电子秤设计.doc

湖北工业大学商贸学院毕业设计摘 要改革开放为我国电子秤装备工业提供了前所未有的发展机遇。到“八五”末期，我国已可生产原料药机械与设备、制剂设备等八大类1100多个品种规格的电子秤装备，具有20世纪80年代初以上国际水平的产品占主导地位，部分产品具有国际先进水平，产品不仅能满足5000余家中西药厂、1000多家动物药厂及保健品厂的需求，而且出口美、日等数十个国家和地区。此时，我国电子秤装备行业的生产企业数、产品品种规格、产量均已位居世界首位，成为名副其实的电子秤装备大国。但在质量和技术上与国际先进国家和地区相比差距还很大。核心技术和产品质量，中国急需提高。电子吊秤的使用简便，占地面积小，节省人力物力，可以使计量工作连续进行，实现计量数据远传，集中监视，使人离开恶劣和危险的工作环境且易于和吊车控制系统结合在一起，因此电子吊秤的设计和制造就显得很重要。关键词：电子秤 EDA 传感器Abstract Scale of Chinas reform and opening up electronics equipment industry, an unprecedented development opportunity. To the Eighth Five-Year late, China has to produce bulk drugs machinery and equipment, preparation equipment, more than 1,100 varieties of eight major specifications of equipment, electronic scales, with the early 20th century, more than 80 world-class products dominate, some products international advanced level, the product can not only meet more than 5,000 Chinese and Western pharmaceutical companies, pharmaceutical companies and more than 1,000 animal health products plant needs, and export of the United States, Japan and other dozens of countries and regions. At this point, my electronic scale production equipment industry, the number of enterprises, product specifications, production had been ranked first in the world, a truly great power electronic weighing equipment. However, in quality and technically advanced countries and the international comparison still a big gap. Core technology and product quality, China urgently needs to improve. Electronic Hanging Scale easy to use, small footprint, saving resources, allows continuous measurement, Can measure and remote data transmission, centralized monitoring, people from poor and dangerous working environment and the crane control system and easy to combine, so the design and manufacture of electronic crane scale becomes very important.Keyword: Electronic Scale EDA Sensor目录摘要 Abstract 目录引言11 传感器 21.1力敏传感器的类型 21.2力敏传感器的主要特性参数 21.3力敏传感器的原理及应用 32 EDA设计思路53 EDA的设计53.1 VHDL顶层文件53.2 传感器产生信号73.3 计时模块 83.4 显示模块 104 技术总结 16结束语17参考文献18致谢1919引 言EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线、仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。现在对EDA概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA应用。目前EDA技术已在各个大公司、企事业单位和科研教育部分广泛使用。1 传感器1.1 力敏传感器的类型力敏传感器是使用最广泛的一种传感器，它是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力能量的总称，也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。力敏传感器的种类甚多，传统的测量方法是利用弹性元件的形变和位移来表示的，但它的体积大、笨重、输出非线性。随着微电子技术的发展，利用半导体材料的压阻效应和良好的弹性，研制出半导体力敏传感器，主要有硅压阻式和电容式两种。它们具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点，因此半导体力敏传感器得到广泛应用。力敏传感器大致可分为：应变式力敏传感器、压阻式力敏传感器、电容式力敏传感器、压电式力敏传感器、电感式力敏传感器、谐振式力敏传感器。1.2 力敏传感器的主要特性参数(1)测量范围、上下限值和量程。在允许误差限度内被测量值的范围称为测量范围。测量范围的最高值和最低值称为测量范围的上限值和下限值。上下限值的代数差就是量程。(2)精确度。被测量的测量结果与真实值间的一致程度。(3)蠕变。当被测量及其所有环境条件保持恒定时，在规定时间内输出量的变化。(4)零点输出。在标准条件下，被测量为零时传感器的输出，一般希望此值尽量接近于零。(5)激励。为使元件或传感器正常工作而施加的外部能量，一般是电压或电流。(6)漂移。漂移有零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移是指在规定的时间间隔及标准条件下，零输出值的变化。由于环境温度变化引起的零点漂移称为热零点漂移。灵敏度漂移是指在规定的时间间隔及标准条件下，灵敏度的变化。由于环境温度变化引起的灵敏度漂移称为热灵敏度漂移。(7)迟滞。在规定的范围内，当被测量值增加或减少时，输出中出现的最大差值。(8)温度。分为工作温度、补偿温度、存储温度。工作温度是由极值给出的传感器工作的环境温度范围，传感器在此温度范围内工作不会受损。补偿温度是指对传感器的零点和灵敏度进行补偿的温度范围。这个值一般比工作温度范围小，在补偿温度范围内工作时，传感器的零点、灵敏度温度漂移较小。存储温度是指传感器在此温度范围内长期存放。(9)绝缘电阻。指在室温条件下，施加规定的直流电压时，在传感器规定的绝缘部分之间测得的电阻值。(10)稳定性和可靠性。稳定性表明传感器在规定的条件下存储、试验或使用，经历规定的时间后，仍能保持原来特性参数的能力。可靠性是指传感器在规定的条件下和规定的时间内完成所需要的功能的能力。1.3 力敏传感器的原理及其应用1.3.1 应变式力敏传感器：电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻式应变片应用最多的是金属电阻应变片盒半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘合剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生变化时，电阻应变片也一起产生形变，使得应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常比较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路显示或者执行机构。(1)拉力的测量。在切削加工中，因为切削速度低，可以在拉刀的卡具上粘贴应变片经行受力状态的测试。(2)电子皮带秤。应力传感器具有代表性的应用就是荷重传感器。荷重传感器是将检测器件贴附在感受弹性变形的部位，承受机械应变，由此而测量出汽车等的荷重。(3)压敏导电橡胶构成的力敏开关。导电性橡胶在压力的作用下，电阻值会急剧变化，所以，可以用作压敏开关的使用。(4)数字压力显示装置。它能直接用数字的形式显示应变片上承受的压力，常用来称物体的重量或测量承受压力的大小。(5)数字血压计。数字血压计具有使用元件少、体积小、调试简单、使用方便、测量速度快的特点，其分辨率为0.1Kpa，并有足够的精度。(6)水压水深测量仪。水的深度不同，其压力也不同，水的压力随水的深度以0.01Mpa/m呈线性变化。这样只要能测得水的压力，便可知水的深度，水深测量仪就是根据这一原理制成的。1.3.2 压电式力敏传感器：石英晶体在正常情况下表面呈电中性，当在一定的方向上施加压力后，其内部电荷会产生移动，从而在表面上出现电势差，这就是压电效应。根据压电效应制成的力敏传感器称为压电式力敏传感器。压电式力敏传感器与半导体力敏传感器相比，其最大优点是能在高温、高压力条件下工作。譬如在汽车发动机内部压力的测量中，需要能经受得起高温和高压力，因此半导体压力传感器就难以胜任，只能由压电式力敏传感器来完成这样的任务。(1)加速度计。加速度传感器是利用质量将加速度转换成作用力，在压电元件上产生电荷输出。传感器在感受被测加速度时，通过传感器中的质量块转换成作用在压电元件上的作用力，同时质量块又起预紧力的作用。(2)电子气压计。电子气压计用气压表检测大气压力，对于预报天气具有重要意义。传统的气压计使用玻璃管式的气压表，在使用之前，需要调节刻度盘指针位置，经较长时间才能测量出气压的变化，而且由于机械摩擦的影响，会带来很大的测量误差。这里所指的电子气压计，是用压电片作为力敏传感器，用发光二极管随时自动显示大气压力及变化趋势。1.3.3 电容式力敏传感器：电容式力敏传感器由于结构紧凑、抗震性好、精度高、调整零点初量程时互不干扰，进来得到了迅速发展。常用的电容式力敏传感器主要有两种，其一是变极距式电容力敏传感器，其工作原理是：当硅膜片两边存在压力差时，硅膜片产生形变，从而引起电容量的变化；另一种是种通过改变电极面积而使电容发生变化的传感器。1.3.4 电感式力敏传感器 电感式力敏传感器的基本原理是电磁感应原理。利用电磁感应将压力转换成电感量的变化输出。常用的有自感式和互感式两类。电感式力敏传感器大都采用变隙式电感作为检测元件，它和弹性敏感元件组合在一起构成电感式压力传感器。其结构简单，工作可靠，测量力小，分辨力高，压力造成的变隙在一定范围内时，输出线性可达0.1%，且比较稳定。2 EDA设计思路电子吊秤感受力敏传感器的力的变化，使得传感器元件发生形变，使得传感器输出信号，然后使用A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号，然后送到可编程芯片EP1K30TC144中，然后通过VHDL设计将处理的信号送到数码管上显示出来。采用SR4力敏传感器，力敏传感器的标称电阻为120欧，电路中放大器采用以用放大器AD521。A/D转换器采用ICL7107，用数字显示其测量的压力，CLK接入芯片，显示数值为01999传感器信号输出和A/D转换图图2.13 EDA设计3.1 VHDL顶层设计 顶层文件就是用元件例化格式将显示模块、计时模块、分频模块组合在一起。其原代码如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY clock ISPORT( clk:IN STD_LOGIC; enable:IN STD_LOGIC; sel:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); -choose:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); segment:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END clock;ARCHITECTURE rt1 OF clock ISCOMPONENT clk_div100PORT(clk:IN STD_LOGIC; clk_div:out STD_LOGIC);end component;component time_counterPORT( enable:IN STD_LOGIC; clk0:IN STD_LOGIC; sec10:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); sec:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec10:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);end component;component displayPORT( clk:IN STD_LOGIC; sec10:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); sec:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec10:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); sel:out STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); -choose:out STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); segment:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);end component; signal sec10: STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); signal sec: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); signal seec10: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); signal seec: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); signal clk0:STD_LOGIC;beginu0:clk_div100 PORT MAP(clk,clk0);u1:time_counter PORT MAP(enable,clk0, sec10,sec,seec10,seec);-u2:display PORT MAP(clk, sec10,sec,seec,seec10, choose, segment);u2:display PORT MAP(clk, sec10,sec,seec10,seec,sel,segment);end rt1; 3.2 传感器产生信号clk 电子吊秤传感器产生信号是外部信号经10次分频后得到的。作为计数脉冲，clk_1输出100Hz时钟脉冲信号。实际上，该模块就是一个10进制计数器的分频电路，并且为实现严格的同步，该模块采用了同步计数器电路。其原代码如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY clk_div10 ISPORT(clk:IN STD_LOGIC; clk_div:out STD_LOGIC);END clk_div10;ARCHITECTURE rt1 OF clk_div10 ISSIGNAL q_tmp:integer range 0 to 9;BEGINprocess(clk)beginIF(clkevent and clk=1)then if(q_tmp=9)then q_tmp=0; else q_tmp=q_tmp+1; end if;end if;end process;process(clk)beginIF(clkevent and clk=1)then if(q_tmp=9)then clk_div=1; else clk_div=0; end if;end if;end process;end rt1;3.3 计时模块 力敏传感器有调零端，因此调零较方便。A/D转换器AD521的显示量为kg/cm，显示分辨为1 kg/cm。这是一种输入阻抗高、增益调整方便、对共模噪声有较强抗干扰能力的差动放大器，经常用于放大桥路的输出信号，电路增益为100，有Rs/Rg决定。该模块就是用元件例化格式将10进制计数器组合在一起，构成重量显示的各个位的数据。其原代码如下：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY count10 ISPORT( enable:IN STD_LOGIC; clk:IN STD_LOGIC; cout:out STD_LOGIC; q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END count10;ARCHITECTURE rt1 OF count10 ISSIGNAL q_tmp:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINprocess(clk)beginIF(clkevent and clk=1)then if(enable=1)then if(q_tmp=1001)then q_tmp0); else q_tmp=q_tmp+1; end if; end if;end if;q=q_tmp;end process;cout=1when q_tmp=1001and enable=1 else0;-cout=1when q_tmp=1001 else0;end rt1;-*LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY time_counter ISPORT( enable:IN STD_LOGIC; clk0:IN STD_LOGIC; sec10:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); sec:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec10:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END time_counter;ARCHITECTURE rt1 OF time_counter ISCOMPONENT count10PORT( enable:IN STD_LOGIC; clk:IN STD_LOGIC; cout:out STD_LOGIC; q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);end COMPONENT;SIGNAL co1,co2,co3,co4,co5,co6,co7:STD_LOGIC;BEGINU0:count10 PORT MAP(enable,clk0,co1,seec);U1:count10 PORT MAP(co1,clk0,co2,seec10);U2:count10 PORT MAP(co2,clk0,co3,sec);U3:count10 PORT MAP(co3,clk0,co4,sec10);end rt1;3.4 显示模块显示模块的输入信号主要来自于计时模块部分的输出信息。在输出信号中，我们采用循环点亮两个LED七段显示数码管显示输出。我们通过信号来进行8个LED七段显示数码的选择，从而将输出信号送到相应的LED七段显示数码上完成秒表各位的结果显示。模块框图如下：图3.1 显示模块框图从图31中可以看出，显示模块有四个部分构成：八进制计数器、计时位选择电路、七段显示译码电路、显示位选择译码电路。在外部时钟信号clk的作用下，8进制计数器的输出从000到111按顺序循环变化，输出信号为sel。信号sel经过位选择电路译码后产生用来选通一个LED七段显示数码管的choose信号，同时它还作为计时位选择电路的选择信号，用来选择对应位的数据并将其转换为四位位矢量。最后将计时位选择电路的输出信号q送到七段显示译码电路的输入端口，将其转换成用来点燃LED七段显示数码管的segment信号。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY count8 ISPORT( clk:IN STD_LOGIC; sel:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);END count8;ARCHITECTURE rt1 OF count8 ISSIGNAL sel_tmp:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);BEGINprocess(clk)beginIF(clkevent and clk=1)then if(sel_tmp=111)then sel_tmp0); else sel_tmp=sel_tmp+1; end if;end if;selqqqqqchoosechoosechoosechoosechoosechoosechoosechoosechoosesegmentsegmentsegmentsegmentsegmentsegmentsegmentsegmentsegmentsegmentsegment=XXXXXXX;END CASE;END PROCESS;END rt1;-*LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY display ISPORT( clk:IN STD_LOGIC; sec10:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); sec:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec10:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); sel:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); -choose:out STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); segment:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END display;ARCHITECTURE rt1 OF display ISCOMPONENT count8PORT(clk:IN STD_LOGIC; sel:OUT STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);END COMPONENT;-COMPONENT choose_decoder-PORT(sel:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);- choose:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);-END COMPONENT;COMPONENT time_choosePORT(sel:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); sec10:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); sec:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec10:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); seec:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END COMPONENT;COMPONENT seg7PORT(q:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); segment:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END COMPONENT;SIGNAL sel_tmp:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);SIGNAL q:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);-SIGNAL choose_tmp:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL segment_tmp:STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);BEGINU0:count8 PORT MAP(clk,sel_tmp);-U1:choose_decoder PORT MAP(sel,choose_tmp);U2:time_choose PORT MAP(sel_tmp, sec10,sec,seec10,seec,q);U3:seg7 PORT MAP(q,segment_tmp);sel=sel_tmp;-choose=choose_tmp;segment=segment_tmp;END rt1;4 技术总结本设计设计到力敏传感器以及A/D转换芯片的选择以及EDA的总体设计，最后输出。传感器种类繁多，对传感器的选择较为纷繁，通过电子吊秤使用的条件及其环境来选择合适的力敏传感器。由于一般的传感器输出大部分是模拟信号，所以要用到A/D传感器，转换后的数字信号CLK直接送到EDA程序中，通过程序中的几个模块处理送到LED显示出来。本设计电路性能为：外加电压约为12.8V，电流30mA；最大增益时，输入电压范围为0.8mV/V；零点调整范围约为1mV/V，显示数值为0到1999；零点漂移为2V/；外加电压漂移为0.005%/；非线性为0.05%/FS；噪声峰值为1.5V。元件引脚EPM1K30引脚序号LED数码显示A144B8C9D10E12F13G17Dp74