称重仪的设计 精品.doc

称重仪的设计引言 称重仪是电子衡器的一种，电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段,对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。电子衡器具有反应速度快、测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传便于计算机控制等特点，被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口建筑机械制造和国防等各个领域。在工业现场和环境中干扰源是各种各样的，如噪音干扰、工频干扰等，抗工频干扰能力成为衡量电子衡器性能的重要指标。为了具备这一性能，市场上的电子衡器的电路普遍较复杂，相对地，成本也较高。而本产品电路简单，成本低，抗工频干扰强，具有很好的推广价值。1. 设计要求与系统设计方案1.1设计要求简述此次的设计要求如下：设计一称重仪，对模拟器输出的微弱信号（012mV）进行前级放大处理，再以较小的失真、误差来进行A/D转换，并要求具备较强的抗工频干扰能力。最后利用单片机AT89C51对数字信号进行处理，控制数码管显示等。要求浮动误差在02.00%之内，显示值与输入信号值比值在1.551.75之内。1.2系统总体设计 输入信号送入前级放大器放大，再经过A/D转换器转换成BCD码，然后把BCD码送入单片机AT89C51中进行处理，最后把数据送出数码管显示。输入信号前级放大A/D转换AT89C51数码管显示键盘处理图1-1 系统总体设计2、各电路模块设计方案的选择2.1 电源模块放大模块与A/D转换模块需要正负电源，且要求电源具有稳定性。方案一：采用 MC7812(正压)MC7912MC（负压）构成的的12V稳压电源。但其不可调，不能满足所需要的正负5V电源的要求。方案二：采用自制电源，可调式三端集成稳压器是输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的CW337系列（LM337）三端稳压器。自制电源输出电压的可调范围为Uo=-1212V，满足要求。2.2放大模块由于压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器精度的要求很高。 方案一：高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放 ( 如 OP07) 做成一个差动放大器，如图2-1所示。 图2-1 OP07构成的差动放大器电阻 R1 、 R2 电容 C1 、 C2 、 C3 、 C4 用于滤除前级的噪声， C1 、 C2 为普通小电容，可以滤除高频干扰， C3 、 C4 为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。 但其电路复杂，需要的元器件多，成本较高。 方案二：选用仪表放大器INA121芯片。其内部结构图如图2-2所示：图2-2 INA121内部结构图INA121是Texes Instruments BB公司生产的FET输入、低功耗仪器放大电路，性能优越。前置放大电路的放大倍数设置为50。较小的前置放大倍数可以避免极化电压的影响。电压放大电路的放大倍数设置的较高（取为100200倍），则可以保证总的放大倍数。采用仪表放大器INA121构成的电路简单，元器件少，成本较低。2.3 A/D转换模块方案一：采用8位A/D转换器ADC0809。ADC0809是逐次逼近式A/D转换期，双列直插式，最快的转换速度为100us，其引脚图如图2-3所示。图2-3 ADC0809引脚图 它由8路模拟开关，8位A/D转换器，三态输出锁存器以及地址锁存器译码器等组成。但其抗工频干扰能力较弱。 方案二：采用双积分A/D转换器。双积分型 A/D转换器具有很强的抗工频干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。作为电子秤，系统对 AD的转换速度要求并不高，精度上11位的AD足以满足要求。另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。综合的分析其优点和缺点，我最终选择了MC14433。2.4 控制模块 方案一：采用CPLD（复杂可编程逻辑电路）或FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。CPLD具有丰富的可编程I/O引脚，、使用方便灵活，不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能，适合完成各种算法和组合逻辑，但是功耗要比较大 ,且集成度越高越明显。FPGA可作为实现各种复杂的逻辑功能，特别用于大电流、大电压场合的控制，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。但由于设计的是摆锤运动控制，FPGA的高速处理功能不能得到充分的体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时芯片的引脚多使实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计的实际焊接的工作，降低了PCB板的灵活性。方案二：采用普通单片机控制，如8位的51单片机AT89C51。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。 AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。2.5 显示模块显示模块主要用于重量的显示。方案一：采用字符型液晶模块 JM1602C，JM1602C能显示基本的ASC码字符，采用CMOS工艺低功耗，内置KS0066驱动器，数据可直接传送，用并行输入输出形式，数据传送快，低延迟显示体现多样性，但是JM1602C的引脚电平为+5V，RAM的引脚电平为+3.3V，这样就要解决电压不匹配问题，灵活性降低。方案二：采用七段LED数码管显示，LED能显示数字和一些基本的字母，简单易用，把它和74LS164（串入并出移位寄存器）相使用，大大减少了控制器的I/O口。2.6 各个模块的最终方案经过仔细的分析和比较、实际模拟和理论论证，决定了系统各模块的最终方案如下：（1）电源模块：采用自制可调式三端集成稳压电源；（2）放大模块：采用仪表放大器INA121；（3）A/D转换模块：采用双积分A/D转换器MC14433；（4）控制模块：采用单片机AT89C51；（5）显示模块：采用七段LED数码管；3. 系统硬件设计和实现3.1 前级放大模块仪表放大器INA121构成的放大器及滤波电路如图3-1所示：图3-1 INA121构成的放大器通过调节 R3的阻值来改变放大倍数。微弱信号V-和V+被分别放大后从INA121的第6脚输出。双积分A/D转换器MC14433的输入电压变化范围是-2V+2V，称重仪模拟器的输出电压信号在012mv左右，因此放大器的放大倍数在100200左右，可将 R3接成 1K的滑动变阻器，从而改变其放大倍数。由于输入信号为直流电压，在INA121的输入管脚之前需接入滤波电路（图中的R1，R2，C1，C2，C3，C4电路）。3.2 A/D转换模块MC14433是美国Motorola公司推出的单片3 1/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：精度：读数的0.05%1字 模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档 转换速率：2-25次/s 输入阻抗：大于1000M 电源电压：4.8V8V 功耗：8mW（5V电源电压时，典型值） 采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0Q3轮流输出，同时在DS1DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。 MC14433的内部结构图如图3-2所示： 图3-2 MC14433内部结构图 模拟电路部分有基准电压，模拟电压输入。模拟输入电压量程为199.9MV或1.9999V两种，对应的基准电压为+200MV和+2V。 数字电路部分由逻辑控制BDC码，输出锁存器，多路开关，时钟，极性判别，溢出检测等电路组成。才用字位动态扫描BCD码输出方式，即千，百，十，个位BCD码轮流在Q0Q3端输出。同时，在DS1DS4出现同步字位选通信号。 由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码，所以，Q0Q3和DS1DS4可以通过8051单片机的并行口P1或通过扩展I/O电路与其相连。MC14433与8051单片机的P2口相连的电路如图3-3所示； 图3-3 MC14433与单片机连接图该电路采用查询方式管理MC14433的操作。由于引脚EOC与DU连接在一起，所以MC14433能自动转换。3.3 控制模块及显示模块 本系统的控制模块与显示模块相对较简单，故采用单片机最小系统。 单片机最小系统，是指在尽可能少的外部电路的条件下，形成一个可以独立工作的单片机系统。图3-4是单片机最小系统的原理图。实现以下功能：处理重量数据，实现重量的显示，控制数码管的显示。 图3-4 最小系统原理图3.4 系统硬件总电路 系统硬件总电路图见图3-5所示：图3-5 系统硬件总电路图4. 系统软件设计和实现4.1 查询子程序流程图 查询子程序流程图见图4-1：开始P2口送入A千位选通信号DS1=1？NY千位送入20H高4位5位P2口送入A百位选通信号 DS2=1？NY百位送入20H低4位P2口送入A十位选通信号 DS3=1？NY十位送入21H高4位个位送入21H低4位结束Y个位选通信号 DS4=1？P2送入AN图4-1 查询子程序流程图4.2 系统总流程图 系统总流程图见图4-2：开始调用查询子程序千.百.十个位放入R1. R2. R3. R4中调用显示子程序返回图4-2 系统总流程图5. 系统测试为了确定系统是否达到要求，并测试系统的基本参数，对系统的显示及放大倍数进行了实际的测试。5.1测试仪器序号仪器名称仪器型号用途备注1稳压电源供电自制251/2数位台式自动量程真有效值数字万用表UT805测电压电流电阻优利德科技（东莞）有限公司3模拟信号发生器输出（0-12mV）微弱信号5.2 指标测试 (1)放大模块的参数测试:放大前输入电压V1=11.401mV放大后输出电压V2=1.50311.5206V放大倍数A=1.5V/11.4mV=131倍最大误差:(1.5206-1.5031)/1.5031=1.16%由于系统滤波电路中的电容精度不高，还存在少许高频干扰,所以放大后输出的电压会浮动，但总体上达到了要求.(2)显示与输出的参数测试见表5-1.表5-1:测试次数第一次第二次第三次第四次第五次Min1Max1Min2Max2Min3Max3Min4Max4Min5Max5数码管显示值（吨）4.935.0314.3914.6615.6815.8517.5417.8418.4118.62模拟器输出值（mv）3.1063.1178.4698.6059.1669.21410.45610.60210.96211.052线性比例K=吨/mv1.5871.6131.6991.7301.7301.7201.6771.6821.6791.684显示浮动最大误差(max-min）/min2.02%1.87%1.08%1.70%1.14%5.3分析 系统能准确地显示重量, 浮动误差在02.00%之内，显示值与输入信号值比值在1.551.75之内。基本达到了设计要求。通过研究，发现系统浮动误差的根本原因是仪表放大模块的滤波电路中电容的精度不高。由于实验室不能提供较高精度的电容，所以本系统的精度只限于目前的程度。 改进方案：把放大模块中滤波电路中的电容换为高精度的电容，就可提高系统的精度及减少浮动误差。结束语此次系统以单片机AT89C51为控制部件，称重仪模拟信号为输入信号 ,通过前级放大器,双积分A/D转换器,把转换后的BCD码送入AT89C51中进行数据处理,最后在数码管上显示.系统的精度基本达到了要求。由于实验室提供的电容精度不够高，导致系统具有一定的浮动误差，若把放大模块中的电容换成高精度的电容，系统的精度也必然会提高。附录一: 主要元气件清单 附表1 主要元件清单序号元件型号元件名数量备注1AT89C51单片机12MC14433双积分AD转换器13MC1403基准电压14INA121仪表放大器15数码管4附录二: org 0000h ljmp main org 0020h main: lcall servezbcd: mov a,20h ;千位放入R1 anl a,#10h mov 40h,#04h zhyi1:rr a djnz 40h,zhyi1 mov r1,a mov a,20h ;百位放入R2 anl a,#0fh mov r2,a mov a,21h ;十位放入R3 anl a,#0f0h mov 40h,#04h zhyi2:rr a djnz 40h,zhyi2 mov r3,a mov a,21h ;个位放入R4 anl a,#0fh mov r4,a lcall zdgsh lcall YANSHI lcall YANSHI sjmp main;*;最高位为0时不显示;*zdgsh: cjne r1,#00h,dsplay ; 最高位为0,不显示 mov r1,#0ah ; 数码管暗 cjne r2,#00h,dsplay mov r2,#0ah cjne r3,#00h,dsplay mov r3,#0ah cjne r4,#00h,dsplay mov r4,#0ah;*;显示子程序;*dsplay: MOV DPTR,#Tab ;找表首 MOV R0,#04H LED: MOV R6,#08H MOV A,R0 ;读数据 MOVC A,A+DPTR SETB P1.1 ;P1.1时钟信号 cjne r0,#02h,