毕业设计（论文）-基于单片机的压力巡回检测系统.doc

专科生毕业论文（设计）册 作者姓名 指导教师 所在学院 职业技术学院 专业（系） 电子信息工程 班级（届） 2011 届 完成日期 2011 年 5 月 12 日 河北师范大学专科毕业论文（设计）任务书 编 号：2011246 论文（设计）题目： 压力巡回检测系统 学 院： 职业技术学院 专业： 电子信息工程 班级： 2008 级 学生姓名：徐恒盼 学号： 2008030152 指导教师：杨亚平 职称：高级工程师 1、 论文（设计）研究目标及主要任务 本设计主要涉及到微控制器和压力传感器的应用。二者的发展直接影响着压力检测方面的设计和 应用。单片机控制下的巡回检测系统精确度高，但相对来说成本高，技术含量要求高，对应用于平常 的一些要求不太高的地方就显得有点大材小用，为此，我们可以利用硬件设备研制一种操作简单的电 路，这样不仅可以节约成本，还满足了我们对一些要求比较低的地方的压力测量的需求。本设计本着 简单易懂，降低成本，并最终达到检测要求的原则进行设计. 2、 论文（设计）的主要内容 在本设计中，主要是对多点压力进行检测，利用一些简单的逻辑电路，进行一些操作，如压力 的显示、巡回检测、超量程告警等等。研究内容主要分为数据采集、多路选择、模数转换几个方 面。针对这几个方面，将研究模块化，在逻辑上按先后顺序对每个模块进行分别的研究，并对每 一个模块进行独立的测试，在测试达到要求之后，再将所有模块有机的整合为一个整体，然后进 行整体调整测试。最总完成整个设计方案。 3、 论文（设计）的基础条件及研究路线 本设计介绍一种用集成电路实现的纯硬件多点温度巡回检测仪的电路设计原理该电路没有 CPU.不用编程.用压阻式压力传感器，八路 CMOS 模拟开关 CD4051，7107 AD 数模转换器，用 LED 数码管进行显示其特点为结构简单、可靠性好、成本低，杭干扰能力强，并具有一定通用性。 4、 主要参考文献 1 刘耀南，邱容昌 .电气绝缘测试技术 .机械工业出版社， 1981 GB2163 一 62 塑料检查 方法.耐压强度测定法 2 王大扑等编译.最新传感器手册 .实用电子文摘编辑部 ,成都:成都科技大学出版社 , 198715. 3 赖寿宏.微型计算机控制技术 M 北京：机械工业出版社 2004 4 张靖，刘少强.检测技术与系统设计 M 北京：中国电力出版社 2002。 5、 计划进度 阶段起止日期 1 选定毕业设计课题，对课题相关知识进行辅导。 2011.1.42011.1.15 2 综合整理相关知识，撰写开题报告。 2011.2.152011.3.11 3 对毕业设计系统进行初次验收, 中期检查 2011.3.112011.4.8 4对毕业设计论文初稿进行重新修改2011.4.85.14 5 毕业论文定稿之前，第二次对论文进行验收答辩。 2011.5.14 指 导 教师： 2011 年 月 日 教研室主任： 2011 年 月 日 注：一式三份，学院（系）、指导教师、学生各一份 河北师范大学专科生毕业论文（设计）开题报告书 职业技术 学院 电子信息工程 专业 2011 届 学生 姓名 徐恒盼论文（设计）题目压力巡回监测系统 指导 教师 杨亚平 专业 职称 高级工程师 所属教研 室 实验教研室 研究 方向 仪器仪表与传 感器 课题论证： 在本设计中，主要是对多点压力进行检测，利用一些简单的逻辑电路，进行一些操作，如压 力的显示、巡回检测、超量程告警等等。研究内容主要分为数据采集、多路选择、模数转换几个 方面。针对这几个方面，将研究模块化，在逻辑上按先后顺序对每个模块进行分别的研究，并对 每一个模块进行独立的测试，在测试达到要求之后，再将所有模块有机的整合为一个整体，然后 进行整体调整测试。最总完成整个设计方案。 该设计与软件编程调节相比，占用硬件资源较多，连线的复杂程度高，系统的性能较差；数 码管的静态显示方式与比动态显示，亮度高；同时，在该系统中设置了超量程报警电路，当检测 到当前压力超出了设定的范围后，报警电路就会被启动，减低不必要的损失。在本设计中，设定 的压力值可以人为多次修改，不需要要重新编程下载，与软件编程设计较为简单；模数转换器带 有对 LED 数码管的驱动，减少的电路，从而降低了电路的复杂程度，传感器块采集到的压力信号 为模拟电压信号，经模数转换器后可以直接接到LED 数码管上显示，这比智能化的软件设计速度 要快。 在设计过程当中，遇到很多问题，如初始阶段设计思路不清晰；压力超出设置值时，报警 电路不报警；压阻式压力采集模块采集到的压力信号如何转变为电压信号，不清楚如何设置才能 得转换的结果更准确等等，最 后在老师的指导和同学的帮助下，都一一得以解决。 该设计所得到的仪器是一个大众化的简廉检测仪，以满足不同档次的需求。与具有CPU 的 测压仪相比，具有结构简单、成本低廉等优点，适用于精度要求不高、测试点不多的检测环境. 方案设计： 本设计主要涉及到微控制器和压力传感器的应用。二者的发展直接影响着压力检测方面的 设计和应用。单片机控制下的巡回检测系统精确度高，但相对来说成本高，技术含量要求高，对应用 于平常的一些要求不太高的地方就显得有点大材小用，为此，我们可以利用硬件设备研制一种操作简 单的电路，这样不仅可以节约成本，还满足了我们对一些要求比较低的地方的压力测量的需求。本 设计本着简单易懂，降低成本，并最终达到检测要求的原则进行设计。 本设计介绍一种用集成电路实现的纯硬件多点压力巡回检测仪的电路设计原理该电路没有 CPU.不用编程.用压阻式压力传感器，八路 CMOS 模拟开关 CD4051，7107 AD 数模转换器，用 LED 数码管进行显示其特点为结构简单、可靠性好、成本低，杭干扰能力强，并具有一定通用性。 进度计划： 阶段起止日期 1 选定毕业设计课题，对课题相关知识进行辅导。 2011.1.42011.1.15 2 综合整理相关知识，撰写开题报告。 2011.2.152011.3.11 3 对毕业设计系统进行初次验收,中期答辩。 2011.3.112011.4.8 4对毕业设计论文初稿进行重新修改2011.4.85.14 5 毕业论文定稿之前，第二次对论文进行验收答辩。 2011.5.14 指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日 教研室意见： 教研室主任签名： 年 月 日 河北师范大学专科生毕业论文（设计）文献综述 包括国内外研究现状、发展趋势、存在问题、参考文献依据，对文献资料进行概括、分析。 随着世界进入信息化时代，自动化、信息化成为世界各国发展重要方向之一。传感器作 为自动化和信息系统的前端器件，是制造业自动化和信息化的基础；现代传感器技术集约了 多种学科的尖端成果、是国际上发展最迅速的高新技术之一；是传统产业技术改造和升级的 “功效倍增器”，成为衡量一个国家科技发展的重要指标。单片机是完全按嵌入式系统要求 设计的单芯片形态的嵌入式系统，它广泛应用在中、小型工控领域，是电子系统智能化的最 重要的工具。压力传感器也从传统类型向集成化、微型化、多功能发展，且随着材料行业对 传感器敏感材料进一步的开发，传感器新敏感材料不断推出，高新材料已广泛用于新型传感 器制造研发中，如光纤传感器，光纤传感器等等，我国与国外先进国家相比，还处于落后状 态。本设计主要涉及到微控制器和压力传感器的应用。二者的发展直接影响着压力检测方面 的设计和应用。单片机控制下的巡回检测系统精确度高，但相对来说成本高，技术含量要求 高，对应用于平常的一些要求不太高的地方就显得有点大材小用，为此，我们可以利用硬件 设备研制一种操作简单的电路，这样不仅可以节约成本，还满足了我们对一些要求比较低的 地方的压力测量的需求。本设计本着简单易懂，降低成本，并最终达到检测要求的原则进行 设计. 随着我国工业、农业和科学技术的不断发展 ,压力传感器的应用领域越来越广泛 ,在各 种应用领域都对压力传感器的技术性能指标提出了更高的要求 ,给压力传感器的研制和生产 带来了许多需要解决的问题。例如 :在压力传感器温度补偿效果的检测和压力传感器静态特 性检测中,通常做法是,分别在 20的正常大气条件下和高低温环境中 ,用压力计对压力传感 器进行逐一标定 ,经过数据处理,计算出热零点漂移和热灵敏度漂移等参数。检验周期长 ,不 适应批量产品的检验要求。压力传感器检测系统的研制为解决这些问题提供了方便,实现了 压力传感器的批量产品低温标定 ,提高了压力传感器检验工作效率 ,也为今后开展这方面的工 作积累了经验。随着我国工业、农业和科学技术的不断发展 ,压力传感器的应用领域越来越 广泛,在各种应用领域都对压力传感器的技术性能指标提出了更高的要求,给压力传感器的 研制和生产带来了许多需要解决的问题。例如 :在压力传感器温度补偿效果的检测和压力传 感器静态特性检测中 ,通常做法是,分别在 20的正常大气条件下和高低温环境中 ,用压力计 对压力传感器进行逐一标定 ,经过数据处理 ,计算出热零点漂移和热灵敏度漂移等参数。检验 周期长,不适应批量产品的检验要求。压力传感器检测系统的研制为解决这些问题提供了方便, 实现了压力传感器的批量产品低温标定 ,提高了压力传感器检验工作效率 ,也为今后开展这 方面的工作积累了经验 . 专科生毕业论文设计 题目 压力巡回检测系统 作者姓名 徐恒盼 指导教师 杨亚平 所在学院 职业技术学院 专业（系） 电子信息工程 班级（届） 2011 届 完成日期 2011 年 5 月 12 日 目录 压力巡回检测系统 .I 第 1 章 引言 .1 1.1 本设计的意义 .1 1.2 国内外现状分析 .1 1.3 方案选择 .2 第 2 章 系统总体方案设计 .3 第 3 章 硬件部分设计.4 3.1 传感器 .4 3.1.1 电阻应变式传感器 .4 3.1.2 应变与应变力 .4 3.2 常用 CMOS 模拟开关功能和原理 .10 3.3 JK 触发器 .12 3.4 行波计数器 .13 3.5 运算放大器 .14 3.6 比较器 .15 3.7 报警设备 .16 3.8 LED 显示电路的设计 .17 3.9 ICL7107.19 3.10 ICL7107 与 LED 接线电路图.25 3.11 整体电路图.26 第 4 章 结束语.27 参考文献 .28 致谢 .29 河北师范大学专科生毕业论文 I 压力巡回检测系统 职业技术学院电子信息工程专业 指导教师:杨亚平 作 者:徐恒盼 摘要： 本设计首先介绍了本设计的现实意义，然后分析了在国内外的现状。从整体方案 上给出介绍，即先介绍系统整体方案，给出系统方框图，按模块化划分，逐个模块介 绍，然后总体说明。第三部分是硬件部分设计，系统详细的介绍设计中的主控单元各 个模块，包括传感器模块的设计，数模转换部分硬件设计，显示部分电路设计，报警 电路的设计等等，最后给出整个系统的电路原理图。第四部分是部分的设计，其中涵 盖了，A/D 转换程序流程图、显示程序流程图、报警程序流程图等及相关流程图的文 字说明。本设计的压力巡回检测系统是八位巡回检测，显示为数是3，最大显示值 2 1 为5V，最小分辨率为200mF。 关键词：硬件、传感器、数模转换、显示部分、报警电路、 A/D 转换 河北师范大学专科生毕业论文 1 第第 1 章章 引言引言 1.1 本设计的意义 随着电子技术、计算机技术、通信技术的迅速发展，工业测控领域采用先进的技 术对现场的工业生产参数进行检测，监测是实现工业自动化的重要标志。据不完全统 计，在工业生产中被监测最多的参数应该是压力、流量、温度三大参数。无论在石油、 化工、煤炭、水利等行业，还是电力、机械、航空、国防等部门，都离不开对这些参 数的监测。当然除此之外，还有诸如液位、扭矩、密度、浓度、速度、位移、距离、 电参数等众多物理参数的监测，可以说压力的测量是一个 “永恒”的话题。压力测量 的领域十分广泛，其实，不仅在工业领域，而且在民用领域、军用领域，压力的测量 随处可见。随着我国工业、农业和科学技术的不断发展 ,压力传感器的应用领域越来 越广泛,在各种应用领域都对压力传感器的技术性能指标提出了更高的要求 ,给压力传 感器的研制和生产带来了许多需要解决的问题。例如 :在压力传感器温度补偿效果的 检测和压力传感器静态特性检测中 ,通常做法是,分别在 20的正常大气条件下和高低 温环境中,用压力计对压力传感器进行逐一标定 ,经过数据处理,计算出热零点漂移和热 灵敏度漂移等参数。检验周期长 ,不适应批量产品的检验要求。压力传感器检测系统 的研制为解决这些问题提供了方便 ,实现了压力传感器的批量产品低温标定 ,提高了压 力传感器检验工作效率 ,也为今后开展这方面的工作积累了经验。随着我国工业、农业 和科学技术的不断发展 ,压力传感器的应用领域越来越广泛 ,在各种应用领域都对压力 传感器的技术性能指标提出了更高的要求 ,给压力传感器的研制和生产带来了许多需 要解决的问题。例如 :在压力传感器温度补偿效果的检测和压力传感器静态特性检测中 ,通 常做法是,分别在 20的正常大气条件下和高低温环境中 ,用压力计对压力传感器进行 逐一标定,经过数据处理,计算出热零点漂移和热灵敏度漂移等参数。检验周期长 ,不 适应批量产品的检验要求。压力传感器检测系统的研制为解决这些问题提供了方便, 实现了压力传感器的批量产品低温标定 ,提高了压力传感器检验工作效率 ,也为今后开 展这方面的工作积累了经验。 1.2 国内外现状分析 河北师范大学专科生毕业论文 2 随着世界进入信息化时代，自动化、信息化成为世界各国发展重要方向之一。传感 器作为自动化和信息系统的前端器件，是制造业自动化和信息化的基础；现代传感器技 术集约了多种学科的尖端成果、是国际上发展最迅速的高新技术之一；是传统产业技术 改造和升级的“功效倍增器”，成为衡量一个国家科技发展的重要指标。单片机是完全 按嵌入式系统要求设计的单芯片形态的嵌入式系统，它广泛应用在中、小型工控领域， 是电子系统智能化的最重要的工具。压力传感器也从传统类型向集成化、微型化、多功 能发展，且随着材料行业对传感器敏感材料进一步的开发，传感器新敏感材料不断推出， 高新材料已广泛用于新型传感器制造研发中，如光纤传感器，光纤传感器等等，我国与 国外先进国家相比，还处于落后状态。本设计主要涉及到微控制器和压力传感器的应用。 二者的发展直接影响着压力检测方面的设计和应用。单片机控制下的巡回检测系统精确 度高，但相对来说成本高，技术含量要求高，对应用于平常的一些要求不太高的地方就 显得有点大材小用，为此，我们可以利用硬件设备研制一种操作简单的电路，这样不仅 可以节约成本，还满足了我们对一些要求比较低的地方的压力测量的需求。本设计本 着简单易懂，降低成本，并最终达到检测要求的原则进行设计。 1.3 方案选择 软件设计测量精确度高，但成本相对与纯硬件系统来说相对较高，另外软件设计 系统电路比较复杂，而硬件设计电路要简单很多 ，对于一些对测量结果要求不是很 高的领域实用纯硬件系统相对来说经济效益要好一些，本设计鉴于简单、易操作、经 济效益高并且对一些要求比较低的地方的压力测量的需求的目的采用纯硬件电路进行 设计。 河北师范大学专科生毕业论文 3 第 2 章 系统总体方案设计 图 1 总体方案设计流程图 使用压力巡回检测系统 ，首先经过压力传感器的作用，使压力转换为电压表示。 然后经过单八路模拟开关 CD4051 选择接通哪一路电压，得到的电压再经过放大器的 放大，然后将放大后的电压接一比较器 ，比较器的输出端接报警设备 。报警设备主 要由一个发光二极管组成。在设置了预警压力后，由比较器输出端的电压决定发光二 极管是否发光，从而起到警报作用。同时经放大后的电压经过3 位半数字表头芯片 ICL7107 进行模拟数字的转换，最后送显示 LED 液晶数字显示表头进行显示，基本 原理图如上图。 比较器 报警设备 8 路 压 力传感 器 显示器 8 路 CMOS 模拟开关 CD4051 放大器7107 ADC 模 数转换器 河北师范大学专科生毕业论文 4 第 3 章 硬件部分设计 3.1 传感器 电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经过测量电 路变成电量输出电阻式传感器有测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数的 电阻应变片式传感器，测量气体浓度的汽敏电阻和测量相对湿度的湿敏电阻。电阻式 传感器的特点是结构简单、性能稳定，灵敏度较高，即适合静态测量也适合动态测量。 3.1.1 电阻应变式传感器 机械量传感器在结构一般包括三个组成部分：敏感元件、传感元件及测量电路。 敏感元件是直接感受被测机械量并将其变换成对应的其他物理的元件。如常用的 弹簧膜片可把力和压力变换成位移，带质量块的悬梁可将振动加速度变化成位移等。 传感元件是将敏感元件输出的非电量变换成相应的电量的元件。如应变片将应变变 换成电阻值的变换，电容器将位移变换成电容量的变换等。 测量电路将传感元件输出的电信号变换成便于显示、记录、控制和处理的有用电信 号。如使用电桥电阻变换成电压信号，使用放大器将电信号放大等。 3.1.2 应变与应变力 （1）应力 截面积 A（m）的物体受外力 F（N）作用并处于平衡状态时，物体在单位面积 上引起的内力称为应力，记做 （Pa） ，即 =F/A (3-1) 弹性元件的应力状态有正应力和切应力两种 . （2）应变 应变式表征物体受外力作用时产生相对变形大小的无量纲物理量。设物体原长度为L.受 力后产生变形。0，表示物体被拉伸；0，表示物体被压缩。lll 应变定义为 =ll / 河北师范大学专科生毕业论文 5 由切应力所产生的变形称为切应力。外力 （Pa）使焦点产生很小的移动 （）.切应变 tan=/ 式中:为外力引起的角变化，即切应变量为固定端至lll 力作用点之间的距离。 （3） 弹性模量 弹性元件受力后所产生的应力和应变之比称为弹性模量。 在物体受到拉力和压缩时正应力和正应变之比称为杨氏模量E（Pa） 。当物体受 到切应力产生切应变时，切应力与切应变之比称为剪切模量G（Pa）.杨氏模量 E 和 剪切模量 G 可分别写做 E=/ G =/ （4） 电阻应变片 电阻应变片的工作原理 电阻应变片称为应变片，是将待测应变转化成电阻变化的传感元件。电阻应变片 由金属丝或半导体薄膜带制作。使用时将其粘贴在待测应变的弹性元件上，当弹性元 件在力作用下产生应变时，应变片也产生相应的应变使其几何尺寸及电阻率发生变化， 致使应变片电阻发生变化。 设金属丝或半导体应变片由一根长度为 L，截面积为 A，电阻率为的细丝制成， 在未受力它的电阻为 R，则 R=L/A 当应变片受到轴向拉力 F 作用被拉伸时，将拉伸 L，横截面积相应减小 A,电 阻率因晶格变化等原因而改变 ，故引起电阻变化 R，取对数再微分，得 dR/R=d/+dL/L-dA/A dL/L=,dA/A=-2代入上式整理得: DR/R=(1+2)+d/ （3-2） 式中：为电阻丝的泊松比，表示横向收缩和纵向收缩的关系， =0.30.5。 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生 变化，这种无力现象称为电阻效应。硅的电阻效应因晶体的取向不同而不同。 河北师范大学专科生毕业论文 6 =E （3-3） R R p p 式中为压阻系数为应力为半导体材料的电阻率。 将式（3-3）代入式（3-2）可得 =(1+2)+E=(1+2+E） （3-4） R R 式中 K 为金属电阻丝的应变灵敏度系数，表示单位应变所引起的电阻相应变化。 由式（3-4）可知，当应变片值和应变灵敏度系数一定时，阻值饿增量 R 正比于也 能改变。 K 的大小由两个因素影响： (1+2)表示由几何尺寸的相对变化所决定； E表示 材料的电阻率由应变所引起的变化。 电阻应变片的结构 电阻应变片一般由电阻栅、基片、引线及覆盖层组成。电阻应变片按所用材料分 为金属应变片和半导体应变片两类。 （5）测量电路 应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化而得到的。电阻相对变化很小，用 一般测量电阻的仪表很难直接测出来，必须用专门的电路测量这种微弱的电阻变化。 最常用的电路为惠斯通电桥电路。 直流电桥 工作原理 四臂电桥电路如图 1 所示，电桥各臂的电阻分别为、；U 为电桥 1 R 2 R 3 R 4 R 的直流输入电源电压。假定电源为电压源，内阻为零，则流过负载电阻RL 的电流为 4343214321 4231 RRRRRRRRRRR RRRR UI L L 河北师范大学专科生毕业论文 7 图 1 电流输出形式 图 2 电压输出形式 当=0 时电桥平衡，则电桥平衡条件为 L R =或/=/ 1 R 3 R 2 R 4 R 1 R 2 R 4 R 3 R 当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输出阻抗很高，比电桥输出电阻大很 多，所以可以把电桥输出端看成开路，如图 1 所示。电桥输出端的开路电压表达式为 = 0 U URRRR RRRR 4321 4231 初始维持平衡条件是 R1R3=R2R4，因而输出电压为零，流经负载的电流为零。 0 U 当桥臂为电阻应变片且其电阻变化率，此时有不平衡电压输出。 1 R 1 R 0 U = 0 U URRRRR RRRRR 43211 42311 U R R R R R R R R R R 4 3 1 1 1 2 1 1 4 3 11 设桥臂比为 n=/=/，可得 2 R 1 R 3 R 4 R = 0 U 2 4 4 3 3 2 2 1 1 2 11n nKU U R R R R R R R R n n 4321 常设计=R,n=1,即初始时采用同一型号的电阻应变片作为四个桥臂 1 R 2 R 3 R 4 R 的电阻，使桥路平衡。当应变片工作时，则电桥输出电压为 0 U = 0 U 4321 4 4 3 3 2 2 1 1 44 KU R R R R R R R RU 从而得出结论：电桥的输出电压与应变成线性关系。 河北师范大学专科生毕业论文 8 图 3 差动全桥 图 4 差动半桥 电桥电路的几种接桥方式 如果在试件上粘贴一个工作应变片，即电桥一个臂的应变片工作，称为单臂工作 电桥，如图 1。设=R+R,则 1 R 0 UK U R RU 44 如果在试件上粘贴两个工作应变片，一个受拉，一个受压，然后接入电桥相邻两个 臂，称为双臂对称工作电桥，又称差动半桥，如图2 所示。设 R1=R+R, =R-R,则 2 R 0 UK U R RU 2 2 4 如果四个臂都接入工作应变片，如图 2 所示。设=R+R, 1 R =R-R, =R+R, =R-R 则 2 R 3 R 4 R 0 UUK R RU 4 4 测量电桥的电压输出灵敏度为 K K UU RR UU us / / / 00 等臂差动电桥形式 Kus=1，差动半桥的 Kus=1/2，单臂电桥时 Kus=1/4。等臂差动全 桥形式的输出电压为单臂工作时的 4 倍，为差动时的 2 倍，所以大大提高了测量的 灵敏度。差动电桥还具有温度补偿功能。 交流电桥 河北师范大学专科生毕业论文 9 交流电桥通常采用正弦交流电压进行供电，在频率较高的情况下需要考虑分布电容和分 布电感的影响。 交流电桥的平衡条件 设交流电桥的电源电压为 Um 为电源电压的幅值，w 为电源电压的角频率。 在测量中，电桥的桥臂由应变片或固定无感精密电阻组成，电桥如图 2-6 所示。由于分 布电容的影响（分布电感的影响很小，可以忽略不计） ，当四个桥臂的复阻抗分别为 Z1=, Z2=, Z3= ,Z4=时，此时交流电桥的输出 1 1 1 1 jwC R 2 2 1 1 jwC R 3 3 1 1 jwC R 4 4 1 1 jwC R 电压为 = 0 U UZZZZ ZZZZ 4321 4231 式中电桥平衡的条件则为 4231 ZZZZ 交流电桥的输出电压 由于电桥电源是交流电压，因此它的是输出电压也是交流电压，电压的幅值和应变 的大小成正比。可以通过电桥输出电压的幅值测量应变的大小，但无法通过输出电压来 判断应变的方向。 例如一个应变片的等臂电桥，即 Z1=Z2=Z3=Z4=Z，单臂接入电阻应变片即 Z1=Z+。当Z 时，忽略分母中的影响，根据上式可以得到ZZZ =U Z Z U 4 1 0 tUK m sin 4 1 对于一个相邻两个桥臂接入差动变化的应变片的等臂电桥，即平衡时有 Z1=Z2=Z3=Z4=Z，当电阻应变片受力时复阻抗 Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，根据式上式得 =U Z Z U 2 1 0 tUK m sin 2 1 采用等臂差动全桥形式，根据式上式得输出电压为 =U Z Z U 0 tUK m sin 河北师范大学专科生毕业论文 10 图 5 串联补偿电阻的接法 图 6 采用补偿应变片进行温度补偿 本设计中传感器铭 F m=100103N，KF= 2mV/V，现用该荷重传感器称重。由 荷重传感器计算公式 F F UK U F F U m iF om m 0 3.2 常用 CMOS 模拟开关功能和原理 单八路模拟开关 CD4051 引脚功能见图 2。CD4051 相当于一个单刀八掷开关 ,开 关接通哪一通道,由输入的 3 位地址码 ABC 来决定。其真值表见表 1。“INH”是禁 止端,当“INH”=1 时,各通道均不接通。此外 ,CD4051 还设有另外一个电源端 VEE, 以作为电平位移时使用 ,从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS 电路所提 供的数字信号能直接控制这种多路开关 ,并使这种多路开关可传输峰峰值达 15V 的 交流信号。例如,若模拟开关的供电电源 VDD=5V,VSS=0V,当 VEE=5V 时,只要 对此模拟开关施加 05V 的数字控制信号,就可控制幅度范围为 5V5V 的模拟 信号。 河北师范大学专科生毕业论文 11 图 7 CD4051 的封装 河北师范大学专科生毕业论文 12 表 1 CD4051 输入与接通状态 输入状态 INTCBA 接通通道 00000 00011 00102 00113 01004 01015 01106 01117 1均不接通 3.3 JK 触发器 JK 触发器是组成计数器的理想记忆元件。在 RS 触发器前面增加两个与门，并从 输出(Q 和 Q)到输入(与门的输入端)作交叉反馈，即可得到 JK 触发器。 表 2 JK 触发器的动作状态 J J K K Q Q 动动作作 0 0 0 0 保保持持原原状状 自自锁锁状状态态 0 0 1 1 0 0 复复位位 1 1 0 0 1 1 置置位位 1 1 1 1 原原状状态态的的反反码码 翻翻转转 JK 触发器的工作过程 (1) J=0，K=0，触发器保持闭锁状态。 (2) J=0，K=1，触发器仍处于复位状态 (Q=0，Q=1)。 河北师范大学专科生毕业论文 13 (3) J=1，K=0，触发器就仍处于置位状态 (Q=1，Q=0)。 (4) J=1，K=1，触发器翻转 图 8 JK 触发器 3.4 行波计数器 工工工作作作原原原理理理 第 1 个时钟脉冲促使其最低有效位 (least significant bit,LSB)加 1，由 0 变 1。第 2 个时钟脉冲促使最低有效位由 1 变 0，同时推动第 2 位，使其由 0 变 1。同 理，第 2 位由 1 变 0 时又去推动第 3 位，使其由 0 变 1，这样有如水波前进一样逐位 进位下去。 下图采用 JK 触发器组成行波计数器工作原理 J，K 输入端都是悬浮，各位都处于准备翻转的状态时钟脉冲边缘（下降沿）一到， 最右边的触发器就会翻转 初值 Q=Q2Q1Q0=000 第 1 时钟后沿到 Q=001 第 2 时钟后沿到 Q=010 河北师范大学专科生毕业论文 14 第 3 时钟后沿到 Q=011 第 4 时钟后沿到 Q=100 第 7 时钟后沿到 Q=111 第 8 时钟后沿到 Q=000 图 9 行波计数器 3.5 运算放大器 图 10 反相比例放大器 设流经 R4，R6的电流分别为 i4，i6。 由虚断的概念可知， i4=i6， 所以得出: 河北师范大学专科生毕业论文 15 （3-5） 63 42 RU RU 为了提供一个合适的静态偏置，以及减小输入级偏置电流引起的运算误差，故在其同 向端接入一个平衡电阻 ( 3-6 ) 546/ /RRR 要使 U3 满足 100mV， 又因为 U2=10mV， 由式（3-5）可得 63 42 10 RU RU 所以我们可取 4 5RK 6 50RK 5 4.5RK 3.6 比较器 电压比较器是集成运放非线性应用电路 ,常用于各种电子设备中 .它将一个模拟 量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃 变，相应输出高电平或低电平。 图 11 电压比较器 由电压比较器组成，如图 11 所示。Uref为报警时压力设定电压 5V，R7,R8用于 稳定输入电压。R9用于改善比较器的迟滞特性，用来控制输入电流的大小。这些电阻 决定了系统的精度。 由比较器的虚短和虚断概念得 334 89 refUUUU RR 河北师范大学专科生毕业论文 16 经过调试，可取 750R 850R 910RK 3.7 报警设备 发光二极管为其核心设备 ,其发热量小，耗电量也少，节能。由低压电源供给，供 电电压大大约为 6-24 V 之间。 当的值小于的值时，输出为低电平，三极管截止，发光二极管无响应。3UrefU4U 当的电压值大于时，输出为高电平，三极管导通，此时发光二极管发光，3UrefU4U 产生警报！ 图 12 LED 灯 图 13 LED 灯 河北师范大学专科生毕业论文 17 图 9 报警设备电路 3.8 LED 显示电路的设计 在应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED 数码管是 一种较好的选择。 LED 数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，接口简单易行。 LED 数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。 图 15 中 a 为 0.5inLED 数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应 ag 笔段构成“ ”字形另一只发光二极管 Dp 作为小数点。因此这种 LED 显示器称 为七段数码管或八段数数码。 LED 数码管按电路中的连接方式可以分为共阴型和共型两大类，如图15 中 b、c 所示。共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端COM，公共端 COM 接高电平，ag、Dp 各笔段通过限流电阻接控制端。某笔段控制端低电平时， 该笔段发光，高电平时不发光。控制某几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符。 共阴型是将各数码发光二极管的负极连在一起，作为公共端COM 接地，某笔段通过 限流电阻接高电平时发光。 LED 数码管按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是0.5in 和 0.8in；按显示颜 河北师范大学专科生毕业论文 17 色 也有多种形式，主要有红色和绿色；按亮度强弱可分为高亮和普亮，指通过同样 的电流显示亮度不一样，这是因发光二极管的材料不一样而引起的 LED 数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同正向压降一般为 1.52V 额定电流为 10mA，最大电流为 40mA。静态显示时取 10mA 为宜，动态扫 描显示可加大，可脉冲电流，但一般不超过 40mA。数码管及其结构 b)共阴极结构 河北师范大学专科生毕业论文 17 c 共阳极结构 图 15 LED 数数码码管管 LED 数码管编码方式： 当 LED 数码管与单片机相联时，一般将 LED 数码管的各笔段引脚 a、b、g、Dp 按某一顺序接到 MCS51 型单片机某一个并行 I/O 口 D0、D1、D7，当该 I/O 口输出某一特定数据时，就能使 LED 数码管显示出某个字 符。例如要使共阳极 LED 数码管显示“0” ，则 a、b、c、d、e、f 各笔段引脚为低电 平，g 和 Dp 为高电平。 LED 数码管编码方式有多种，按小数点计否可分为七段码和八段码；按共阴共阳 可分为共阴字段码和共阳字段码，不计小数点的共阴字段码与共阳字段码互为反码； 按 a、b、g、Dp 编码顺序是高位在前，还是低位在前，又可分为顺序字段码和逆 序字段码。甚至在某些特殊情况下将 a、b、g、Dp 顺序打乱编码。表 3 为共阴 和共阳 LED 数码管几种八段编码表。这里采用共阴极数码管的编码方式。 表 3 共阴和共阳 LED 数码管几种八段编码 共阴顺序小数点暗 共阴逆序小数点暗 共阳 顺序 共阳 顺序 河北师范大学专科生毕业论文 17 Dp g f e d c b a 16 进 制 a b c d e f g dp 16 进制 小数 点亮 小数 点暗 00 0 1 1 1 1 1 13FH1 1 1 1 1 1 0 0FCH40HC0 H 10 0 0 0 0 1 1 006H0 1 1 0 0 0 0 0 60H79HF9 H 20 1 0 1 1 0 1 15BH1 1 0 1 1 0 1 0DAH24HA4 H 30 1 0 0 1 1 1 14FH1 1 1 1 0 0 1 0F2H30HB0 H 40 1 1 0 0 1 1 066H0 1 1 0 0 1 1 066H19 H99 H 50 1 1 0 1 1 0 16DH1 0 1 1 0 1 1 0B6H12 H92 H 60 1 1 1 1 1 0 17DH1 0 1 1 1 1 1 0BEH02 H82 H 70 0 0 0 0 1 1 107H1 1 1 0 0 0 0 0E0H78 HF8 H 80 1 1 1 1 1 1 17FH1 1 1 1 1 1 1 0FEH00 H80 H 90 1 1 0 1 1 1 16FH1 1 1 1 0 1 1 0F6H10 H90 H 3.9 ICL7107 (1) 3位双积分型 A/D 转换器 ICL7107 的功能与特点 2 1 ICL7107 是 3位双积分型 A/D 转换器，属于 CMOS 大规模集成电路，它的 2 1 最大显示值为1999，最小分辨率为 100uV，转换精度为 0.051 个字。 能直接驱动共阳极 LED 数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采 用5V 两组电源供电，并将第 21 脚的 GND 接第 30 脚的 IN 。 在芯片内部从 V+与 COM 之间有一个稳定性很高的 2.8V 基准电源，通过电 阻分压器可获得所需的基准电压 VREF 。 能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。 输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。 整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED 共阳极数码管， 就能构成一只直流数字电压表头。 噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。 芯片本身功耗小于 15mw（不包括 LED） 。 不设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将 LED 共阳极数数码管公共阳极 河北师范大学专科生毕业论文 20 接 V+. 可以方便的进行功能检查。 图 16 ICL7107 的封装 河北师范大学专科生毕业论文 21 (2) ICL7107 引脚功能及主要电气参数 双积分型 A/D 转换器 ICL7107 是一种间接 A/D 转换器。它通过对输入模拟电压 和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔， 然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。 RC 组成包括积分器、比较器、 计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是 A/D 转换器的心脏，在一个测量周期内， 积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与 零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。时钟信号源的标准周期 Tc 作为测量时间间隔的标准时间。它是由内部的两个反向器以及外部的RC 组成 V和 V-分别为电源的正极和负极， au-gu,aT-gT,aH-gH：分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、 十位、百位 LED 显示器的相应笔画电极。 Bck：千位笔画驱动信号。接千位 LEO 显示器的相应的笔画电极。 PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。 Oscl-OSc3：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第38 脚至第 40 脚电容量的选择是根据下列公式来决定： Fosl=0.45/RC 河北师范大学专科生毕业论文 21 COM：模拟信号公共端，简称 “模拟地” ，使用时一般与输入信号的负端以及基准 电压的负极相连。 TEST：测试端，该端经过 500 欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称 “逻辑 地”或“数字地” 。 VREF VREF- ：基准电压正负端。 CREF：外接基准电容端。 INT：27 是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生 漂移现象的元件 IN和 IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。 AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz。如果应用在 200mV 满 刻度的场合是使用 0.47F，而 2V 满刻度是 0.047F。 BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻 Rint。其输出级的无功电流 (idling current )是 100A，而缓冲器与积分器能够供给 20A 的驱动电流，从此脚接 一个 Rint 至积分电容器，其值在满刻度 200mV 时选用 47K，而 2V 满刻度则使用 470K。 表 ICL7107 的电气参数 ICL7107 V+ to GND 6V温度范围 0 to 70 PDIP 封装 电源电压 ICL7107 V- to GND -9V 热电阻 MQFP 封装 qJA(/W) 50 模拟输入电压V+ to V-最大结温80 河北师范大学专科生毕业论文 21 参考输入电压V+ to V-最高储存温度范围 150 时钟输入GND to V+ -65 to 150 河北师范大学专科生毕业论文 24 表 ICL7107 引脚 河北师范大学专科生毕业论文 26 3.10 ICL7107 与 LED 接线电路图 VBUFF 28 CAZ 29 VIN+ 31 VIN- 30 ACOM 32 VINT 27 CREF+ 34 CREF- 33 VREF+ 36 VREF- 35 V+ 1 V- 26 D1 2 C1 3 B1 4 A1 5 F1 6 G1 7 E1 8 D2 9 C2 10 B2 11 A2 12 F2 13 G2 25 E2 14 D3 15 B3 16 C3 24 A3 23 F3 17 G3 22 E3 18 AB4 19 POL