微机皮带秤毕业论文.doc

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 引 言 火力发电厂主要采用煤作燃料，在火力发电厂的生产成本中燃料费用约占70%以上，因此煤量的检测是电厂经济管理和成本核算的重要参数，现在各电厂都采用电子皮带秤测量煤量。随着国民经济的发展和企业管理水平的提高，在我国现代物料运输过程中，各种连续输送大宗散状物料的皮带输送机，都广泛采用了皮带秤，以作计量和控制之用，60年代我国由机械滚轮式皮带秤发展到电子式皮带秤。微型计算机是近代重大科技成就之一，它使计算机技术广泛应用于各行各业，是科学技术现代化的重要标志。基于这一科技成果，我国生产皮带秤厂家和科研部门以及使用单位，于1982年就开始对微机应用进行了研究，将其成功运用到了皮带秤系统中，并取得了良好的成果。目前研制成功的各式皮带秤已经过多次校验，准确度均优于0.5%，近年来更将这一精度升级至0.06%，标志着我国微机皮带秤系统发展到一个新的水平。微机的引入是皮带秤系统发展的一大飞跃，其良好的控制性能使其迅速占领了大型工业领域的物料输送市场。本设计正是基于工矿企业中物料输送这一课题，设计了一个用单片机8051进行检测和控制的皮带秤系统。本设计共分为八章，第一章介绍了该微机皮带秤的总体设计；第二章进行了mcs-51系列单片机介绍及其设计；第三章详细介绍了传感器选择及放大整形电路的设计；第四章介绍了硬件电路设计；第五章介绍了模拟信号的采样保持及a/d转换；第六章d/a转换及v/i转换器的设计及选用；第七章系统抗干扰措施及系统软件的设计。由荷重传感器测出的压力信号和速度传感器取得的皮带速度信号一并送入单片机中，两个信号在单片机内按照既定的系统软件和应用软件完成过程测量计算和处理。通过该设计完成了对皮带输送物料流量的实时显示，并可通过输出的控制信号完成对电动阀门的开度控制以调节给料量的大小。 第一章 微机皮带秤的总体设计 电子皮带秤是测量皮带运输量的设备。它由称量框架传感器和显示仪表等组成，可以称出皮带的瞬时输送量，也可以指示皮带上的累计输送量。在我国各行各业得到了广泛的应用。当皮带输送物料时，称量段上的物料重量通过皮带称量托辊载台作用于称重传感器，称重传感器将重量转换成电信号(mv级)，送入运算器，经过放大、滤波、a/d转换变换成数字信号。装在回程皮带上的测速传感器把皮带运行的速度信号转换成脉冲信号，送入运算器。运算器将两路信号进行工程运算，从而得出物料的流量并显示。电子皮带秤的结构形式有很多种，目前现场采用较多的是带微处理器的电子皮带秤。本设计的内容即为一个微机皮带秤系统，它主要由称重传力机构，荷重传感器，测速传感器，放大整形电路，单片机控制系统等几个部分组成。输煤皮带在单位时间内输送的原煤量q为 q = q v (1-1)式中 q单位长度皮带上的原煤质量(kg/m)； v皮带运行速度(m/s)。从式(1-1)可知，只要测量出单位长度上的原煤质量和皮带的运行速度，就可求得单位时间内输送的原煤质量。 微机皮带秤的总体设计框图如图1-1所示。图1-1 总体设计框图通过图1-1可知，本设计检测压力和速度两路模拟信号，具体检测重量信号采用的是电阻应变式压力传感器，其输出信号为毫伏级，故在接入a/d转换器前需要进行放大，该信号通过三运放构成的精密差动放大电路进行放大、滤波后，经lf398采样-保持器接入adc0809进行a/d转换并送入单片机8051。另一路速度信号由电磁式速度传感器检出，经过施密特触发器构成的整形电路变为周期脉冲序列，将该信号接入8051内部的计数器计得每分钟的脉冲个数，即可得转速信号。这两路信号在8051中进行运算并得出物料的瞬时流量信号，通过8255芯片扩展的显示器可完成实时显示。由于实际控制中的需要，所以在8051外部分别扩展了8k的数据存储器与8k的程序存储器，由此构成了8051最小应用系统。该系统还配有一路控制信号的输出端口，即通过d/a转换器输出一路模拟电压控制信号，考虑到电压信号不利于远距离传输并且多数电动阀门的控制信号是电流信号，所以本设计还配有一个v/i转换器以将控制信号转换为标准的420ma电流信号。第二章mcs-51单片机介绍及其设计2.1 mcs系列单片机的应用mcs系列单片机应用范围很广，根据使用情况大致可分为如下四大类：1单片机在智能仪器仪表中的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强等优点，故可广泛应用于各类仪器仪表中引入单片机使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能大大提高。例如，精密数字温度计、智能电度表、智能流速仪、微机多功能ph测试仪等等，本设计正是单片机在智能仪器仪表中的应用。2单片机在工业测控中的应用用单片机可以构成各种工业测控系统、自适应控制系统、数据采集系统等。例如，mcs-51单片机控制电镀生产线、温室人工气候控制、报警系统控制、ibm-pc/xt和单片机组成的二级计算机控制系统等。3单片机在计算机网络与通信技术中的应用mcs系列单片机具有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良好的条件。例如，mcs-51系列单片机控制的串行自动呼叫应答系统、列车无线通信系统和无线遥控系统等。4单片机在日常生活及家电中的应用由于单片机价格低廉、体积小、控制功能强，且内部具有定时/计数器，所以广泛的应用于家电设施，例如电脑缝纫机、心率监护仪、电冰箱控制、彩色电视机控制、洗衣机控制等等。2.2 mcs-51系列单片机概述所谓单片机，即把组成微型计算机的各个功能部件，如中央处理器cpu、随机存储器ram、只读存储器rom、输入/输出接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。因此单片机早期的含义为单片微型计算机（single chip microcomputer），直接译为单片机，并一直沿用至今。mcs-51系列单片机包括基本型、增加内存单元型、低功耗型、a/d型、高级语言型、可编程技术阵列（pca）型、dma型以及多并行口型等几种类型。我们通常所用的是基本型，包括8031、8051、8751等，基本型的典型产品是8051，其基本特性如下：1具有8位的cpu及指令系统；2128字节的片内ram；321个特殊功能寄存器；44个8位并行i/o口；52个16位定时/计数器；6一个全双工串行口；75个中断源，2个中断优先级；84k字节片内rom；9一个片内时钟振荡电路；10片外可扩展64k rom 和64k ram。2.3 mcs-51单片机结构和原理分析2.3.1 mcs-51单片机内部结构 mcs-51的典型产品有：8031、8051、8751。8051内部有4kb rom，8751内部有4kb eprom，8031片内无rom；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。图2-1所示为mcs-51单片机的基本结构，它有 8个部件组成，即中央处理器（cpu）、片内数据处理器（ram）、片内程序存储器（rom/eprom）、输入/输出接口（i/o口，分为p0口、p1口、p2口、p3口）、可编程串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（sfr）。各部分通过内部总线相连，其基本结构依然是通过cpu加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上，却采用了特殊功能寄存器（sfr）的集中控制方法。 图2-1 mcs-51单片机的基本结构单片机内部最核心的部分是cpu，它是单片机的大脑和心脏。cpu的主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传送、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等。图2-2为mcs-51单片机内部结构图。图2-2 mcs-51单片机的内部总体结构框图2.3.2 mcs-51系列单片机引脚功能图2-3为mcs-51系列单片机引脚图及逻辑符号，这些引脚的功能如下：1电源引脚vcc和vssvcc（40脚）：电源端，接+5v。vss（20脚）：接地端。通常vcc 和vss之间应接高频和低频滤波电容。2时钟电路引脚xtal1和xtal2xtal1（19脚）：接外部晶体一端。在片内它是振荡器反相放大器的输入，若采用外部振荡器时该引脚应接地。xtal2（18脚）：接外部晶体的另一端，在片内它是振荡器反相放大器的输出。若采用外部振荡器时，此引脚接收振荡器的信号。3控制信号引脚ale、和rstale/(address latch enable/programming，30脚)：地址锁存允许信号输出端。在存取片外存储器时，用于锁存低8位地址。即使不访问外部设备，ale端仍周期性地以时钟振荡频率的1/6的固定频率向外输出正脉冲信号。ale端可以驱动8个lsttl输入。 图2-3 msc-51系列单片机引脚图此引脚的第二功能是对片内带有4k字节eprom的8751固化程序时，作为编程脉冲输入端。(program store enable，29脚)：程序存储允许输出端。是片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。cpu从外部程序存储器取指令时，在每个机器周期中两次有效。但在访问片外数据存储器时，至少产生两次负脉冲信号。/vpp (enable address/voltage pulse of programming，31脚)：程序存储器地址允许输入端。当为高电平时，cpu执行片内程序存储器指令，但当pc中的值超过0fffh时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当为低电平时，cpu只执行片外程序存储器指令。在8751中，当对片内eprom编程时，该端接21v的编程电压。rst/vpd(9脚)：复位信号输入端。高电平有效，在此输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。此外，该引脚还有掉电保护功能，若在该端接+5v备用电源，一旦在使用中vcc突然消失（掉电），则可以保护片内ram中信息不丢失。复位以后，p0p3口均为高电平，sp指针重新赋值为07h，pc被赋值为0000h。复位后各内部寄存器初态见表2-1。表2-1 mcs-51单片机复位后各内部寄存器的状态最常见的复位电路如图2-4所示。在通电瞬间，由于rc的充电过程，在rst端出现一定宽度的正脉冲，只要该正脉冲保持10ms以上，就能使单片机可靠复位。当采用6mhz时钟时，cr取22f、r1取200、r2取1k便能可靠地上电复位及手动复位。图2-4 上电复位电路4输入/输出口引脚p0、p1、p2和p3p0口（p0.0p0.7，3932脚）：p0口是一个漏极开路的8位准双向i/o口，每位能驱动8个lsttl负载，在访问片外存储器时，它分时作为8位地址线和8位双向数据线。当p0口作为普通输入口使用时，应先向锁存器写“1”。p1口（p1.0p1.7，18脚）：p1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向i/o口。p1口的每一位能驱动4个lsttl负载，p1口作为输入口使用时，应先向锁存器写“1”。p2口（p2.0p2.7，2128脚）：p2口也是一个带内部上拉电阻的8位准双向i/o口。p2口的每一位也能驱动4个lsttl负载。在访问片外存储器时，它作为高8位地址线。p3口（p3.0p3.7，1017脚）：p3口也是一个带内部上拉电阻的8位准双向i/o口，p3口除了作为一般准双向口使用外，每个引脚还有下列特殊功能： p3.0 rxd(串行输入口) p3.1 txd(串行输出口) p3.2 (外部中断0输入口) p3.3 (外部中断1输入口) p3.4 t0(定时器0外部输入口) p3.5 t1(定时器1外部输入口) p3.6 (写选通输出口) p3.7 (读选通输出口)2.3.3 单片机的时序电路1mcs-51内部时钟电路mcs-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是此放大器的输入和输出端。在xtal1和xtal2两端跨接晶体或陶瓷谐振器就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。 (a)振荡电路 (b)外接时钟源图2-5 振荡电路及外接时钟图2-5中(a)图为mcs-51的振荡电路，当外接晶振时，c1和c2值通常选择30pf；在设计印刷电路板时，晶振和电容应尽可能安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定和可靠工作。为了提高温度稳定性，应采用npo电容。c1、c2对频率有微调作用，振荡频率范围是1.2mhz12mhz。2mcs-51外部时钟源的接法mcs-51也可采用外部振荡器，外部振荡器的信号接至xtal2端，即内部时钟发生器的输入端，而内部反相放大器的输入端xtal1端应接地，如图2-5中(b)图所示。由于xtal2端的逻辑电平不是ttl的，故应外接一个上拉电阻。本设计所采用的是内部振荡方式，晶振选择为12mhz，电容c1、c2大小为30pf。2.4 mcs-51单片机内部定时/计数器原理分析mcs-51单片机片内有两个16位的定时/计数器，定时器0(t0)和定时器1(t1)。它们均可用作定时控制、延时以及对外部事件的计数及检测。定时/计数器的结构如图2-6所示。图2-6 定时/计数器结构图(x=0,1)由图可见，定时/计数器的核心是一个加1计数器。16位的定时计数器分别由两个8位的专用寄存器组成，即t0由th0和tl0构成，t1由thl和tl1构成。地址顺序依次是8ah8dh。这些寄存器用来存放定时或计数初值，每个定时器都可以由软件设置成定时工作方式或计数工作方式。这些功能都是由定时器方式寄存器tmod设置，由定时器控制寄存器tcon控制的。当定时器工作在计数方式时，外部输入信号是加到t0(p3.4)或t1(p3.5)端。外部输入信号的下降沿将触发计数，计数器在每个机器周期的s5p2期间采样外部输入信号，若一个周期的采样值为1，下一个周期的采样值为0，则计数器加1，故识别一个从1到0的跳变需2个机器周期，所以对外部输入信号最高的计数速率是晶振频率的1/24。同时外部输入信号的高电平与低电平保持时间均需大于一个机器周期。本设计选取的晶振频率为12mhz，则计数速率不得高于500khz，而从测速传感器出来的信号是0.5v2v，50hz2000hz的正弦波信号，完全可以满足输入条件。当定时/计数器工作在定时方式时，加l计数器每一个机器周期加1，直至计满溢出。一旦定时/计数器被设置成某种工作方式后，它就会按设定的工作方式独立运行。不再占用cpu的操作时间，直到加1计数器计满溢出，才向cpu申请中断。 定时/计数器是一种可编程的部件，在其工作之前必须将控制字写入工作方式和控制寄存器，用以确定工作方式，这个过程称为定时/计数器的初始化，下面具体分析其工作方式。一、工作方式寄存器tmodtmod用于控制t0和t1的工作方式，其各位定义如下：各位功能如下：1m1、m0工作方式控制位，可构成以下4种工作方式：m1 m0 工作方式 说明0 0 0 13位计数器0 1 1 16位计数器1 0 2 可再装入8位计数器1 1 3 t0：分成两个8位计数器 t1：停止计数2c/：计数器工作方式/定时方式选择位 c/=0，设置为定时工作方式； c/=1，设置为计数工作方式。3gate：选通控制位 gate=0，只要用软件对tr0(或tr1)置1就启动了定时器。 gate=1，只有在(或)引脚为1，且用软件对tr0(或tr1)置1才能启动定时器工作。tmod的所有位在整机复位后清零。tmod不能位寻址，只能用字节方式设置工作方式。二、控制寄存器tcontcon用于控制定时器的启动、停止以及标明定时器的溢出和中断情况。各位的含义如下：1tf1：定时器1溢出标志，t1溢出时由硬件置1，并申请中断，cpu响应中断后，又由硬件清零。tf1也可由软件清零。2tf0：定时器0溢出标志，功能与tf1相同。3tr1：定时器1运行控制位，可由软件置1或清零来启动或停止t1。4tr0：定时器0运行控制位，功能与tr1相同。5ie1：外部中断1请求标志。6ie0：外部中断0请求标志。7it1：外部中断1触发方式选择位。8it0：外部中断0触发方式选择位。tcon中的低4位用于中断工作方式。当整机复位后，tcon中的各位均为0。第三章 传感器选择及放大整形电路的设计3.1 称重传力机构的设计微机皮带秤的称重传力机构由前、后承重杠杆，无摩擦绞支点，承重托辊和计算箱等组成，如图3-1所示。图3-1 传力机构1 支承点；2承重杠杆；3传力簧片；4固定块；5计量箱；6托辊电子皮带秤采用双杠杆多组托辊称量框架拖住称量段的皮带及其上的煤层，如图3-1中显示，当皮带上有物料通过时，物料首先经皮带将载荷力传递给承重托辊。由于承重托辊直接支承在承重杠杆上，而前后承重杠杆的端部又可作微小转动的无摩擦支点承在地基上，因此承重托辊上的载荷力最后分别在两个承重杠杆的另一端（秤体中部）综合，并由传力簧片传递到计量箱内。计量箱位于秤体中部的皮带下方，它分为有平衡结构和无平衡结构两种。计量箱的作用是将传力簧片送来的载荷力传递给力-电式荷重传感器变为电信号送出。有平衡结构的计量箱是一个平衡杠杆系统，工作时载荷力先由传力杆传给平衡杠杆，然后再由平衡杠杆按一定的比例分配给力-电式传感器，秤体的自重（包括皮带和托辊的重量）则由平衡杠杆的配重抵消掉，因此参与称量的只是纯物料量，而在实际中完全平衡掉自重，在实载时平衡系统易产生振动，造成称量不稳定。所以必须让荷重传感器保留10%20%的电量程（俗称预压力）不被平衡掉，才能保证称量时有较好的稳定性。无平衡结构的计量箱是没有平衡杠杆的系统，工作时载荷力直接由传力吊杠送给传感器，因此它的传力误差环节减小，结构简单，工作时比前一种结构要稳定。无平衡结构的计量箱通常用两只传感器（秤体两侧各1只），由于秤体自重约占去传感器有用量程的50%左右，因此秤体一般用轻质箱形型材制造或者供电桥源采用并联供电串联输出方式（如图3-2所示）以求获得尽可能大的信号。传力机构中的无摩擦绞支点是皮带秤中常用的支承方式，目前用的较多的是x形支承结构（如图3-3所示）。这种支承部件用23片0.5mm2.0mm厚的锰钢簧片与固体座交叉连接制成，固体座用普通工具钢制成，x形支承部件的优点是：无摩擦支承强度大，扭转灵活，恢复性好，能防止秤体前后移动，易于安装，缺点是体积大，密封困难。 图3-2 两只传感器的接线方法图3-3 x形支承部件1簧片；2固定座秤体部分的设计要点在于秤体长度的选择，设计原则是以承重机托辊间距a的偶数倍为准。为减少皮带张力的影响，本设计采用4a，当a=1200mm时，则秤体总长应为4.8m，承重杠杆可采用普通槽钢或箱形型材，设计时根据最大输送功荷（考虑秤体自重）选择承重杠杆材料的承载强度和刚度。另外，对于秤体长度的选择也应适当考虑物料的输送速度，即当速度较快时适当考虑加长秤体。这样做的目的主要是延长物料在秤体上的停留时间，以提高称量精度。当秤体长度确定后，物料的输送速度对称量段的长度的比值，就是物料在秤体上的变化速率。如称量段长为2.4m，物料的输送速度为5m/s，则其变化速率为2.08次/s，它决定了仪表的采样条件。图3-1中的传力簧片是前后承重杠杆上载荷力的汇合点，它由长200mm、宽50mm的优质锰钢片制作，厚度则由最大承载决定，一般取0.5mm3.0mm。3.2 荷重传感器的原理及选用荷重传感器的种类很多，有压磁式荷重传感器及电阻应变式荷重传感器等。电子皮带秤中多采用电阻应变式荷重传感器。图3-4 电阻应变式荷重传感器原理图在电阻应变式荷重传感器中用的最多的是箔式应变片。图3-4所示为电阻应变式荷重传感器的作用原理。首先把被测力g（重力）转换成受压体（应变弹性体）的应变，粘贴在上的电阻应变片的阻值（r1r4）随应变大小而变化，r1、r3阻值减小；r2、r4阻值增加，电阻应变片组成电桥电路，测出电桥的输出信号就能测出g的大小。应变弹性体的形式很多，有悬臂梁式、双端固定梁式、圆筒式等。本设计选择双端固定梁式传感器（如图3-5所示）作为荷重传感器。以图3-5中荷重传感器为例，未受力时r1=r2=r3=r4，当弹性体顶部受压力作用时，贴于上方的两片应变片r2、r4被拉伸，阻值增大，而贴于下方的两片应变片r1、r3被压缩，阻值减小，设电桥的负载电阻rl很大（50k），电源内阻ri较小，且rlri（如图3-6所示），经化简后可写出电桥的电压输出公式为 (3-1)式中：uab为上桥电压；k为电阻丝的灵敏系数；为应变。这样，当uab恒定时，可由输出电压uo得知应变的大小，也就是得知所测重力的大小。将荷重传感器安装在电子皮带秤的托辊上方或底部，就可称量出皮带上的煤量。图3-5双端固定梁式剪切力传感器图3-6 应变电阻测量电桥3.3 测速传感器的设计与选用皮带秤中皮带线速度的检测通常采用磁电感应式速度/电脉冲传感器，其结构原理如图3-7所示。测速传感器由与皮带接触的测速轮，连接轴，测速齿轮，测速头组成，测速头由绕在磁钢上的线圈构成，工作时置于返程皮带上的测速轮在皮带的摩擦带动下转动，同时也带动测速齿轮同轴转动，在测速齿轮的周围均匀的铣了几个槽齿，当测速头与凸齿相对时，磁通最大，凹齿与测速头相对时磁通最小，根据电磁感应原理，周期变化的磁通在线圈中将感应出周期变化的电压，其频率f正比于皮带的线速度v。图3-7 测速传感原理1测速轮；2连接轴；3测速齿轮；4测速磁头 (3-2)式中 n测速齿轮的齿数； v皮带线速度(m/s)； d测速齿轮直径(m)。公式(3-2)中的f一般要求在1000hz以上，以保证与荷重传感器有同等的精度，当f确定后，根据此即可找出符合要求的其它参数的设计数据。电脉冲输出方式的测速传感器，具有抗干扰能力强，信号传输距离远和容易被数字电路所接收等优点，因此选用它作为本设计的测速传感器，其输出信号为0.5v2v，50hz2000hz的正弦波信号。3.4 放大电路的分析与设计经荷重传感器转换后的模拟电压信号，其信号幅度很小，是毫伏级，由于a/d转换器的接收的是05v的标准电压。所以需要对传感器输出的信号进行放大处理，在进行a/d转换前，将荷重传感器的输出信号放大至05v。这里，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，它们随所测物理量的变化而变。这样，对于放大器而言，信号源内阻rs是变量，根据电压放大倍数的表达式可知，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rirs，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，其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。综上所述，我们选用的放大器除具备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。3.4.1 基本差动放大电路的原理分析图3-8 基本的差动放大器电路如图3-8所示，基本放大电路由一个运算放大器和四个匹配的电阻构成，共模电压的存在是大多数传感器的特点，共模电压是电桥中的直流电平或噪声干扰。假设运算放大器是理想的，根据零子模型条件，在两个输入端的电压相等，且通过两输入端的电流为零，则很容易导出差动放大器的运算方程或改成下式 (3-3)式中 uom共模输入信号电压。uo的两个方程都带有共模输入信号电压，第一项是反相输入信号对输出的贡献；第二项是同相输入信号对输出的贡献；第三项是共模输入信号对输出的影响。显然这运算放大器是理想的，但差动放大器的输出端仍有共模信号的干扰，主要原因在于差动运算电路的外部参数不理想使闭环共模特性变坏，四个电阻不匹配和比例失调是关键因素，若取四个电阻满足条件。即： 则uo的方程可以简化为： (3-4)因此可以看出，四个电阻匹配的足够好，相当于两个差动信号闭环增益绝对值相等的条件。此时，共模输入信号对输出贡献为零。实际上，四个电阻很难做到完全匹配，所以在差动放大器输出端总存在一定大小的共模干扰信号，在高精度差动放大器中，应当把这个共模干扰信号控制在一定的范围之内。3.4.2 放大电路的设计图3-9 放大电路的设计简单的差动放大电路在抗干扰方面存在一定缺陷，在本设计中采用的是三个运算放大器组成的增益可调的高输入阻抗差动式运算电路（如图3-9所示），可有效地抑制共模干扰。电路中a1和a2都是同相输入放大器。如果两个运算放大器特性相同，则其等效输入阻抗相近，因而输入信号ui1和ui2的负载效应也一致。电路中a3是差动放大输出电路。可变电阻r1跨接在a1和a2的反相输入端，r2和r3分别为两个反馈电阻。根据理想运算放大器条件，可得到： (3-5) (3-6)式中，uom为加在两个输入信号源与共端的共模电压信号。根据欧姆定律，很容易得到下列平衡方程组：式中，uo1和uo2分别为a1和a2的输出电压值，联解上述四个方程组，经过整理可以得到：把uo1和uo2送入a3中，很容易得到运算方程： (3-7)如果选r2=r3，则变为： (3-8)显而易见，图3-9所示的放大电路对差动信号的增益为 (1+2r2/r1)rf/r，当ui1=ui2=uic时，由于ua=ub=uic，r1中电流为零，uo1=uo2=uic，输出电压uo=0。可见，电路放大差模信号，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。不管电阻r2和r1如何不对称，对差模增益的贡献总是相同的，而对共模增益则没有任何影响。由此可见，改变r1将有同样效果。通过改变可变电阻r1可以连续调节增益而不影响共模抑制能力。末级放大器a3把差动输入变为单端输出形式，为保证该级不降低共模抑制能力，电阻r、rf应精确匹配。为减少偏置电流的影响，可以把r2和r3取得小些，这并不影响差动电路的输入阻抗值。由于差动放大器的增益由输入段决定，所以只有运算放大器a1和a2的失调电压才起重要作用。输出失调电压正比于两个运算放大器的失调电压之差，所以输出失调很少。荷重传感器的测量电路输出的电压满度值为20mv，而放大电路的输出应为05v，故au=5/0.02=250。故我们取r1=1k，r2 =2k，rf =50k，r=1k，可满足设计要求。3.4.3 放大电路的输入输出保护为了防止输入信号超过量程，造成元器件的损坏以及系统的瘫痪，须对放大电路进行相应的输入输出保护措施。 图3-10 输入保护图图3-11 输出保护图1输入保护其电路如图3-10所示，它采用两个反向并联的限幅二极管，防止信号过大或过小而损坏运放。2输出保护为防止输出电压过高，接到外部电压可能过流或者击穿，所以需加稳压二级管构成输出保护，其电路如图3-11所示。3滤波电路的设计经传感器转换和放大后的电压信号，属于低频信号，容易受测量现场的干扰和放大电路本身的影响，含有多种频率成分的噪声信号，所以需要用到滤波器。 本设计中用到的经放大器出来的信号为直流低电平，属低频信号，因此在放大器输出端要引入低通滤波器。其低通滤波器的作用是：让直流指定的截止频率的低频分量顺利的通过，而使高频分量受到很大的衰减。采用的是rc无源滤波器，电路如图3-12所示。图3-12 rc滤波电路图当信号频率升高时，电容容抗减小，使输出电压幅值下降，因而高频信号衰减较多。当信号频率降低时电容的容抗增加，信号基本不受损耗。图3-13 放大电路总设计图电路中取r=1k，电容c=1000 pf，可得到该滤波电路的上限截止频率为：fh=（2rc）-1=（21000100010-12）-1=1.6105hz由此综合以上的分析，系统放大电路的总设计图如图3-13所示。3.4.4 称重传感器与放大器的联接图3-14 称重传感器与放大器的四线联接称重传感器一般只有四个端子，两个端子为电源端子，由供桥电压供给520v直流电压。另外两个端子输出电阻应变片形变所产生的不平衡电压信号，直接送往放大器电路（如图3-14所示）。3.5 速度信号的脉冲整形电磁式数字传感器输出信号为0.5v2v，50hz2000hz的正弦波信号，要想把该信号送入8051单片机进行计数，必须通过波形变化将其变为同频率的脉冲信号。本设计采用整形电路中常用到的施密特触发器的进行波形变换。3.5.1 施密特触发器工作原理分析施密特触发器（schmitt trigger）是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。它在性能上有两个重要的特点：第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用施密特触发器的这两个特点我们就可以把测速传感器输出的周期变化的正弦交流信号整形为边沿陡峭的矩形脉冲信号，图3-16所示为门电路组成的施密特触发器，下面具体分析它的工作原理。将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了图3-16(a)所示的施密特触发器电路。图3-16 用cmos反相器构成的施密特触发器(a) 电路 (b) 图形符号假定反相器g1和g2是cmos电路，它们的阈值电压为vthvdd，且r1r2。当时，因g1、g2接成了正反馈电路，所以。这时g1的输入。当从0逐渐升高并达到时，由于g1进入了电压传输特性的转折区（放大区），所以的增加将引发如下的正反馈过程于是电路的状态迅速地转换为。由此便可以求出上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平vt+。因为这时有所以 (3-9)vt+称为正向阈值电压。当从高电平vdd逐渐下降并达到时，的下降会引发又一个正反馈过程使电路的状态迅速转换为。由此又可以求出下降过程中电路状态发生转换时对应的输入电平vt-。由于这时有所以 将vdd=2vth代入上式后得到 (3-10)vt-称为负向阈值电压。我们将vt+与vt-之差定义为回差电压vt，即 (3-11)根据公式(3-9)和公式(3-10)画出的电压传输特性如图3-17(a)所示。因为和的高、低电平是同相的，所以也把这种形式的电压传输特性叫做同相输出的施密特触发特性。图3-17 图2-16电路的电压传输特性(a) 同相输出 (b)反相输出如果以图3-16(a)中的作为输出端，则得到的电压传输特性将如图3-17(b)所示。由于与的高、低电平是反相的，所以把这种形式的电压传输特性叫做反相输出的施密特触发特性。 图3-18 用施密特触发器实现波形变换本设计采用同相输出的施密特触发特性来对测速传感器输出的交流正弦信号进行脉冲整形，使之变为同频率的矩形脉冲信号以便送入8051内部的定时/计数器进行计数。通过改变图3-16(a)所示电路中的r1和r2的比值可以调节vt+、vt-和回差电压的大小。在对应具体的测速传感器输出信号时，我们即可通过该信号的幅值及周期来确定vt+、vt-的大小（如图3-18所示）并利用公式(3-9)、(3-10)和(3-11)来计算整形电路的相关参数如r1和r2的比值以及vdd的选取等，应注意r1必须小于r2，否则电路将进入自锁状态，不能正常工作。3.5.2 速度信号放大整形电路的设计图3-19为转速信号的放大整形电路，图中d201为齐纳二极管，作保护作用。运算放大器接成反相放大器，增益为10倍，放大的目的是提高输入信号的斜率以避免整形电路的误动作，d202和d203将对放大器输出限幅并将负的部分去掉，经处理后的信号接入施密特触发器进行脉冲整形，最后送入8051的计数器输入端计得脉冲数并通过工程运算即得转速。图3-19 转速信号放大整形电路 第四章 硬件电路设计4.1 程序存储器的扩展4.1.1 2764芯片介绍 mcs-51单片机系统中，使用较多的是intel公司的系列芯片：2716（2k8），2732（4k8），2764（8k8），27128（16k8），27256（32k8），27512（64k8）。本设计所用到的程序存储器扩展为8k。所以这里用到的芯片是2764（8k8）。图4-1为2764的功能引脚图。图4-1 2764功能引脚图芯片介绍：2764是8k8字节的紫外线擦除电可编程只读存储器，单一+5v供电，工作电流为75ma，维持电流为35ma，读出时间最大为250ns，28脚双列直插式封装。各引脚的含义为：1a0a12：13根地址线，可寻址8k字节。2o0o7：数据输出线。3：片选线。4：数据输出选通线。5pgm：编程脉冲输入端。6vpp：编程电源。7vcc：主电源，一般为5v。8gnd：接地引脚。4.1.2 8051与2764的连接方法单片机的p0和p2口的16根i/o线输出地址信号。其中，p2口与eprom（或eeprom）高8位地址总线连接，直接作为高8为地址a8a15，p0口作为分时复用的低8位地址/数据线，通过锁存器输出低8位地址a0a7。在本设计中用到的是p2口的高5位地址即a8a12。端与外部程序存储器的输出允许连接，ale端与锁存器clk端连接。本设计中，选择2764的片选信号由三八译码器的输出端控制。图4-2为2764与8051连接图。图4-2 2764与8051连接图4.2 数据存储器的扩展4.2.1 数据存储器及6264芯片的介绍8051单片机内部有128b存储空间，cpu对内部ram具有丰富的操作指令，内部ram区是十分珍贵的资源，通常作为工作寄存器、堆栈、软件标志和数据缓冲区。但在实际中，仅有的128b是不够用的，因此需要扩展数据存储器。8051单片机设置专门指令movx来访问外部数据存储器。共有四条寄存器间接寻址指令，分为下列两种情况：第一种为访问前256b的外部ram，用寄存器r0，r1间接寻址：读操作：movx a，ri写操作：movx ri ，a i=0，1第二种为访问外部ram的任何单元，用特殊功能寄存器dptr间接寻址：读操作：movx a，dptr写操作：movx dptr，a第二种情况可以访问外部数据存储器的64k空间。首先看读外部数据存储器的时序。在第一个机器周期的s1，允许地址锁存器信号ale由低变高，开始读周期。在s2状态，cpu把低8位地址送上p0总线，把高8位地址送上p2口。ale的下降沿用以把低8位地址信号锁存到外部锁存器内，而高8位地址锁存在p2口上。在s3状态，p0总线驱动器进入高阻状态。在s4状态，读控制信号回到高电平后，被寻址的存储器把其本身的总线驱动器悬浮起来，使p0总线又进入高阻状态。写外部数据存储器的时序与上述类似，但写的过程中是cpu把数据送上总线上，cpu向p0总线送完被寻址存储器的低8位地址后，在s3状态，就由送地址直接改为送数据到p0总线上，其间p0总线上不出现高阻状态。在s4状态，写控制信号有效选通被寻址的数据存储器，此后，p0上的数据就写到被寻址的存储器单元内了。本设计中所扩展的数据存储器为8k，由于地址线和片选信号的限制，所以选用的芯片型号为6264。图4-3为6264的功能引脚图。图4-3 6264的功能引脚图芯片介绍：6264是8k8位静态随机存储器芯片，采用cmos工艺制造，单一+5v供电，额定功耗200mw，典型存取时间200ns，28线双列直插式封装。其引脚功能说明如下：1a0a12：地址输入线。2o0o7：双向三态数据线，有时用d0d7表示。3：片选信号输入端，低电平有效。4：读选通信号输入线，低电平有效。5：写选通信号输入线，低电平有效。6vcc：工作电源输入引脚，5v。7nc：为空引脚。8cs：第二选片信号引脚，高电平有效。9gnd：线路地。4.2.2 8051与6264的连接图图4-4 8051与6264连接图本设计中，选择6264的片选信号由三八译码器的输出端控制。4.3 i/o口的扩展在mcs-51应用系统中，单片机本身提供给用户使用的输入、输出口线并不多，对片内有rom/eprom的8051/8751，若无须扩展外部存储器，则有4个8位口（p0p3）可作为通用i/o口使用。而对于8031单片机来说，因其p0口和p2口必须用作外部程序存储器的地址线，而不能直接用来作为输入/输出口，故只有p1口和p3口的一部分口线可直接用作输入/输出口，因此需要进行i/o口的扩展。由于mcs-51单片机的外部数据存储器ram和i/o口是统一编址的，因此用户可以把外部64k字节的数据存储器ram空间的一部分作为扩展外部i/o口的地址空间。这样单片机就可以像访问外部ram一样访问外部接口芯片，对其进行读写操作。4.3.1 8255a的结构及功能 8255a是intel86系列微处理机的配套并行接口芯片，它可为86系列cpu与外部设备之间提供并行输入/输出的通道。由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式。所以，用8255a连接外部设备时，通常不用再附加外部电路，给使用者带来很大方便。本设计就是采用8255芯片来扩展键盘和显示器，及adc0809和dac0832的。 图4-5为8255的引脚图和图4-6为8255的内部功能结构框图。它由以下几部分组成： 图4-5 8255的引脚图（1） 三个8位的i/o口：a口、b口、c口 a口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。可编程为8位输入输出或双向寄存器。b口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器。可编程为8位输入或输出寄存器，但不能双向输入/输出。 图4-6 8255的内部功能结构框图c口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器。c口可分作两个4位口使用。它除了作为输入输出口外，还可以作为a口、b口选通方式工作时的状态控制信号。（2） 读/写控制逻辑读/写控制逻辑的功能用于管理所有的数据、控制字或状态字的传送。它接收来自cpu的地址信号及一些控制信号来控制各个口的工作状态。其控制信号有：（片选信号）：低电平有效。允许8255与cpu交换信息。（读信号）：低电平有效。允许cpu从8255端口读取数据或外设状态信息。（写信号）：低电平有效。允许cpu将数据、控制字写入8255中。reset (复位信号)：输入信号线，高电平有效。此引脚为高电平时，所有8255内部寄存器都清零，所有通道都设置为输入方式，24条i/o引脚为高阻状