毕业设计-基于STC89C52单片机的电子称重仪设计.doc

毕业设计(论 文) 基于单片机的电子称重仪 系 别自动化工程系 专 业测控技术与仪器 班级学号5060718 姓 名伯禹佳 指导教师王军伟 2010 年 6 月 15 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 i 页 基于单片机的电子称重仪 摘 要 电子称重仪在商业贸易中的使用已相当普遍，但是存在较大的局限性：体积大， 成本高，需要交流电源供电、携带不便、应用场所受到限制。因此，本文旨在设计一 种测量准确、价格低廉、携带方便、应用广泛的电子称重仪。 本文介绍了电子称重技术采用的基本原理，设计了以stc89c52单片机为主要控制 核心的电阻应变式电子称重仪。该电子称重仪根据电阻的应变效应原理将电阻所受应 变通过电桥电路转换为电压信号，采用lm324运算放大器和tlc2543模数转换芯片， 可以实现对称重传感器输出信号的放大和ad转换处理，采用矩阵键盘进行对电子称重 仪的控制和相关数据的修改，使用at24c02串行eeprom进行各单价的存储，还利用 了12864液晶显示，对物体重量的进行实时显示，使用户界面友好，方便控制读取。 实际研究结果表明，该系统具有性价比高、体积小、携带方便、使用简易和性能 稳定等优点。 关键词：电子称重仪，单片机， lm324， stc89c52，tlc2543 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 ii 页 based on scm electron weighing apparatus author: bo yujia tutor: wang junwei abstract electron weighing apparatus in the use of trade has quite common, but there is the existence of limitations: large size, high cost, needing ac power supply, inconvenience and application of place limited. therefore, this paper aims to design a electronic weighing apparatus, which is measurement accuracy, low cost, easy to carry and widely used. this paper introduces the basic principle of weighing technology and designs a resistance strain type electronic weighing apparatus, in which the stc89c52 microcontroller is as the core to control. the electron weighing apparatus converts resistance strain to voltage signal through the bridge circuit according to the principle of the resistance strain effects, adopts lm324 amplifier and tlc2543 analog-to-digital conversion chip to realize the output signal of weighing transducer of amplifier and ad transform processing, uses matrix keyboard for electronic weighing device control and related data changes and at24c02 serial eeprom memory for each unit, and also apply 12864 liquid crystal display (lcd) to achieve the real-time display of the weight of object, and to make the user interface friendly and observation and control easy. practical results indicate that the system has more advantages such as high ratio, small volume, convenient to carry, use simple and stable performance, etc. keywords: electron weighing apparatus, scm, lm324, stc89c52, tlc2543 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 iii 页 目 录 1 绪论 .1 1.1 课题称重技术的现状及发展状况 1 1.2 当前称重技术的原理方法和特点 1 1.2.1 电磁式 1 1.2.2 压电式 2 1.2.3 振弦式 3 1.2.4 电容式 4 1.2.5 电阻应变式 4 2 系统方案及工作原理 .7 2.1 方案论证与比较 7 2.2 系统组成及基本工作原理 8 3 系统硬件设计 10 3.1 主控电路部分设计 .10 3.1.1 单片机的选用与基本特性 .10 3.1.2 单片机管脚分配 .10 3.2 电源部分设计 .11 3.2.1 独立电源供电 .11 3.2.2 运放所用正负压的产生 .13 3.3 称重传感器部分设计 .14 3.3.1 传感器特性 .14 3.3.2 传感器内部结构原理 .16 3.4 信号放大部分设计 .17 3.4.1 lm324 基本特性17 3.4.2 放大工作原理 .18 3.5 ad 转换部分设计 19 3.5.1 tlc2543 基本特性19 3.5.2 基本工作过程 .22 3.6 显示部分设计 .24 3.7 键盘控制部分设计 .29 3.8 存储部分设计 .30 3.8.1 at24c02 基本特性30 3.8.2 at24c02 与单片机连接35 4 系统软件设计 37 4.1 系统主程序 .37 4.2 ad 转换程序 38 4.3 液晶显示程序 .38 4.4 键盘控制程序 .38 4.4.1 44 矩阵键盘扫描的实现.38 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 iv 页 4.4.2 矩阵键盘控制功能的实现 .39 4.5 串行存储程序 .40 5 调试与分析 41 5.1 调试系统简介41 5.2 调试故障及原因分析41 结 论 .42 致 谢 .43 参考文献 .44 附 录 .46 附录 a 英文文献 .46 附录 b 对照翻译 .49 附录 c 系统电路图 .51 附录 d 系统源程序 .52 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页 1 绪论 1.1 课题称重技术的现状及发展状况 电子称重技术是现代称重计量和控制系统工程的重要基础之一。自50年代中期电 子技术渗入到衡器的辅助测量装置，60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过 多年的不断改进与完善，电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字 化智能型。由于它具有称量准确、快速，读数方便，环境适应性强，便于与电子计算 机结合而实现称重计量与过程控制自动化等特点，在工商贸易、能源交通、冶金矿山、 轻工食品、医药卫生、航空航天等部门得到了广泛的应用。 近年来，随着计算机和称重传感器技术的迅速发展，现代科学技术的相互渗透， 电子称重技术及应用又有了新发展。称重技术从静态称重向动态称重发展，计量方法 从模拟测量向数字测量发展，测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快 速称重和动态称重的研究与应用，已为世界各国所关注。可以说电子称重技术的发展 水平，已成为衡量一个国家科学技术水平和工业发达程度的重要标志之一。 各工业发达国家长期以来, 都把电子称重技术的研究及应用提高到电子称重设备制 造工程的高度来认识。称重计量的内涵不断扩展，由狭义到广义，由单项到系统，新 型的现代称重计量概念已脱颖而出，一跃成为当代世界瞩目的技术与行业。尽管 80 年 代以来，我国衡器行业打破了部门和地区的界限，取得了较好的成绩，但电子称重技 术的研究与应用，电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，行 业的总体水平还跟不上国家经济的发展步伐。 1.2 当前称重技术的原理方法和特点 目前，各种不同物理原理在电子称重系统中获得了应用。称重传感器也有多种形 式，大致有电磁式、压电式、振弦式、电容式、电阻应变式等。 1.2.1 电磁式 电磁式称重传感器的机械传感器部分是一个杠杆结构，多用于电子天平。当电磁 式称重传感器为上电时（空载），杠杆是不平衡的。上电后，由于pid调节网络的作用， 杠杆恢复到平衡状态，此时磁缸线圈中有初始电流，当加载重物时，通过调节加力线 圈中的电流的大小，使得杠杆再次平衡，这样根据加力线圈中的电流和力矩平衡，便 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页 可测得重物的质量。可见，加载重物的重量与加力线圈中电流的大小成正比，确定空 载时的电流，即可测得重物的重量，进而确定待测物的质量。图1.1为电磁式传感器结 构图。 图1.1 电磁式称重传感器结构图 电磁式称重传感器主要特点如下： （1）速度快。约5 8秒即可稳定。 （2）精度高。目前最高精度可达0.lg。 （3）重复性好。 （4）可偏心测重，而且也很准。 电磁式传感器广泛地应用于国防、科研、工厂、实验室。不仅能作常规的测试， 还可以在一些特殊的场合做物质质量的测定，如：在流水线上作检测仪、对放射性物 质的称量、在钟表元件厂对钟表元件进行程量及计数、作粮食水分检测仪等。 1.2.2 压电式 压电式称重传感器是利用石英晶体的纵向压力效应将重量信号转换成电信号的装 置。传感器中的石英晶体敏感元件测量的是应力，是它产生的电荷对于应力的平均值， 也就是说石英晶体具有把敏感元件（石英圆片）整个表面上的载荷进行积分的能力。 内部结构如图1.2。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页 图1.2 压电式称重传感器结构图 压电式称重传感器特点如下： （1）石英晶体没有热电效应，即使是温度瞬变也不会引起信号漂移，而且灵敏度 温度系数非常小，约为0.02%c，因此不必采取特殊手段补偿温度的影响。 （2）压电式传感器的量程范围广，测量范围达10的几次方，一个称重传感器即可 完成全程测量。 （3）灵敏度高，测量值可到上百吨载荷，又能分辨出小至几公斤的动态力。 （4）刚度大，固有频率高（几十千赫以上），动态响应快。 （5）时间老化率低，无热释电现象，工作可靠性高，寿命长。 （6）石英晶体的居里点高（573c），对温度的灵敏性低，灵敏度变化极小，长 期稳定性好。 （7）石英晶体具有较好的线性，在一般情况下无滞后，组装成称重传感器其动态 测量的综合误差优于1%。 （8）结构紧凑，体积小，高度低，重量轻，可用多个石英晶体片组装大型称重传 感器。 （9）用多分量称重传感器进行称重计量时，抗交叉干扰能力强，交叉干扰达到 800hz时，测量误差仍然低于10%，交叉干扰到400hz时，测量误差小于2%以内。 （10）使用温度范围广，通常为200 200c。 （11）不能在长时间内进行静态测量。 以石英晶体为敏感元件的称重传感器多用于测量动态量，应用于公路车辆轴载超 载预判，桥梁超载报警，隧道保护和车辆轴载计量等。 1.2.3 振弦式 振弦式传感器主要用于实验室的电子称和其他小称以及在工业上的台秤和皮带电 子称重。振弦是在两个永久磁铁的气隙内，每根振弦都与使振弦按固有频率振荡的电 子振荡回路相连。用参考质量对两根振弦预加负荷，当未知负荷通过角度为e的弦线施 加于负荷连接点d时，左弦将受到增强的张力作用。从而增大了该弦的固有频率，反之 右弦由于张力减弱将降低其固有频率。左右弦的频率之差正比于所施加的负荷a，传感 器的输出与将频率差变成脉冲串的电子线路相连。通过一个预设定时间的脉冲计数器 对该脉冲采样，即可直接读出重量值。图1.3为振弦式称重传感器称重原理图。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 4 页 图1.3 振弦式称重传感器称重原理图 1.2.4 电容式 电容传感器分为三种：变极距式、变面积式、变介质式。变极距式电容传感器， 在传感器中装有一对平行极板构成的一个平板电容器。图1.4为变极距式电容传感器的 原理图。图中固定极板与传感器基座相固定，动极板1与传感器弹性元性活动端相连。 当在秤盘上施加重物时， 弹性元件活动端带动定极板1向下移动平板电容，两极板之 间的距离6发生变化，从而改变了平板电容器的电容量。通过计算变化的电容量就可以 计算出所称物体的重量。 图1.4 电容式传感器结构原理图 电容传感器具有结构简单，灵敏度高，动态特性好，抗过载能力大，对高温、辐 射、强烈振动等恶劣条件适应性强，价格便宜等一系列优点。因此国内外不少人认为 电容式传感器是未来最有希望的传感器。 1.2.5 电阻应变式 电阻应变式称重传感器之所以能作为质量电量的转换元件，是基于金属丝在受 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页 拉或受压后会发生弹性形变，其电阻值也随之产生相应的变化这一物理特性实现的。 传感器由两个部分组成：一为弹性敏感元件，其作用是将待测量转变为弹性体的应变 值；二为电阻应变片，它作为一种传感元件负责将弹性体的应变值同步转换为电阻值 的变化值。传感器通过上述变化后，必须将其转换成电流或电压值后才能进行测量和 显示。通常采用惠斯通电桥对转换量进行测量。目前电阻应变片式称重传感器的测量 形式主要有悬臂梁式、平行梁式、柱式、s 型式、轮辐式等等，如图1.5。 (a)悬臂梁式 (b)平行梁式 (c)柱式 (d)s型式 (e)轮辐式 图1.5 电阻应变片式称重传感器的测量形式 电阻应变式称重传感器具有如下特点： （1）稳定性、线性度好； （2）具有较高的分辨率； （3）可以进行绝对测量和静态称重，特别是非常适用于精确称重； （4）具有较长的疲劳寿命，一般这一指标可达106。 电阻应变式称重传感器的固有缺点是： （1）在动态称重中受到较多限制，不适合动态称重； （2）刚度偏小，固有频率低； 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页 （3）适用温度范围小，一般为10 60c； （4）容易受温度的影响，需要进行零点和灵敏度温度补偿。 近年来，随着经济的持续发展，人民生活水平的不断提高，电阻应变式称重传感 器已开始从工业电子衡器领域发展到商业和家用电子衡器领域，广泛应用于商业、轻 工、食品、邮电等部门，已经成为应用较多、较广泛的传感器形式。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页 2 系统方案及工作原理 2.1 方案论证与比较 方案一：利用 at89s52 作为主控制芯片；显示部分采用八段数码管；电阻应变式 称重传感器采用双孔平衡梁式，惠斯通电桥结构；信号放大部分采用集成放大器芯片 lm324；ad 转换部分采用 8 通道 8 位模数转换芯片 adc0809；存储部分采用 eeprom 串行存储方式的 at24c02 芯片；键盘操作部分采用 44 矩阵键盘；电源部 分采用独立电源。结构如图 2.1。 图 2.1 方案一原理框图 此方案不足的地方有：该电子称重仪要求能显示类别、单价、重量和总金额，用 的数码管很多，就需要外加至少两片 max7219，占用单片机较多的 i/o 口，由于该电 子称重仪是用独立电源供电，需要功耗消耗少，数码管数量多会增加能量的消耗； adc0809 是 8 位分辨率的 ad 转换芯片，若设定的承重上限为 10kg，10000/25540， 即最小精度 40g，误差太大，满足不了要求，此外 adc0809 是逼近式并行转换结构， 占用单片机过多的 i/o 口，需要外加锁存器，增加了芯片的数量，也增加了能量的消 耗。 方案二：采用 stc89c52 作为主控芯片；显示部分采用 12864lcd 液晶显示；称 重传感器采用双孔平衡梁式，电阻应变式；惠斯通电桥输出信号利用 lm324 组成差动 放大电路进行放大；ad 转换部分采用 11 通道 12 位分辨率的模数转换芯片 tlc2543；存储部分采用 at24c02；键盘操作采用 44 矩阵键盘；电源为独立电源。 组成如图 2.2 所示。 此方案较方案二优点有：stc89c52 单片机完全兼容 at89s52，国产芯片，价格 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页 便宜，低功耗，稳定可靠；12864lcd 液晶显示可显示汉字，能够提供友好客户界面， 控 图 2.2 方案二原理框图 制管脚少，占用单片机 i/o 口少，此外，可以选择液晶背光开或关，能够根据周围环 境光线的情况不同来节省电源能量；ad 转换部分的 tlc2543 能进行 12 位高精度模数 转换，称重上限 10kg，10000/40962.44，即最小精度 2.44g，基本满足要求，且数据 输入输出采用串行通讯，占用单片机 i/o 口少。 鉴于上述内容，本设计采用方案二。 2.2 系统组成及基本工作原理 图 2.3 系统组成框图 系统框图如图 2.3 所示。系统由独立电源部分、称重传感器部分、信号放大部分、 ad 转换部分、单片机主控部分、显示部分、存储部分和键盘控制部分。独立电源由电 池提供，l7805 保证电压稳定在 5v，给整个系统器件供电。称重传感器的电桥电路由 正压供电，系统正压通过 max232 产生正负压，给运算放大器 lm324 供电，保证工 作。当有物体放在托盘内，由于电阻应变片形变产生电压的变化，称重传感器输出电 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页 压信号，微弱信号通过运放的放大，使之转变成 0 5v 信号，再由 tlc2543 转换成单 片机识别的数字信号。单片机对 ad 部分采集的信号进行处理，通过 12864lcd 实时 地显示在液晶屏上。通过矩阵键盘可以对物品单价进行修改，并存储在 at24c02 串行 eeprom 内。此外，系统开启时，可以根据物品情况通过矩阵键盘选择相应的价格， 根据相应的按键，单片机从 at24c02 内读出相应的数据。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页 3 系统硬件设计 3.1 主控电路部分设计 3.1.1 单片机的选用与基本特性 主控部分采用宏晶科技公司的 stc89c52rc 单片机，stc89c52rc 单片机是宏晶 科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统的 8051 单片机。 stc89c52 单片机有如下特点： （1）增强型 12 时钟/机器周期 8051 cpu （2）工作电压：3.4v 5.5v （3）工作频率范围：0 80mhz （4）用户应用程序空间 8k 字节 rom （5）片上集成 512 字节 ram （6）通用 i/o（32 个） ，复位后为：p0、p1、p2、p3 是准双向口、弱上拉，p0 口 是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 i/o 口用时，需加上拉电阻 （7）isp（在线系统可编程） 、iap（在线应用可编程） ，无需专用编程器、仿真器， 可通过串口（p3.0、p3.1）直接下载程序，8k 程序 3 秒即可完成一片 （8）具有 eeprom 功能 （9）内有真正的看门狗，可放心省去外部看门狗 （10）外部晶振 20m 以下时，可省外部复位电路 （11）共 3 个 16 位定时器/计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用 （12）外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发中断，power down 模式可由外部 中断低电平触发中断方式唤醒 （13）通用异步串口（uart） ，还可用定时器软件实现多个 uart （14）工作温度范围：商业级 0 +75c、工业级 40 +85c （15）内部 flash 擦写次数为 100,000 次以上，stc89c52rc 系列单片机加密性强 3.1.2 单片机管脚分配 系统采用最小系统模式，如图 3.1 所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页 图 3.1 单片机最小系统连接图 （1）p0 口作为 12864lcd 显示的数据口，主要向液晶内部写指令和需要显示的 数据，由于 p0 口是开漏方式输出，单片机内部没有上拉电阻，所以，需要外接上拉电 阻，如图所示，接 10k 的排阻。 （2）p1 口接 44 矩阵键盘，p1.0 p1.3 接横行，p1.4 p1.7 接竖列。 （3）p2 口主要接 a/d 转换芯片 tlc2543 的各个控制管脚，用于将模数转换后的 数字量送到单片机内进行处理。 （4）p3 口主要接 12864lcd 的控制管脚，对显示部分进行控制。 3.2 电源部分设计 3.2.1 独立电源供电 独立电源部分采用 l7805 对电源进行稳压，使其对系统的供电稳定、连续、可靠。 1、l7805 简介 l7805 是三端固定正稳压器，输出 5v 固定的电压，广泛应用于各种电子设备中， 电路使用安全可靠。有 to-220、to-220fp、to-220fm、to-3 和 ddpak 等多种封装 形式。虽然稳压器按固定稳压器设计，但外部接少量元件，即可做成可调稳压器或可 调稳流器使用。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页 2、主要性能 最大输出电流 1.5a 输出电压 5v 内部热过载保护 内部短路、过流保护 输出晶体管安全区保护 工作温度范围65 150 c 运行条件下结点温度55 150 c 3、各部分说明 独立电源部分主要包括外部电源接口部分、稳压部分和系统供电开关显示部分。 如图 3.2。 图 3.2 电源接口图 （1）外部电源接口部分 外部电源接口包括独立电源接口 power 和非独立电源接口 power2 两部分。采 用多种形式供电，方便实用。 power 为独立电源接口，可接各种 5v 以上电池，此设计采用 4 节 1.5v 的 5 号 干电池作为独立电源，为整个系统供电。 power2 为外部电源适配器接口，主要是通过电源适配器将交流电转换成额定电 压值，再通过稳压电路对系统供电。 （2）稳压部分 根据 l7805 的数据手册提供的典型应用电路，输入输出两端接电解电容，主要是 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页 为了稳压，d4 是为了防止电流倒流损坏器件。 （3）系统供电开关显示部分 s1 是系统的电源开关；f1 是熔断丝，当出现短路或是电流过大时，用来保护系统 的各器件；p-led 是电源指示灯，用来指示系统是否工作。 3.2.2 运放所用正负压的产生 为了使运算放大器较好地工作，需要为其提供一对正负工作电压，为解决这一问 题，本系统利用 max232 的串口发送接收管脚来产生正负电压。 1、max232 简介 max232 是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单 5v 电源供电时提供 eia/tia-232-e 电平。每个接收器将 eia/tia-232-e 电平输入转换 为 5v ttl/cmos 电平。这些接收器具有 1.3v 的典型门限值及 0.5v 的典型迟滞，而 且可以接收30v 的输入。每个驱动器将 ttl/cmos 输入电平转换为 eia/tia-232-e 电平。主要应用在 eia/tia-232-e、电池供电系统、终端、调制解调器、计算机等方面。 2、特点 单 5v 电源工作 两个驱动器及两个接收器 30v 输入电平 低电源电流：典型值是 8ma 符合甚至优于 ansi 标准 eia/tia-232-e 及 itu 推荐标准 v.28 esd 保护大于 mil-std-883（方法 3015）标准的 2000v 3、工作温度（自然通风）范围内的极限参数 输入电源电压范围 vcc： 0.3v 至 6v 正输出电源电压范围 vs+： vcc0.3v 至 15v 负输出电源电压范围 vs-： 0.3v 至-15v 输入电压范围 vi：驱动器 0.3v 至 vcc0.3v 接收器 30v 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页 输出电压范围 vo：t1out，t2out vs-0.3v 至 vs+0.3v r1out，r2out 0.3v 至 vcc0.3v 短路持续时间：t1out，t2out 未限制 工作温度（自然通风）范围 ta：max232 0c 至 70c max232i 40c 至 85c 存储温度范围 tstg 65c 至 150c 引线温度，离外壳 1.6mm(1/16 英寸)，10 秒 260c 强度超出所列的极限参数可能导致器件的永久性损坏。这些仅仅是极限参数，并 不意味着在极限参数件下或在任何其它超出推荐工作条件所示参数的情况下器件能有 效地工作。延长在极限参数条件下的工作时间会影响器件的可靠性。 在称重系统中，在管脚 11 上加入+5v 电压，经过反相器从管脚 14 输出负压，在 管脚 10 上加入 0v 电压，经过反相器可从管脚 7 输出正压，经实际测量正负电压值可 以达到8v，电流可达到8ma，基本满足运算放大器所需的工作条件。max232 内部 逻辑如图 3.3 所示。 图 3.3 max232 内部逻辑图 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 15 页 3.3 称重传感器部分设计 3.3.1 传感器特性 称重传感器采用平衡双臂梁应变式传感器，主要由电桥电路产生差压信号。传感 器参数如表 3.1，平衡双臂梁应变式传感器外观如图 3.4 所示。 表表 3.1 传感器参数表传感器参数表 额定载荷10kg 额定输出1.80.2mv/v 综合误差0.02% 输出温度影响0.002%/c 零点温度影响0.002%/c 零点平衡0.02mv/v 输入阻抗4005 输出阻抗3502 绝缘阻抗5000m 安全过载率120% 极限过载率200% 工作温度范围-30 70c 推荐工作电压5 12v(ac or dc) 最大工作电压18v(ac or dc) 重复性、线性、滞后0.02% 温补范围-10 +50c 容许范围-20 +60c 安全过载范围150% 蠕变0.02%/30min 防护等级ip65 - 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 16 页 (a) (b) 图 3.4 平衡双臂梁应变式传感器外观图 3.3.2 传感器内部结构原理 传感器内部结构如图 3.5 所示。 图 3.5 传感器内部结构原理图 电桥接入电阻应变片时，即为应变桥，四个桥臂接入应变片连接成全臂桥。设电 桥各臂电阻均有增量，不平衡输出电压为 0= ( 1+ 1)(4+ 4)(2+ 2)( 3+ 3) (1 + 1+ 2+ 2)( 3+ 3+ 4+ 4) (3.1) 其中，u0为输出信号电压，u 为供电电压，ri为电阻变化值，ri为原电阻值。 等臂电桥 r1 = r2 = r3 = r4 = r，则有 0= (1 2 3+ 4)+ 14 23 (2 + 1+ 2)( 2 + 3+ 4) (3.2) 当 时，略去高阶增量，得 0= 4( 1 1 2 2 3 3 + 4 4) = 4 (1 2 3+ 4) (3.3) 其中，i 为电阻应变。 差动全桥电路中，电桥输出为 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 17 页 0= 4 (1 2 3+ 4) (3.4) 图 3.6 称重传感器接口图 在实际应用中，当应变片承受应变很大时，电阻的相对变化较大，电桥的输出电 压与应变不成正比例关系，就会产生非线性误差，采用差动全桥电路可以消除非线性， 提高输出灵敏度，同时起到了温度补偿的作用。如图 3.6 所示为传感器接口，接口 2 和 接口 3 为电桥差动电压输出端。 3.4 信号放大部分设计 在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大。因 此，传感器的输出是放大器的信号源。然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，他 们随所测物理量的变化而变化，这样，对于放大器而言信号源内阻是变量。设为放 大输出电压，为输入电压，rs 为信号源内阻，ri 为放大器的输入内阻，则有电压放 大倍数的表达式 = + (3.5) 根据表达式(3.5)可知，放大器的放大能力将随信号大小而变。为了保证放大器对不同 幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器的输入电阻 ri rs，ri 愈大，因信 号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。此外，从传感器所获得的信号常为差模小信 号，并含有较大共模部分，其数值又是远大于差模信号。因此，要求放大器具有较强 的抑制共模信号的能力。综上述说，仪表放大器出来具有足够大的放大倍数外，还应 具有高输入电阻和高共模抑制比。 本系统信号放大部分采用 lm324 构成仪表差分放大电路对传感器产生的微弱信号 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 18 页 进行放大，达到 ad 转换芯片能够进行转换的电压范围。 3.4.1 lm324基本特性 1、lm324 简介 lm324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场 合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四运算放大器可以工作在低到 3.0v 或者高到 32v 的电源下，静态电流大致为 mc1741 的静态电流的五分之一（对每 一个放大器而言） 。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部 偏置元件的必要性。输出电压范围也可包含负电压。 2、特点 宽增益带宽：1.3mhz 低供给电流：375a 低补偿电流：20na 低输入补偿电压：5mv max 单电源工作范围：+3v +30v 双电源工作范围：1.5v 15v 输入共模电压范围扩展到地 短路保护输出 真差动输入级 每一封装四个放大器 内部补偿 行业标准引脚输出 在输入端的静电放电钳位增加可靠性而不影响器件的工作 3.4.2 放大工作原理 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 19 页 图 3.7 高阻抗差动放大器原理图 图 3.7 为高阻抗差动放大器原理图，该放大器起到电压放大作用，它是一个由运算 放大器 ic1、ic2 组成的高输入阻抗差动放大电路，传感器的输出电压加在 ic1、ic2 的同相输入端，ic1、ic2 的两个输出端之间的电压送至下一级。前置放大器的电压放 大倍数可通过电位器 r2调整。 设 r1 = r5 ，r3 = r6 ，r4 = r7则 2 1= 2 21+ 2(2 1) (3.6) 即 (2 1)=(1 + 21 2)(2 1) (3.7) 所以输出电压 = 4 3(2 1)= 4 3(1 + 21 2)(2 1) (3.8) 当时，中电流为零，输出电压。可见，电路放大差模信 1= 221= 2= 0 号，抑制共模信号。差模放大倍数数值愈大，共模抑制比愈高。当输入信号中含有共 模噪声时，也将被抑制。 3.5 ad 转换部分设计 ad 部分采用 12 位高精度的 ad 转换芯片 tlc2543，把称重传感器通过放大电路 放大的模拟信号转换成单片机能识别的逻辑数字信号。 3.5.1 tlc2543基本特性 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 20 页 1、tlc2543 简介 tlc2543 是 ti 公司的 12 位串行模数转换器，采用 cmos 技术，使用开关电容逐 次逼近完成 a/d 转换过程。由于是串行输入结构，能节省 51 系列单片机 i/o 管脚资源， 且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。 tlc2543 与外围电路的连线简单，有三个输入端，输入/输出时钟（i/o clock） 、 地址输入（address）和数据输出（data out）和一个 3 态输出端片选（cs） ，这 样就和主处理器的串行口有一个直接的 4 线接口。这些器件可以从主机高速传输数据。 除了高速的转换器和通用的控制能力外， 这些器件有一个片内的 14 通道多路器 可以选择 11 个输入中的任何 1 个或 3 个内部自测试（self-test）电压中的一个。采样 保持是自动的。在转换结束时，转换结束（eoc）输出端变高以指示转换的完成。这 些器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度 以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计可以使在整个温度 范围内有较小的转换误差。 2、特点 12 位分辨率 a/d 转换器 在工作温度范围内 10s 转换时间 11 个模拟输入通道 3 路内置自测试方式 固有的采样与保持 线性误差 1lsb max 转换结束（end-of-conversion，eoc）输出指示 具有单双极性输出 3、管脚说明 tlc2543 管脚说明如表 3.2 所示，管脚图如图 3.8 所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 21 页 图 3.8 tlc2543 管脚图 地址位 在 i/o clock 的前 4 个上升沿将 address 端呈现的下一个转换周期的 4 位模拟 通道选择位（msb 在前）输入地址寄存器。这个地址选择 14 个输入（11 个模拟输入 和 3 个内部测试电压）中的 1 个。 模拟输入和测试方式 11 个模拟输入和 3 个内部测试电压由 14 通道多路器按照输入地址选择。输入多路 器是一种断开先于接通式的多路开关，以减小由通道开关所引入的输入与输出间耦合 的噪声。模拟输入的采样开始于第 4 个 i/o clock 的下降沿，而采样一直持续 6 个 i/o clock 周期。采样一直保持到第 10 个 i/o clock 的下降沿。3 个内部测试输入 端被加到多路器，以与外部模拟输入同样的方式采样和转换。 转换器和模拟输入端 在逐次逼近转换系统中的 cmos 门限检测器通过检测在一系列二进制加权的电容 器上的电荷来决定每一位的值。在转换过程的第一步，通过同时接通 sc 开关和所有的 st 开关对模拟输入采样。这样使得所有电容器充电到输入电压。 表表 3.2 管脚说明管脚说明 名称说明 a0a10 模拟输入端。这 11 个模拟信号输入由内部多路器选择。驱动源的阻抗必须小 于或等于 1k gnd 地。gnd 是内部电路的地回路端。除另有说明外，所有电压测量都相对于 gnd ref-负基准电压端。基准电压的低端（通常为地）被加到 ref- ref+正基准电压端。基准电压的正端（通常为 vcc）被加到 ref+。最大的输入电 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 22 页 压范围取决于加于本端与加于 ref-端的电压差 cs 片选端。在 cs 端的一个由高至低变化将复位内部计数器并控制和使能 data out、address 和 i/o clock。一个由低至高的变化将在一个设置时 间内禁止 address 和 i/o clock data out 用于 a/d 转换结果输出的 3 态串行输出端。data out 在 cs 为高时处于高 阻抗状态，而当 cs 为低时处于激活状态。cs 一旦有效，按照前一次转换结果 的 msb 值将 data out 从高阻抗状态转变成相应的逻辑电平。 i/o clock 的 下一个下降沿将根据 msb 的下一位将 data out 驱动成相应的逻辑电平，剩 下的各位依次移出，而 lsb 在 i/o clock 的第九个下降沿出现。在 i/o clock 的第十下降沿，data out 端被驱动为逻辑低电平，因此多于十个时钟 时串行接口传送的是一些“零” address 串行数据输入端。一个 4 位的串行地址选择下一个即将被转换的所需的模拟 输入或测试电压。串行数据以 msb 为前导并在 i/o clock 的前 4 个上升沿被 移入。在 4 个地址位被读入地址寄存器后，这个输入端对后续的信号无效 i/o clock 输入/输出时钟端。i/o clock 接收串行输入并完成四个功能： 1.在 i/o clock 的前 4 个上升沿，它将 4 个输入地址位键入地址寄存器。在第 4 个上升沿之后多路器地址有效 2.在 i/o clock 的第 4 个下降沿，在选定的多路器输入端上的模拟输入电压开 始向电容器充电并继续到 i/o clock 的第十个下降沿 3.它将前一次转换的数据的其余 9 位移出 data out 端 4.在 i/o clock 的第十个下降沿它将转换的控制信号传送到内部的状态控制器 eoc 转换结束端。在第十个 i/o clock 该输出端从逻辑高电平变为低电平并保持 低直到转换完成及数据准备传输 vcc正电源端 在转换过程的第二步，所有 st 和 sc 开关被断开并且门限检测器开始通过辨认每 个电容器上相对于基准（ref）电压的电荷（电压）来确定每一位的值。在开关系列 中， 10 个电容器分别被检测直到所有 10 位被确认，以后转换过程又重复进行。在辨 认第一个电容上的电压时，门限检测器检查第一个电容（权重=1024） 。这个电容的节 点 1024 被切换到 ref+电压，而在这个多级连接中的所有其它电容器的相同节点被切 换到 ref-。当在总和节点上的电压大于门限检测器的跳变点（近似 1/2vcc）时，位 0 被送入输出寄存器，并且这个 1024 权重的电容器被切换到 ref-。当在总和节点上的 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 23 页 电压小于门限检测器的跳变点时，位 1 被送入寄存器，并且这个 1024 权重的电容器保 持与 ref+的连接参与逐次逼近过程的后面几步。这个过程对 512 权重的电容器、256 权重的电容器以及沿线的其它电容依次检测直到所有位都被确定。对逐次逼近过程的 每一步，初始的电荷在电容器间被重新分配。这个转换过程依靠电荷的重新分配来决 定从 msb 到 lsb 各位。 片选（cs）的工作 cs 的后沿启动所有的工作方式， 并且 cs 能在任何方式下中止一次转换序列。 在一个正在进行的周期中，cs 从高到低的一次跳变在规定的时间内中止该周期，若使 器件返回到初始状态（输出数据寄存器的内容仍保留前次转换的结果） 。必须注意避免 靠近在转换结束时使 cs 变低，因为这样输出数据会受到干扰。 基准电压输入 本器件有两个基准电压输入：ref+和 ref-。这些电压值建立了模拟输入电压的 高端和低端极限以相应地产生满度和零度读数。ref+、ref-以及模拟输入必须不超过 正电源或低于 gnd。当输入信号等于或高于 ref+时，数字输出为满度；当输入信号 等于或低于 ref-时，数字输出为零。 3.5.2 基本工作过程 芯片在不同模式下工作时，所需的时钟模式不同，其时钟时序如图 3.9 和图 3.10 所示。 一开始，片选（cs）为高，i/o clock 和 address 被禁止以及 data out 为 高阻抗状态。当串行接口使 cs 变低开始转换过程，i/o clock 和 address 使能， 并使 data out 端脱离高阻抗状态。然后，串口向 address 端提供 4 位通道地址， 同时 i/o 时钟序列输入 i/o clcok。在这时，串口也从 data out 端接收前一次转换 的结果。i/o clock 端从主串行接口接收一个 10 至 16 个时钟长的输入时钟序列。前 4 个 i/o 时钟用 4 位地址从 address 端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，以后 6 个时钟对模拟输入的采样提供控制时序。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 24 页 图 3.9 使用 cs 时，11 至 16 时钟传送时序图（串行传送短于转换时间） 图 3.10 不使用 cs 时，16 时钟传送时序图（串行传送短于转换时间） 从时序图可以看出，在 tlc2543 的片选（cs）变低时开始转换和数据传送，cpu 将通道选择、数据长度选择、前导选择、单双极性选择的控制信息送入 data input 脚的同时，还从 data out 脚读出 ad 转换的结果。因此本次读出的 ad 转换结果是 上一次操作 tlc2543 所选择的通道对应的数据。通道选择、数据长度选择、前导选择、 单双极性选择这四项的设置数据共 8 位，i/o clock 的前 8 个上升沿将这 8 位的工作 模式设置数据从 data input 输入数据存储器，如果工作在 12 或 16 时钟周期模式， 则后 4 位或 8 位的 data input 数据没意义，可任意给出，这 4 或 8 位时钟只是为了 补齐 12 或 16 个时钟，使 12 位的 ad 转换结果同步输出。使用 16 时钟时，读出 ad 数据为 16 位，因为有效数据只有 10 位，应根据程序屏蔽高或低 4 位。在 i/o clock 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 25 页 上升沿时数据变化。即 i/o clock 低电平时将要写入 data input 的数据准备好， 当 i/o clock 高电平时读出 data out 的数据。当 cs 为高时，i/o clock 和 data input 被禁止，data out 位高阻态，不能操作。 图 3.11 为 tlc2543 与单片机的接口电路图。 图 3.11 tlc2543 接口图 3.6 显示部分设计 显示部分采用大屏幕的液晶屏 12864，用户界面友好，单价、重量、总金额和物品 类别等多项数据值可以很直