重量信号数据采集电路课程设计.doc

重量信号数据采集电路设计目录摘要7第一章 绪论81.1 选题背景与意义8第二章 系统方案的设计82.1 系统设计原理82.2设计原理图82.3 元器件选择82.3.1 传感器82.3.2 前级放大器部分102.3.3 A/D 转换器10第三章 总结123.1论文总结123.2 设计体会12致 谢13参 考 文 献13附录：原理图13重量信号数据采集电路设计摘 要：本设计共分为三个部分，第一部分为数据采集，由应变片传感器电桥将压力信号转换为微小的电压变化；第二部分是信号放大部分，由信号的前级粗调放大处理器件以及第二级微调放大处理器组成；第三部分是A/D转换部分组成，由ADC0809转换器将得到的模拟信号转换成数字信号。通过这三部分实现了所要求的功能。本设计通过压力传感器得到模拟型号量电压的改变，经过数据的处理得到数字量。关键词：应变片 压力传感器 A/D转换器 第一章 绪论1.1 选题背景及意义电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式秤量工具。相比传统的机械式秤量工具，电子秤具有秤量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。 而重量信号数据采集电路是其中重要的组成部分。第二章 系统方案的设计2.1 系统设计原理电子秤的工作原理。首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中。在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，还需要在传感器与A/D芯片之间加上信号调整电路。压力传感器A/D转换器信号放大电路2.2 设计流程图2.3 元器件选择2.3.1传感器选择：电阻应变片传感器应变片式传感器有如下特点：应用和测量范围广，分辨力和灵敏度高，精度较高，结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好，商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 设计要求秤重范围05000N，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定秤重5000N 。我们选择的是BSF120-3AA型传感器， 工作温度范围：-30-80；变形极限：2.5（单轴）；灵敏度为2.0-2.2电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。电阻应变片把机械应变信号转换为R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。下图为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源E：当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥秤为电压桥，即只有电压输出。当忽略电源的内阻时，由分压原理有： = （2.1）当满足条件R1R3=R2R4时，即（2.2）=0，即电桥平衡。式（2.3）秤平衡条件。应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。若差动工作，即R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（2.2），则电桥输出为 (2.3) 2.3.2由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LM324)做成一个差动放大器，如下图所示： 电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声干扰，C1、C2均为普通小电容，可以滤除高频信号干扰，C3、C4为大容量的电解电容，主要用于滤除低频噪声干扰。优点：输入级加入电压跟随器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，电阻R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。缺点：此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大。2.3.3 A/D 转换器8位的测量精度 5000N/28=19.953N由于 12位与14位的价格较为昂贵，我选择精度相对较低的8位A/D转换芯片，我选择了ADC0809。（1）ADC0809主要特性1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时） 4）单个+5V电源供电 5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-40+85摄氏度 7）低功耗，约15mW。（2）内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如下图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。（3）外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如下图所示。下面说明各引脚功能： IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一+5V。 GND：接地。2.4 参数计算由式2.3可计算得， V0=kV=5*2*10-4=10-3V到5*2.2*10-4=1.1*10-3VA/D转换器的输入电压为1-5V所以放大器放大倍数1000初级 R6/R3=500 二级放大 R9/R8=1到10第三章 总结3.1 论文总结经过几天的努力，终于按照课程设计进度要求如期完成了重量数据信号采集电路设计的硬件以及软件设计任务。在做课程设计的过程中，虽然碰到了不少的困难，但是在老师的指导以及自己的努力下，终于取得了一定成果。一、 主要工作及结论1、熟悉ADC0809芯片的功能及工作特性，掌握其接口功能。2、通过对数据采集的分析，掌握了压力传感器、运算放大器及A/D转换器的应用方法，对信号的采样、转换、传输有了更深的认识。二、 存在的问题1、电子电路的设计中对各种影响因素的考虑不够完全，比如在对过压情况的处理中未作防范措施。2、可扩展更多电路，设计不够完整，输出数字信号到单片机，进一步实现显示功能。 3.2 设计体会在此次设计中我收获良多。经过几天的努力，从在网上和书上寻找A/D转换的资料，到定下设计的基本框架，再到理清每一部分的原理，我将大学四年所学绞尽脑汁的拼凑在了一起。在每一部分都设计好后，我进行了原理图的组装，接着在仿真软件中进行了仿真，结果发现数据采集部分很不理想，于是又开始寻找心得A/D转换资料，改变数据采集电路。最终实现了良好的数据采集以及线性放大电路。在本电路中，传感器的信号放大是一个难点，放大后的信号既要保证不失真，还要保证在A/D转换器的分辨率范围内，否则将不能准确的进行电压的变化到重量变化的转换。在设计过程中，我试用了很多的放大电路，但是都以失败告终。最后，我在一个放大电路上进行了反复的调试，最后较为理想的实现了传感器输出信号的放大。 软件的设计比较简单，只要硬件电路实现其功能，就能应用软件进行很好的控制。最后我想说：“不积小流，无以成江海；不积跬步，无以至千里。”任何事情的成功，都需要自身能力的积累。致 谢此次课程设计的制作，凝聚了我的心血，也注入了老师和同学的无私帮助和热情奉献。在此，我要特别感谢我的指导老师张老师，感谢老师给予我的大力支持。从课程设计的资料的收集、参考书目的推荐到电路的调试和完成直到最后的论文定稿，张老师总是循循善诱的给我指出不足并给出中肯改善的意见。还要感谢我的同学们，他们给了我很多建议，让我更好的了解了相关的知识。同时他们也给了我心里上的支持，因为有这些人我才能完成这次的课程设计。在此，我对所有关心、支持我的老师及同学表示由衷的感谢。参考文献1 常健生.检测与转换技术（第三版）.机械工业出版社.2010.082 谭博学，苗汇静等.集成电路原理及应用（第二版）.高等教育出