#define bitpoint P2uchar code word=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x27,0x7f,0x6f;uchar code bitword=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;sbit SCLK=P12;sbit SDO=P

22、10;sbit CS=P11;uchar BCD4;uint ADSS;uchar ADS20;void delay1s();void delayshort();void display();void TOBCD();void AD();void delay_50us(uint t);void main() uchar p; while(1) AD(); TOBCD(); for(p=0;p<100;p+) display(); void AD() uchar i,j; for(j=0;j<20;j+) CS=1; SCLK=0; _nop_(); _nop_(); CS=0; _

23、nop_(); _nop_(); for(i=0;i<8;i+) SCLK=1; _nop_(); _nop_(); ADSj=ADSj<<1; if(SDO=1) ADSj+; SCLK=0; CS=1; /禁止TLC549,再次啟動A/D轉(zhuǎn)換 delay_50us(2); ADSS=0; for(i=0;i<20;i+) ADSS=ADSS+ADSi; ADSS=ADSS/20;void TOBCD() uint temp;temp=ADSS; temp=temp*5000.0/255; BCD0=temp%10; /最低位 BCD1=temp/10%10; BCD

24、2=temp/100%10; BCD3=temp/1000; /最高位void display() uchar i; bitpoint=0x00; for(i=0;i<4;i+) P0=wordBCDi; P2=bitwordi; delayshort(); void delayshort()uint i,j;for(i=6;i>0;i-)for(j=100;j>0;j-);void delay1s() unsigned char h,i,j,k; for(h=5;h>0;h-) for(i=4;i>0;i-) for(j=116;j>0;j-) for(k

25、=214;k>0;k-);void delay_50us(uint t)uchar j; for(;t>0;t-) for(j=19;j>0;j-) ;附錄2：1）兩級放大電路Multisim7仿真圖2）硬件系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖附錄3：系統(tǒng)測試結(jié)果分析附錄4：元件明細表元件明細表名稱數(shù)量名稱數(shù)量電阻471瓷片電容10481K1103110K220pF2100K3電解電容10uF81M422uF1可變電阻501OP07芯片41K1底座410K1549芯片1100K1底座1排阻300189C51芯片17407芯片1底座4底座14個共陰數(shù)碼管數(shù)碼管1晶振1底座1插孔若干插線若干附錄附錄1

26、：軟件程序#include<reg51.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define datapoint P0#define bitpoint P2uchar code word=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x27,0x7f,0x6f;uchar code bitword=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;sbit SCLK=P12;sbit SDO=P10;sbit CS=P11;uchar BCD4;uint ADSS;uchar ADS20;void delay1s();void delayshort();void display();void TOBCD();void AD();void delay_50us(uint t);void main() uchar p; while(1) AD(); TOBCD(); for(p=0;p<100;p+) display(); void AD() uchar i,j; for(j=0;j<20;j+) CS=1; SCLK=0; _nop_(); _nop_(); CS=0;