智能体重仪.doc

西华大学电气信息学院智能仪器课程设计报告 1、前言1.1选题背景与意义体重仪是日常生活中常用的器件，广泛应用药店、商场、医院等场所。智能体重测试仪在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，智能体重测试仪称重系统有称量精度高、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。智能体重测试仪系统的设计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，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测人体的体重。目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上智能体重测试仪系统的整体水平不高，部分小型企业产品 质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的智能体重测试仪系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善智能体重测试仪系统在应用中的不足之处，具有现实意义。1.2智能体重测试仪的发展方向与智能化智能体重测试仪系统不仅要向高精度、高可靠方向发展，而且更需向多种功能的方 向发展 。据悉, 目前智能体重测试仪的附加功能主要有以下几种：智能体重测试仪系统附加了计算机系补偿装置，可以进行自诊断、校正和多种 补偿计算和处理；具有皮重、净重显示等多功能。智能体重测试仪称重系统有些已经具备了动态称重模式，通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法，消除上述误差；附加特殊的数据处理功能。目前的智能体重测试仪有附加多种计算和数据处理功能,以满足多种使用的要求。今后,随着电子高科技的飞速发展, 智能体重测试仪技术的发展定将日新月异。 同时,功能更加齐全的高精度的先进智能体重测试仪将会不断问世。 智能体重测试仪的称重功能是基于单片机这一核心技术来实现的。由于目前在设计智能体重测试仪时大量地采用集成芯片，因此智能体重测试仪系统已经摆脱了以往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展。在此基础上可以实现系统功能的扩展，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。智能体重测试仪称重系统由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的智能体重测试仪有较高的性价比，在很多领域完全可以取代那些机械式的体重工具。2、总体方案设计2.1 方案比较对同一种目的的实现，可以用不同的方案，下面就着重介绍以下两种方案对同一目的的实现方法。并比较这两种方案的优劣。2.1.1方案一结构简图如下：数据采集单片机数码管显示图2-1 方案一原理框图此方案利用数码管显示体重，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的体重计，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系,但精确度欠佳。2.1.2方案二STC89C52单片机由传感器采集压力信号，前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。原理图如图2-2所示。压力传感器ICL7135 A/D转换器TL084仪用放大器LCD液晶显示 图2-2 方案二原理框图目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出体重。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。2.1.3方案三采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心，利用EDA软件编程，下载烧制实现。系统集成于一片Xilinx公司的Spartan系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。采用FPGA测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。从下图中可以看到系统的基本工作流程和各单元电路所用到的核心器件。其中控制器采用Xilinx公司可编程器件FPGA为核心，基于ISE软件平台，采用VHDL编程实现数据处理、LED和LCD驱动、时钟芯片的I2C通讯、键盘控制等模块。结构简图如下图所示：压力传感器信号放大信号转换FPGA时钟芯片报警电路LCD显示数码管键盘电路 图2-3方案三结构图FPGA的逻辑容量密度大，集成度高，可大大减少印刷电路板的空间，减低系统功耗，同时还可以提高设计的工艺性和产品的可靠性,但实现起来较为复杂。2.2 方案论证与选择方案一的缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现体重计基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，次方案的功能过于单一，达不到设计的标准。 方案三的缺点是：虽然以FPGA为核心的电子称系统很优化，但只有在大规模和超大规模集成电路中其高集成度才能更好得以体现。其主要在PC机接口卡的总线接口、程控交换机的信号处理与接口、雷达声纳系统的成像控制与数字处理、数控机床的测试系统等方面有广泛应用。鉴于本电子称的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能。综上，我们选择方案二。3硬件电路单元模块设计3.1特殊器件介绍3.1.1电阻应变式传感器-LHD001LHD001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。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。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：图3-1传感器结构原理图当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。当忽略电源的内阻时，由分压原理有：= （2.2）当满足条件R1R3=R2R4时，即（2.3）=0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡条件。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 应变片式传感器有如下特点：（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。（3）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。（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 3.1.2 TL084放大器概述：TL084，TL084A及TL084B高速J-FET输入四通道运算放大器，在一个单片集成电路里包含了良好匹配的高压J-FET及双极性三极管。它具有宽共模(磕打Vcc+)及差模电压范围、低输入偏置及偏移电流、输出短路保护、高输入阻抗J-FET输入级、内部频率补偿、锁定自由操作、高循环率等特性。其管脚图如下：表3-2 TL084引脚功能序号功能直流电压（V）序号功能直流电压（V）1输出16.558输出36.52反向输入16.559反向输入36.53非反向输入16.510非反向输入36.54VCC+1211VCC-05非反向输入26.512非反向输入46.56反向输入26.513反向输入46.57输出26.514输出46.53.1.3 MAX232MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。芯片如图3-3所示：图3-3 MAX232引脚介绍：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。 8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。 主要特点：1、符合所有的RS-232C技术标准 2、只需要单一 +5V电源供电 3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V- 4、功耗低，典型供电电流5mA 5、内部集成2个RS-232C驱动器 6、内部集成两个RS-232C接收器该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。选择MAX232芯片实现TTL电平与EIA电平的转换，通过RS232传输线可以与PC机实现串行通讯。单片机系统中采用的最简单的上电自动复位电路，上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现上电复位。3.2 单元模块设计3.2.1 单片机系统模块设计在单片机系统电路中，包括电源电路，放大电路，A/D转换电路，LCD1602显示电路，MAX232电平转换电路。时钟电路选择的晶振为12MHz。LCD1602可以显示16*2个字符，用于显示的处理后的压力的大小。由于单片机的电平逻辑是TTL/CMOS电平逻辑, MAX232是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。选择MAX232芯片实现TTL电平与EIA电平的转换，通过RS232传输线可以与PC机实现串行通讯。LCD1602是自带字符库的LCD液晶显示器，可以显示16*2个字符，此电路中由P0口控制读写的数据，由CPLD构成的总线控制控制器控制LCD读写。图3-5单片机系统模块电路3.2.2 A/D转换电路模块设计本次设计要使用A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号进行采样，A/D转换器是要将时间和幅值都连续的模拟量转换为时间、幅值都离散的数字量，一般要经过取样、保持和量化、编码几个过程。 模拟电流信号经过仪用放大后，输出电压足够大，信号可以被AD9244组成的A/D转换电路转换为数字信号，从而可以被MCU的后续电路处理。AD9244 是 AD 公司推出的一款 14 位高精度高速模数转换器。它由 + 5V模拟电供电 ,也可以在+ 3V或 + 5V的数字电压下正常工作。AD9244提供有片内参考电压 , 并集成了高性能的抽样和保持放大器。正常工作情况下 , 其最高抽样速率可以达到65MSPSAD9244内部使用多级差分电路结构 ,并带有自动纠错的逻辑电路 , 可以在 65MSPS的输入数据速率下保证 14bit 的精度。本次设计中，AD9244的外围电路如图3-5所示，引脚CLOCK和BUSY分别接单片机的14脚（T0）和12脚（INT0）,参考电压为5V稳压管分压所得。图3-6 A/D转换器3.2.3 电源模块设计在重量测量系统中，TLC084为正负9V供电，单片机、液晶为5V供电，ICL7135为-5V供电，所以在系统中需要四个电源，考虑到数字部分与模拟部分的干扰，我们需要设计两个电源，一个模拟对系统的模拟部分供电，一个数字电源负责为系统的数字部分提供电源。在PCB设计是要采用一点接地的方式，能有效消除电源的干扰。本模拟电源在变压器变压、电桥整流和电容滤波后由三端稳压器7809、7909将电源先转换为-9V和+9V的电源，然后再经过三端稳压器7805、7905转换为-5V和+5V，为系统模拟部分提供电源。图3-7模拟电源电路图数字电源是由经变压器变压和电桥整流电容滤波后再由三端稳压器7805转换为+5V的数字电源，为系统数字部分提供电源。图3-8数字电源电路图3.2.4 串口通讯接口设计 将PC程序通过串口下载到STC单片机上，需要将正负12V的电平转换到0到5V的TTL电平，这样单片机才能和PC进行正常通信。芯片第11（TIN1）、10（TIN2）脚分别和单片机的11（TXD）脚、10（RXD）脚相连其应用电路如图3-8所示：图3-9 MAX232接口电路3.2.5 仪用放大设计仪用放大器是一种高性能的放大器。其对称性结构可同时满足对放大器的抗共模干扰能、输入阻抗、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。该电路前级采用同相放大器，可获得很高的输入阻抗，后级采用差动放大器可获得较高的共模抑制比，增强电路的抗干扰能力。在本电路中，有三个增益通道，根据对输入信号的处理要求，我们可以通过模拟开关CD4066选择不同的增益。该电路三个放大倍数可选择10倍，100倍，1000倍。放大倍数计算公式为：K=（1+（R9+R10）/R）*R13/R11 式中，R分别为R6、R7、R8，当选择不同的放大倍数时，R所对应的值不同。R=R6时，放大倍数为10倍，R=R7时，放大倍数为100倍，R=R8时，放大倍数为1000倍。在本次设计中，选用Tl084芯片作为仪用放大器。图3-10 仪用放大电路图3-11 增益通道选择电路3.2.6 LCD显示设计本设计我们采用LCD1602显示电压值。LCD1302可以显示16*2个字符，芯片工作电压为4.5V到5.5V，第三脚V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令。D0到D7为双向数据口，RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。图3-12 LCD1602接口3.2.7 中心控制模块设计 单片机以其高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统，数据采集系统、智能化仪器仪表，及通讯设备、日常消费类产品、玩具等。并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各层次中，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家用电器（冰箱、空调、彩电）等，无不含有 CPU控制器 。89C52作为单片机的一员具有以下特点：1、统可编程特性：首开单片机学习开发系统的先河，可方便地在系统实现程序下载，实时修改程序的不足之处，并立即从目标系统中反映出修改的结果，大大缩短单片机学习开发的周期，提高效率。2、全速仿真：弥补传统学习系统不能全速仿真的缺陷，使系统运行的结果完全反映代码的执行情况，更切实地吻合教学仪器的特点。其次，在软件开发前的仿真调试后，完全可烧写入目标芯片，并能获得完全一致的代码执行结果。是集学习、开发于一身的优良的目标系统。3、可重复利用性：目标系统上的所有资源均能重复利用并能通过软件调配或通过扩展槽增加其它的功能提高系统的实用性。4、软硬结合，操作简单方便：我们不仅提供丰富的硬件资源，也提供良好的上位机控制软件，只要通过软件的功能操作就能实现：源代码的调试编译，查找与修改错误之处，在线代码下载等功能。使单片机的学习与开发一体化，集成化，更进一步体现系统学习的优越性。89C52的管脚图图3-12所示： 图3-13 AT89c52单片机原理图4、软件设计设计使用的开发软件为Keil编程环境软件。Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。设计采用的是使用最广泛的C51语言进行程序设计。C51语言是一种结构化语言。它层次清晰，便于按模块化方式组织程序，易于调试、维护和移植。C51语言的表现能力和处理能力极强，能完成较大或较复杂工程的编写。总体框图如下： 初始化上电A/D数据采集数据计算显示图4-1系统总框图4.1 子程序设计在测量过程中，我们采用子程序设计方法，一个测量模块完成一个测试功能，测量模块中包含初始化程序，显示程序，延时程序等。4.1. A/D转换子程序设计 A/D9244对放大后的电压信号进行A/D转换，采用单片机的ALE引脚作为时钟，晶振采用12MHZ，ALE的时钟频率为2MHZ，经过四分频后，得到500KHZ的时钟，该时钟能有效消除工频干扰。该时钟同时接A/D9244的CLK引脚和单片机的T0计数器引脚，将BUSY 与INT0相连，设置T0高电平开始计数，停止的触发方式为下降沿触发。在A/D转换期间，BUSY引脚一直是输出高电平，在高电平期间用T0对时钟信号进行计数，BUSY信号的下降沿到来时，计数停止。计数个数减去10001，则是电压的数字量。框图如下：入口启动A/DA/D转换出口结束？YN入口读计数值TH0、TL0清零出口关闭计数器图4-2 A/D转换与中断处理子程序框图A/D转换中断处理子程序如下：void INT0_() interrupt 0 uint temp;float vot; EX0=0; TR0=0; temp=TH0; temp=(temp8)+TL0; temp=temp-10001; temp=temp-6050; vot=temp; vot=vot/0.26; temp=(int)(vot); b9=temp%10+0x30; b8=temp%100/10+0x30; b7=temp%1000/100+0x30; b6=temp%10000/1000+0x30; b4=temp%100000/10000+0x30; b5=.; TH0=0x00; TL0=0x00; EX0=1; TR0=1;模块程序都有初始化，测量，显示模块构成，统一如下：void display() wc(0x80); for(i=0;i13;i+) w