电子称自动检测技术综合.ppt

第一节自动检测系统及设计原则,自动检测系统的首要环节就是获取原始被测量的传感器或有关的敏感元件，实现一次变换。考虑到它们的敏感、变换原理或特性的限制以及外界影响，一次变换后的信号通常满足不了测量与控制的要求。因此总要经过一些中间环节进行处理，实现信号放大、阻抗匹配、干扰抑制、滤波等功能。这样可以按照一定的规律或方式构成开环或闭环检测系统。,自动检测系统设计,一、开环检测系统,二、闭环检测系统,三、自动检测系统设计原则,在设计、综合和配置检测系统时，应考虑以下要求：,1、性能稳定2、精度符合要求3、有足够的动态响应4、具有实时和事后数据处理能力5、具有开放性和兼容性,基于以上要求，在设计自动检测系统时，应当遵循一系列的原则，以保证测量精度和满足所规定的使用性能要求。,1、环节最少原则,自动检测系统的设计原则,组成自动检测系统的各个元件或单元通常称为环节。开环检测系统的相对误差为各个环节的相对误差之和，故环节愈多，误差放大。因此在设计检测系统时，在满足检测要求的前提下，应尽量选用较少的环节。,2、精度匹配原则在对检测系统进行精度分析的基础上，根据各环节对系统精度影响程度的不同和实际可能，分别对各环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配，做到恰到好处，这就是精度匹配原则。,3、阻抗匹配原则测量信息的传输是靠能量流进行的，因此，设计检测系统时的一条重要原则是要保证信息能量流最有效的传递。这个原则是由四端网络理论导出的，亦即检测系统中两个环节之间的输入阻抗与输出阻抗相匹配的原则。,4、经济原则要尽量采用合理的结构型式与合理的工艺要求，恰当地进行各环节的灵敏度分配和误差分配，尽量以最少的环节、最低的成本建立起高精度的检测系统。,5、标准化与通用性原则为缩短研制周期，便于大批量生产和使用过程中的维修，在设计中应尽量采用已有的标准零部件，对新设计的零部件也要考虑到今后在其他方面可能使用的通用性问题。,第二节自动检测系统的设计步骤,自动检测系统设计的一般步骤包括：自动检测系统的分析、系统总体方案的设计、系统硬件设计、系统软件设计、系统集成等。,设计题目：电子称设计,(1)首先明确检测系统必须实现的功能和需要完成的测量任务,一、自动检测系统的分析,(2)了解设计任务所规定的性能指标。,(3)了解测量系统的使用条件和应用环境。,设计一种小型、简便、精确度高的电子平台秤，量程20Kg，分度值为20g，它用一个显示窗口来显示所称物体的重量。基本功能：置零、超重报警可选功能：去皮、标定,置零：在开机或称重过程中，仪表显示偏离零点且在称重范围内，则可按置零键，显示零值并零点指示灯亮。去皮：在称重显示状态下，按去皮键，则显示零值并去皮指示灯亮；在去皮状态下，拿掉皮重物时按去皮键，可以清除皮重值。标定功能：为保证仪器预定精度的可靠性和合法性，仪器必须定期校准，为用户提供一种方便的自动校准方式。,二、自动检测系统总体方案设计,在检测系统分析的基础上，明确设计目标之后，即可进行总体方案的构思与设计。所谓总体设计，是从总体角度出发对自动检测系统的带有全局性的重要问题进行全面考虑、分析和设计计算。总体设计包括系统的控制方式选择、输入输出通道及外围设备的选择、系统结构等几个方面。,电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器,【设计思想】,1电子秤的基本结构电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：,电子秤的基本结构,（1）承重、传力复位系统它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。(2)称重传感器即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。,(3)测量显示和数据输出的载荷测量装置即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。,系统总体设计方案比较与论证,此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。缺点是：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。电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。,方案一,方案二,此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。,方案三,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。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。,1、微型计算机的设计（选择）由于该系统所处的工作环境并不是恶劣的条件，而且本电子秤的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第三种设计方案。AT89S系列单片机是继AT89C系列之后推出的功能更强的新产品。AT89S系列与AT89C系列相比，运算速度有了较大的提高，它的静态工作频率为033MHz，片内集成有双数据指针DPTR、定时监视器(watchdogtimer，又称看门狗)、低功耗休闲状态及关电方式、关电方式下的中断恢复等诸多功能，极大地满足了各种不同的应用要求。,三、自动检测系统的硬件设计,AT89S52单片机是AT89S系列中的增强型高档机产品，它片内存储器容量是AT89S51的一倍，即片内8KB的Flash程序存储器和256B的RAM。另外，它还增加了一个功能极强的、具有独特应用的16位定时计数器2等多种功能。AT89S52是一种兼容MCS51微控制器，工作电压4.0V到5.5V，全静态时钟0Hz到33MHz，三级程序加密，32个可编程I/O口，2/3个16位定时/计数器，6/8个中断源，全双工串行通讯口，低功耗支持Idle和Power-down模式，Powerdown模式支持中断唤醒,看门狗定时器，双数据指针，上电复位标志。我们在外面扩展了32K数据存储器，以满足系统要求,2、数据采集部分传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。,方案一压电传感器压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。,方案二电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素：（1）小功率、高阻抗，易受外界干扰。（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。,方案三电阻应变式传感器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。另外，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。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。,方案四电涡流传感器通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移及相关物理量的测量。,通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。题目要求称重范围020Kg，重量误差不大于50g，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称重20Kg。,3、放大电路部分经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。,方案一：测量放大器,这种电路是由三个放大器构成的，差动输入端与是两个输人阻抗和电压增益对称的同相输入端。由于性能对称,其漂移将大大减少，加上高输入阻抗和高共模抑制比，对微小差模电压很敏感，并适于测量远距离传输信号，因而适宜与传感器配合使用。多用于热电偶、应变电桥以及微弱输出信号有较大共模干扰等场合。,方案二：实用测量放大器,目前，各模拟器件公司竞相推出了许多型号的单片专用测量放大集成电路供用户选择使用。因此，在信号处理中需对微弱信号放大时，可以不必再用通用运算放大器来构成测量放大器。采用单片测量放大器芯片显然具有性能优、体积小、电路结构简单、成本低等优点。AD521和AD522是AD公司推出的单片精密测量放大器。,AD521具有高输入阻抗、低失调电压、高共模抑制比等特点。其增益可在0.11000之间调整，增益调整不需精密外接电阻，各种增益参数已进行了内部补偿；有输入输出保护功能,有较强的过载能力。,经过处理的模拟信号送入微机前，必须进行量化，即A/D转换。为减少转换误差，希望模拟信号尽可能大。在A/D输入的允许范围内，输入的模拟信号尽可能达到最大值。在另一种情况下，由于被测量在较大的范围内变化，如果较小的模拟信号也放大成较大的信号，显然只使用一个放大倍数的放大器是不行的。因此，在模拟系统中，为放大不同的模拟信号，需要使用不同放大倍数。为了解决上述问题，工程上采用改变放大器放大倍数的方法解决。在微机控制的测试系统中，希望用软件控制实现增益的自动变换。具有这种功能的放大器称做程控增益放大器。,方案三：程控增益放大器,4、A/D转换器部分,A/D转换器选用的原则：（1）A/D转换器的位数。A/D转换器决定分辨率的高低。在系统中，A/D转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。（2）A/D转换器的转换速率。不同类型的A/D转换器的转换速率大不相同。积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速A/D转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速A/D转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。,（3）A/D转换器的有关量程引脚。有的A/D转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。（4）A/D转换器的启动转换和转换结束。一般A/D转换器可由外部控制信号启动转换，这一启动信号可由CPU提供。转换结束后A/D转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平。通知微处理器读取转换结果。,由上面对传感器量程和精度的分析可知，系统的分辨率为0.05/20=0.0025，所以A/D芯片的分辨率应大于0.0025.12位A/D芯片的分辨率：20Kg/4096=0.0048；14位A/D芯片的分辨率：20Kg/16384=0.0012；12位A/D转换器无法满足系统精度要求。所以我们需要选择14位的A/D转换器。,逐次逼近型A/D转换器，一般具有采样/保持功能。采样频率高，功耗比较低，是理想的高速、高精度、省电型A/D转换器件。但考虑到所转换的信号为一慢变信号，逐次逼近型A/D转换器的快速的优点不能很好的发挥。,双积分型A/D转换器虽然速度较慢，但转换精度高，具有精确的差分输入。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。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特强。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。综合的分析其优点和缺点，我们最终选择了双积分型A/D转换器ICL7135。,5、人机交互部分（1）键盘输入键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。,方案一矩阵式键盘设计矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。矩阵式键盘相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活。缺点就是需要用软件处理消抖、重键等问题。,方案二专用键盘Intel8279是一种为8位微处理器设计的比较成熟的通用键盘/显示器接口芯片，其功能有：接收来自键盘的输入数据，并作预处理；数据显示的管理和数据显示器的控制。但是在与单片机的连接时占用较多的接口资源。ZLG7289是周立功单片机公司设计的串行输入输出可编程键盘/显示芯片，有强大的键盘显示功能，支持64键控制，可以比较方便地扩展系统。另外ZLG7289内部有译码电路，大大简化了程序。因此，我们选择功能更好的专用键盘显示芯片ZLG7289作为键盘扫描显示芯片。,（2）输出显示方案一全部采用数码管显示，数码能显示时钟，以及被测物体的重量等信息。此方案显示直观，而且编程简单，但若要同时显示单价，金额售货员编号等诸多信息则需要要大量的数码管，而且不能显示中文。由此增加了电路的复杂程度，也加大了编程的难度。LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示方式。在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。其中两片74LS244分别用于段信号和位信号的驱动，74LS273用于段信号的锁存，其锁存地址为7FFFH。,方案二采用可以设置显示单价，金额，中文，购物日期等的LCD，它具有低功耗、可视面大、画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已得到广泛应用。我们选择了点阵式12864型LCDOCM4x8C。,6、系统电源部分系统需要多种电源，单片机需要5V电源，A/D转换器需要5V，+1V，传感器需要10V以上的线性电源（不能用开关电源，否则称重数据不稳定）。方案一采用三端固定稳压芯片7805和7812为系统提供稳定的电源。这个部分由整流电路、滤波电路、稳压电路等组成。78系列是输出电压固定的三端集成稳压器，输出为正电压，输出电流可达1A。方案二以LM317和LM337型号的芯片为核心来设计电源电路。选用初级220V、次级18V，功率为10W的变压器两只提供交流电源，经过整流稳压滤波后，再分别由LM317和LM337提供系统所需的直流稳压电源。,系统传感器电源的设计直接影响系统的稳定性和精确度。实践证明，电桥电源采用一级稳压，稳压器采用78系列，称重误差为10%，屏幕显示的称重数据变化较大，各部分之间协调性较差。若采用二级稳压，稳压器采用78系列，称重误差为3%左右，各部分之间协调性较好。由此可见电桥电压的重要性。经反复试验发现，采用差动式电源可将电源的波动部分中和掉，大大提高电桥输出精度及稳定性。另外，系统要求扩大输出电压的调节范围，故使用它很不方便。所以，具体设计时考虑到运算放大器的放大能力与工作电压的大小关系，以及电源芯片的自身优势等因素，最终选用了性价比比较高的LM317和LM337来设计电源电路，给系统提供正、负电压，满足系统正常工作电源的要求。,系统硬件结构框图,电器原理图（1）主控电路P1口和P2.0P2.6口作为地址总线，其中P1口作为低地址线和数据总线复用，P2.0P2.6口做高地址线。P2.7作为62256的片选控制总线，ALE接锁存器74LS373的使能端。P3.6和P3.7作为外部数据存储器写/读选通信号输出端分别接62256的/WE和/OE端。主控电路图如下：,(2)电源电路选用初级220V、次级18V，功率为10W的变压器两只提供交流电源，经过整流稳压滤波后，再分别由LM317和LM337提供系统所需的直流稳压电源。具体电路如下图：,（3）信号的提取处理部分,图中电容C1、C2用来滤除采样信号电压中的高频噪声，选用0.1uF的普通独石电容；电容C3、C4用来滤除采样信号电压中的低频噪声，选用22uF的普通独石电容.,ICL7135是一种双积分式4位半单片A/D转换器，其工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（俯冲频率），再通过定时器（计数器）获得数字信号。芯片引脚封装如下图所示：,（4）A/D转换部分,1脚（）：电源端；2脚（）：基准电压输入端；3脚（）：模拟地；4脚（）：积分器输入端，接积分电容；5脚（）：积分器和比较器反相输入端，接自零电容；6脚（）：缓冲器输出端，接积分电阻；7脚（）：基准电容正端；8脚（）：基准电容负端；9脚（）：被测信号负输入端；10脚（）：被测信号正输入端；11脚（）：电源端；12、1720脚（）：位扫描输出端；1316脚（）：码输出端；21脚（）：忙状态输出端；22脚（）：时钟信号输入端；23脚（）：负极性信号输出端；24脚（）：数字地端；25脚（）：运行读数控制端；26脚（）：数据选通输出端；27脚（）：超量程状态输出端；28脚（）：欠量程状态输出端。,ICL7135与单片机的连接,（5）人机交互界面,键盘控制电路ZLG7289采用串行方式与微处理器通讯,串行数据从DATA引脚送入芯片，并由CLK端同步。当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入ZLG7289的缓冲寄存器。P1.5口接/CS；P1.6口接CLK；P1.0口接DIO；P3.2口接/KEY，利用中断0通知AT89S52读数。键盘控制芯片ZLG7289控制键盘的扫描，当监测到有键按下后ZLG7289的9脚便产生一个低电平通知单片机，单片机可以采用查询或者中断方式将数据通过P3.0口以串行方式读入。因为查询方式会浪费大量的时间，所以本系统采用的是中断方式。,液晶显示电路OCM4x8C是具有串/并接口，其内部含有中文字库的图形点阵液晶显示模块。OCM4x8C的液晶显示屏为12864点阵，可显示4行、每行8个汉字。为了便于简单、方便地显示汉字，该模块具2Mb的中文字型CGROM，该字型ROM中含有8192个1616点阵中文字库；同时，为了便于英文和其它常用字符的显示，具有16Kb的168点阵的ASCII字符库；为便于构造用户图形，提供了一个64256点阵的GDRAM绘图区域，且为了便于构造用户所需字型，提供了4组1616点阵的造字空间。利用上述功能，OCM4x8C可实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示。为便于和多种微处理器、单片机接口，模块提供了4位并行、8位并行、2线串行、3线串行多种接口方式。,四、自动检测系统软件的设计软件设计的质量直接关系到系统的正确使用和效率。软件的设计、开发、调试及维