傳感器手提秤課程設(shè)計(jì)

傳感器手提秤課程設(shè)計(jì)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-CompanyOnel

傳感器課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式要求電信08-4班姓名姜萍學(xué)號08061104061，課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目的（1） 培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神。（2） 鞏固所學(xué)的專業(yè)技術(shù)知識，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識與生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析和解決工程技術(shù)問題的能力，培養(yǎng)初步的獨(dú)立設(shè)計(jì)能力；（3） 通過課程設(shè)計(jì)實(shí)踐，使學(xué)生掌握各類傳感器的基本原理、主要性能及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；能合理地選擇和使用傳感器；掌握常用傳感器的工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法；了解傳感器的發(fā)展動向。同時使學(xué)生初步掌握檢測技術(shù)的各種檢測手段和獲取信息的各種分析方法和應(yīng)用方法。培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、研制和應(yīng)用自動檢測系統(tǒng)和裝置的基本能力。2,課程設(shè)計(jì)的教學(xué)要求加強(qiáng)學(xué)生基本功訓(xùn)練，做到理論與實(shí)際相結(jié)合，繼承與創(chuàng)新相結(jié)合，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性與教師因材施教、嚴(yán)格要求相結(jié)合，抓智力因素教育與非智力因素教育相結(jié)合，教書育人。（1） 要有勤于思考、刻苦鉆研的學(xué)習(xí)精神和嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、有錯必改、精益求精的工作態(tài)度。要敢于創(chuàng)新，勇于實(shí)踐，注意培養(yǎng)創(chuàng)新意識和工程意識。（2） 廣泛查閱相關(guān)資料，獨(dú)立、認(rèn)真設(shè)計(jì)，對有抄襲他人設(shè)計(jì)圖紙（論文）或找他人代畫設(shè)計(jì)圖紙、代做論文等行為的弄虛作假者一律按不及格記成績，并根據(jù)學(xué)校有關(guān)規(guī)定予以處理。（3） 掌握課程的基本理論和基本知識，概念清楚，設(shè)計(jì)計(jì)算正確，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，軟件程序運(yùn)行良好，繪圖符合標(biāo)準(zhǔn)，說明書（論文）撰寫規(guī)范，內(nèi)容敘述準(zhǔn)確，字跡工整，條理清晰，畫圖符合標(biāo)準(zhǔn)。答辯中回答問題正確。（4） 針對設(shè)計(jì)重點(diǎn)進(jìn)行論述與說明，如為何選擇、如何選擇、重點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算、如何進(jìn)一步改進(jìn)等。特別要突出自己的新認(rèn)識、新體會、新觀點(diǎn)。文中符號、圖、表要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)變片制作的便攜式電子手提稱L總體設(shè)計(jì)方案

本課程設(shè)計(jì)的電子秤以單片機(jī)為主要部件，利用全橋測量原理，通過對電路輸出電壓和標(biāo)準(zhǔn)重量的線性關(guān)系，建立具體的數(shù)學(xué)模型，將電壓量綱（V）改為重量綱（g）即成為一臺原始電子秤。其中測量電路中最主要的元器件就是電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器是傳感器中應(yīng)用最多的一種，本設(shè)計(jì)采用全橋測量電路，使系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差更小，輸出的數(shù)據(jù)更精確。而三運(yùn)放大電路的作用就是把傳感器輸出的微弱的模擬信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求。ADC0809A/D轉(zhuǎn)換的作用是把模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后把數(shù)字信號輸送到顯示電路中去，最后由顯示電路顯示出測量結(jié)果?；竟ぷ髟砜驁D如下：傳感器—、—

三運(yùn)ADC0809A/D轉(zhuǎn)80318155LED傳感器—、—

三運(yùn)ADC0809A/D轉(zhuǎn)80318155LED曰二sa顯示器放大器圖1-1基本工作原理框圖電路方框圖如下：圖1-2電路方框圖2,硬件的設(shè)計(jì)2.1,傳感器的選擇

2.1.1,電阻應(yīng)變式傳感器的組成以及原理電阻應(yīng)變式傳感器是將被測量的力，通過它產(chǎn)生的金屬彈性變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的元件。由電阻應(yīng)變片和測量線路兩部分組成。常用的電阻應(yīng)變片有兩種：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，本設(shè)計(jì)中采用的是電阻絲應(yīng)變片，為獲得高電阻值，電阻絲排成網(wǎng)狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導(dǎo)線，線柵上面粘有覆蓋層，起保護(hù)作用。電阻應(yīng)變片也會有誤差，產(chǎn)生的因素很多，所以測量時我們一定要注意，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：電阻絲溫度系數(shù)引起的。電阻絲與被測元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。對于因溫度變化對橋接零點(diǎn)和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動補(bǔ)償片，并從外部對它加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點(diǎn)。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，通過線性補(bǔ)償，也可得到改善。滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用?！?lt;=t■<=t圖2-1應(yīng)變式傳感器安裝示意圖全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1=R2=R3=R4，其變化值四1二四2二四3二四4時，其橋路輸出電壓Uout=KEs。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。2」.2,電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路電阻應(yīng)變式傳感器工作原理電阻應(yīng)變式壓力計(jì)是電測試壓力計(jì)中最常用的一種。它是將應(yīng)變電阻片（金屬絲、箔式或半導(dǎo)體應(yīng)變片）粘貼在測量壓力的彈性元件表面上，當(dāng)被測壓力變化時，彈性元件內(nèi)部應(yīng)力變形，這個變形應(yīng)力使應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變形，根據(jù)所測電阻變化的大小來測量未知壓力。應(yīng)變式壓力計(jì)是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)的原理即電阻絲在外力的作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值發(fā)生變化。設(shè)有一根電阻死，其電阻率為P，長度為z,截面積為S,在未受力時的電阻值為公式一R=公式一R=PI圖2-2金屬絲伸長后幾何尺寸變化如圖二所示，電阻絲在拉力F作用下，長度I增加，截面S減少，電阻率P也相應(yīng)變化，將引起電阻變化^R,其值為ARM AS ^p 八~_—= +— 公'式——R I S p對于半徑r為的電阻絲，截面面積S=兀,2,則有*s=2Arr。令電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)?=睥，徑向應(yīng)變?yōu)锳rr=-MN..；l）=-^,e由材料力學(xué)可知，為電阻絲材料的泊松系數(shù)，經(jīng)整理可得竺=（1+2四治+住——公式三R P通常把單位應(yīng)電所引起的電阻相對變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)，其表達(dá)式為K=ARR=（1+2目）+AP-P----公式四e e從公式四可以明顯看出，電阻絲靈敏系數(shù)K由兩部分組成：受力后由材料的幾何尺寸受力引起（1+2日）；由材料電阻率變化引起的（App）e一1。對于金屬絲材料，（Ap.；p）e_1項(xiàng)的值比（1+2日）小很多，可以忽略，故K=1+2r。大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即為常數(shù)。通常金屬絲的=1.7~3.6。公式四可寫成=Ke 公式五R2.2，傳感器選擇金屬電阻應(yīng)變片常見的電阻應(yīng)變片有兩種：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，本設(shè)計(jì)采用的是電阻絲應(yīng)變片。金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲式和箔式。為獲得高電阻值，電阻絲排成網(wǎng)狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導(dǎo)線，線柵上面粘有覆蓋層，起保護(hù)作用。電阻應(yīng)變片也會有誤差，產(chǎn)生的因素很多，所以測量時我們一定要注意，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：電阻絲溫度系數(shù)引起的。電阻絲與被測元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。對于因溫度變化對橋接零點(diǎn)和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動補(bǔ)償片，并從外部對它加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點(diǎn)。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，通過線性補(bǔ)償，也可得到改善。滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。k::-./Vk::-./V土'm性如圖2-3傳感器安裝示意圖圖三為傳感器安裝示意圖。應(yīng)變片將被測試件的應(yīng)變B轉(zhuǎn)換成電阻的相對變化AR/R,還須進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號才能用電測儀表進(jìn)行測量。通過電橋電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。通過它轉(zhuǎn)換被測部位受力狀態(tài)變化、電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。①、對單臂電橋輸出電壓U01=EKe/4；②不同受力方向的兩只應(yīng)變片介入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當(dāng)應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時，其橋路輸出電壓U02=EKe/2；③全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，?dāng)應(yīng)變片初始值：R1=R2=R3=R4，其變化值A(chǔ)RI=AR2=AR3=AR4時，其橋路輸出電壓U03=KEso其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。因此，此設(shè)計(jì)選擇了全橋測量電路。溢,測量電路介紹常規(guī)的電阻應(yīng)變片K值很小，約為2,機(jī)械應(yīng)變度約為0.000001—0.001,所以，電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍為0.0005—0.1歐姆。所以測量電路應(yīng)當(dāng)能精確測量出很小的電阻變化，在電阻應(yīng)變傳感器中做常用的是橋式測量電路。橋式測量電路有四個電阻，其中任何一個都可以是電阻應(yīng)變片電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓U，另一個對角線為輸出電壓Uo。其特點(diǎn)是：當(dāng)四個橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計(jì)來測量，所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。測量電路是電子秤設(shè)計(jì)電路中是一個重要的環(huán)節(jié)，我們在制作的過程中應(yīng)盡量選擇好元件，調(diào)整好測量的范圍的精確度，以避免減小測量數(shù)據(jù)的誤差。圖2-4全橋測量電橋圖它由電阻應(yīng)變片電阻R1、R2、R3、R4組成測量電橋，R1=R2=R3=R4=350Q，加熱絲阻值為50Q左右，測量電橋的電源由穩(wěn)壓電源Uin供給。將差動放大器調(diào)零，合上電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位RW1,使數(shù)顯表顯示0.00V。將10只標(biāo)準(zhǔn)砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器RW3（增益即滿量程調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.200V（2V檔測量）或-0.200V。拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器RW4（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.0000V。重復(fù)2、3步驟的標(biāo)定過程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量綱g，就可以稱重。成為一臺原始的電子秤。2-4，三運(yùn)放大電路本次課程設(shè)計(jì)中，需要一個放大電路，我們將采用三運(yùn)放大電路，主要的元件就是三運(yùn)放大器。在許多需要用A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機(jī)系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。通過改變放大電路的增益，從而達(dá)到轉(zhuǎn)換量程的目的。由于被測物體的重量相差較大，根據(jù)不同的側(cè)重范圍要求，需對量程進(jìn)行切換。圖2-5三運(yùn)放大電路結(jié)構(gòu)圖2.5,ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)：ZZ34567591D1111314圖2-6ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由上圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。2.5.2,引腳結(jié)構(gòu)：Z7N252423ZZ1201918171615衛(wèi)■□ABcE765dor-2電緊Z密FIN0-IN7：8條模擬量輸入通道ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0-5V,若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A,B,C三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A,B和C為地址輸入線，用于選通IN0-IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。B1 A、 i在擇的通道00IN001IN110IN211IN300IN401IN510IN611IN7數(shù)字量輸出及控制線：11條ST為轉(zhuǎn)換啟動信號：當(dāng)ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE二1,輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE二0,輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7-D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線：因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ,VREF(+),VREF(-)為參考電壓輸入。2.5.3,ADC0809應(yīng)用說明：ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與8031直接相連。初始化時，使ST和OE信號全為低電平。送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A,B,C端口上。在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。2.6,LED顯示電路設(shè)計(jì)LED顯示器結(jié)構(gòu)與原理LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是七段LED。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地。當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；共陽極LED顯示塊的發(fā)光二極管陽極并接。LED顯示器與顯示方式在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用LED顯示塊構(gòu)成N位LED顯示器。N位LED顯示器有N根位選線和8*N根段選線。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮，暗。LED顯示器有靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示兩種方式。我們使用的為動態(tài)顯示LED動態(tài)顯示方式。在多位LED顯示時，為了簡化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個8位I/O口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽極點(diǎn)分別由響應(yīng)的I/O口線控圖2-7LED顯示電路圖3,總體電路圖設(shè)計(jì)4,軟件的設(shè)計(jì);ADC0809通道IN0地址7FF8H;8155PA口地址7F01H;PB口地址7F02HFLAGBIT7FHORG0000HAJMPMAINORG0013HAJMPINT1MAIN:SETBIT1SETBEASETBEX1LCALLAD_SORTLCALLBCD_SORTLCALLDISLEDLCALLDELAY_LOAJMPMAINAD_SORT:MOVR0,#60HSETRFLAGMOVXDPTR,#7FF8HMOVX@DPTR,AWAIT:JBFLAG,WAITRETINT1:MOVXA,@DPTRMOV@R0,ACLRFLAGRET1DLSLED:MOVR3,#01HMOVA,R3LOOP:MOVDPTR,#7F01HMOVX@DPTR,AINCDPTRMOVA,@R0ADDA,#0DHMOVCA,@A+PCDIR1:MOVX@DPTR,ALCALLTIM2INCR0JBACC.1,LOOP1RLAMOVR3,AAJMPLOOPLOOP1:RETTIM2:MOVR7,#04HDLT1:MOVR6,#FFHDLT2:DJNZR6,DLT2DJNZR7,DLT1RETBCD_SORT:MOVA,@R0RLAMOVB,#10HDIVABMOV@R0,BINCR0MOV@R0,ARETDELAY_LO:PUSH0PUSH1PUSH2MOV0,#01H;DELAY_LO2:MOV2,#0B2H;DJN