毕业论文-基于MCS-96单片机双向加力式电子天平

1、毕业设计论文专 业 * 年 级 * 姓 名 * 学 号 * 论文题目 基于MCS-96单片机双向加力式电子天平 指导教师 * 目 录摘要-3第一章 前言- 41.1子称重仪器的开展水平和开展方向- 4 - 4-689第二章 双向加力式电子天平原理及总体设计- 1010问题的提出-10双向加力式电子天平称重的根本原理-1113天平杠杆系统的数学模型-13模拟电路闭环调节系统分析-14161720 双向加力式电子天平硬件设计-2121信号检测电路-213.1.2 PID调节器-22温度检测电路- -25反相比例求和电路及积分器电路-273.1.5 A/D转换通过脉宽调制的实现-28333.2.1

2、80C196KB与专用计数器的连接-24 外部程序，数据存储器的扩展-39 显示电路- 39 CMOS串行E2PROM93C46-42 串行接口电路-44 双向加力式电子天平软件设计-48485051525355第五章 误差分析及数据处理-5858重力加速度的变化因素-58 纬度与海拔高度对电子天平输出的影响-596364677172737475致谢-77参考文献-78基于MCS96单片机双向加力式电子天平摘要电子称重技术是现代称重计量和控制系统工程的重要根底之一。近年来，随着计算机和称重传感器技术的迅速开展，现代科学技术的相互渗透，电子称重技术及应用又有了新的开展。称重特点从单参数测量向多参

3、数测量特别是对快速称重和动态称重的研究与应用，已成为衡量一个国家科学技术水平和工业兴旺程度的重要标志。尤其近年来，随着计算机技术和微电子技术等相关技术的迅猛开展，国际上称量技术的开展趋势是实现快速称量，提高灵敏度和测量精度，提高动态稳定性，要求称量装置自动化、多功能化、在线化。特别是计算机网络的出现，电子称重仪器更是向着小型化、网络化的方向开展。并且在动态质量测量、称重传感技术、以及称重显示控制器等方向有了较大的开展。AbstactThe electronics weighs the technique is one of the important foundations that the

4、modern weighs to calculate and control the system engineering.In recent years, along with the calculator and weigh to spread the technical and quick development of the feeling machine, modern science is technical to permeate mutually, the electronics weighs the technique and applications and has the

5、 new development.Weigh the characteristics to measure from the single parameter measure toward many parameters to have become important marking of measure a national science technique level and industry flourishing degree towards weighing quickly to weigh with dynamic state of research and applicati

6、ons, especially.Particularly in recent years, along with the fast fierce development of related techniques, such as the calculator technique and the micro-electronics technique.etc., international measure the technical development trend up is a realization to measure quickly, raise the intelligent d

7、egree and measure the accuracy, raise the dynamic state stability, request to measure to equip the automation, multi-function turn, on-line turn.Especially the emergence of.第一章 前言电子称重技术是现代称重计量和控制系统工程的重要根底之一。近年来，随着计算机和称重传感器技术的迅速开展，现代科学技术的相互渗透，电子称重技术及应用又有了新的开展。称重特点从单参数测量向多参数测量特别是对快速称重和动态称重的研究与应用，已成为衡量

8、一个国家科学技术水平和工业兴旺程度的重要标志。 电子称重技术是集电子、机械、材料、信息、管理为一体的综合技术，是一项系统工程，各工业兴旺国家都把电子称重结束的研究和应用提高到电子称重设备制造工程的高度来认识。将研究的重点，从单纯的称重转移到生产过程的称重系统和自动控制系统领域，使称重计量的内涵不断扩展，由狭义到广义，由单项到系统，新型的现代称重计量概念已脱颖而出。 尤其近年来，随着计算机技术和微电子技术等相关技术的迅猛开展，国际上称量技术的开展趋势是实现快速称量，提高灵敏度和测量精度，提高动态稳定性，要求称量装置自动化、多功能化、在线化。特别是计算机网络的出现，电子称重仪器更是向着小型化、网络

9、化的方向开展。并且在动态质量测量、称重传感技术、以及称重显示控制器等方向有了较大的开展。1.2 目前国内外电子天平的开展水平及状况 我国在八十年代中期已开始了电子天平的开发和研制工作。1986年，湖南大学成功研制精度为0.1mg(万分之一)，量程为0200g的智能电子分析天平，并于1986年在长沙通过了技术鉴定，填补了国内空白，到达了八十年代初的国际先进水平。 在以后的几年里，上海天平仪器厂、上海仪器二厂、北京光学仪器厂、北京康光仪器、沈阳天平仪器厂、沈阳龙腾电子称量仪器、常熟衡器厂、湘西天平仪器厂等厂家相继研制和开发了自己的电子天平产品，并到达了八十年代中后期的国际先进水平。而价格却大大低于

10、国外同类产品的价格。但是，由于传感器的制造、集成电路的生产工艺的限制，国内厂家的电子天平与国际先进水平还有一定差距，要想赶超国际先进水平仍需克服重重困难。 国外在电子天平的研制和生产上日本、德国、瑞士等国起步较早。早在八十年代初期，这些国家已能成系列大批量的生产电子天平。目前这些国家电子天平的产量、数量在年产30万台以上，占全世界电子天平产量的90%以上，其电子天平的技术处于国际领先水平。另外，美国、法国等的电子天平也开展的很快。 下面将90年代末期国内外各厂家生产的电子天平的品种及技术指标进行比拟见表1.1：国别生产厂家系 列品种个数最大称量单位：g读数精度日本A&D公司HA系列电子分析天平

11、ER系列电子分析天平FR系列电子分析天平FA/FX/FY系列精密电子天平EK系列便携式称重计数多功能天平EP系列多功能精密工业天平EP系列精密工业天平 4 3 2 4 3 4 3120-21032-180210-310120-3100120-1200012-60kg1-120kg1mg1-100mg10-100mg1g德国sartorirs公司LC系列电子分析天平AC系列电子分析天平RC系列电子分析天平BA系列电子分析天平PT系列电子天平微量及超微量电子天平2334156560-3400060-21052-25030-6100121-61003-25100mg1g瑞士MettlErAE系列电子

12、分析天平AB/BP系列电子分析天平PM系列电子精密天平AT系列电子分析微量天平微量及超微量电子天平511126441-20550-310080-610022-4051mg100mg100mg2ug-1mg美国DenverAA系列电子分析天平AB系列电子分析天平AC系列电子分析及精密天平DI系列电子分析及精密天平AL系列电子精密天平DE系列电子分析天平AINSWOKTHJ系列黄金及钻石天平44131176431-25040-3000100-12000100-12000300-5000100-300040-4001mg100mg100mg100mg100mg100mg1-10mg中国上海天平仪器厂

13、FA系列电子分析天平JA系列电子精密天平JB系列电子精密天平JY系列电子精密天平MD系列电子精密天平JZ系列电子精密天平DA系列电子分析天平761139230-120200-21005100310100-2000110-600030-1201mg100mg100mg100mg200mg200mg中国北京康光仪器有限公司MP系列精密分析天平 3200-20001-10mg中国沈阳龙腾电子称量仪器ES系列电子天平2460-50kg中国常熟衡器厂DF系列电子分析天平DJ系列电子精密天平DT系列电子天平664110-200200-6100200-20001mg100mg 目前，国内生产的电子天平根本上

14、具备了采用先进的微机技术及传感器激素，具备称量快速、精度可靠、自动校准、去皮重等功能；接上不同接口可与打印机、计算机等外部设备相连；有的还能实现计数称重、百分比称重、动物称重、标准偏差称重、存储数值称重、添加称重、最大最小称重、乘数称重、不同单位之间的换算及过载保护等。 但与国外先进水平相比，无论是在品种上、质量上、自动化水平上、仪器造型上、产量上、更新换代的速度上仍然有一定的差距。1.3 电子天平的特点及其开发电子天平与以往的称量仪器相比，其主要特点如下：1 速度快。约5-8秒即可稳定。2 精度高。目前电子天平的最高精度可达0.1ug。3 重复性好。4 可偏心称重，而且比拟准。5 使用简单、

15、方便、集百分比称重、技术称重、动物称重等多种称重方式于一身，还可进行多种单位制之间的转换。6 可自动校准或外部校准。7 可与打印机或计算机进行通讯。8 自动去皮重。9 对周围环境自适应。10 故障自检测等等。正因为电子天平拥有如此之多的功能及特点，因此广泛的应用于国防、科研、工厂、实验室。不仅能作常规的测试，还可以在一些特殊的场合做物质质量的测定，如：在流水线上做检测仪、对放射性物质的称量、在钟表元件厂对钟表元件进行程量及计数、作粮食水分检测仪等。电子天平的开发和研制已朝着以下方向开展： 1 超薄便携式天平。电子仪器的开展趋势是向微型开展，电子天平也不例外。体积小、使用方便、便于携带的电子天平

16、更受用户的欢送。 2 测量精度高。天平的感量即天平的分辨率自天平诞生之日起便一直是人们关注的焦点，也成为评价天平的一项重要指标。机械传感器局部及电子信号处理局部对天平感量的提高同样重要，而天平感量同测量精度又息息相关。 3 软件代替硬件。硬件本钱高、且其电器性能有时还影响天平的性能；而硬件的各局部总要消耗一定的能量，影响电子天平主板的温度，进而也影响了电子天平主板的工作性能，使其测量精度降低。目前，温度补偿、线性补偿、全量程调整、PID调节等模拟电路均由软件来实现。 4 多种测量功能。电子称重的趋势是快速、自动化，与各种电子设备联机能力强，各种不同的称量方式满足不同用户1的要求。特别是计算机网

17、络的快速开展，使计算机对多台电子天平的监控成为可能。 5 多量程、多精度的实现及多种单位制之间的换算等。多量程、多精度可以实现一机抵多机。另外，由于各行业及各地测量单位不一样，多种单位之间的换算也是必要的。 6 防暴天平、防风天平、防腐天平以及防震天平等能在特殊环境中工作的电子天平也正在由各国电子天平厂商研制和开发中。这些天平将拥有巨大的市场。1.4 论文的主要任务及本人在工程中所承当工作 龙腾电子称量与江苏大学合作，研制开发新型双向加力式电子天平，本人在工程中承当的任务如下： 1 调研、收集和查阅国内外有关电子天平的资料为开发工作准备。 2 剖析日本A&D公司、瑞士METTLER公司同类电子

18、天平的结构和原理。 3 参与双向加力式电子天平主板硬件系统设计，绘制印刷电路板。4 双向加力式电子天平软件系统的编写和系统调试用单片机高级语言PL/M-96。本人在做毕业设计期间参与此工程的开发，并以此为毕业设计论文题目，本人将在以下几个方面作详细的阐述：1 双向加力式电子天平的根本原理。2 双向加力式电子天平的总体设计。3 双向加力式电子天平的硬件系统设计。4 双向加力式电子天平的软件系统设计。5 误差分析及数据处理。1.5 小 结由于电子天平的诸多特点决定了它在现代化社会中的广泛应用，研制开发新型的电子天平是占领未来市场的根本保证。从以往看来，每一项电子技术的新突破都可能推动电子天平的更新

19、换型，微处理器的出现与更新换代、大规模可编程逻辑器件、专用集成电路的生产、专用单片机及专用芯片的出现，无不在电子天平中得到表达。因此研制与开发电子天平，一方面要注意国外电子天平的先进之处，另一方面也应关注电子技术的开展状况，使得我国的电子天平早日赶上或超过世界先进水平。第二章 双向加力式电子天平原理及总体设计 电子天平是广泛应用的精密质量计量仪器。传统使用的机械天平，由于其称重速度慢，操作十分烦琐，校准十分烦琐，校准与去皮运算均由人工来完成。而且人为误差大，现在逐渐被淘汰了。电子天平去掉了传统机械天平的横刀与刀口，与全电子的形式出现，应用电磁力反响零位法原理，采用单片微处理机系统进行实时控制与

20、数据处理，实现了天平的电子化、数字化、智能化，另外，由于采用了温度补偿、数字滤波、线性补偿、程序自动跟踪技术等软、硬件措施，有效的削弱了干扰和温漂带来的误差，相对误差可达百万分之一。2.1 双向加力式电子天平的根本原理2.1.1 问题的提出沈阳龙腾电子称量仪器是中外合资、专门研制生产电子天平的公司。该公司的ES系列产品，有24个品种，称量范围10g-50g-1g，其中，量程为2000g和3000g的天平要求精度为1mg，由于所用的机芯传感器与1000g、500g、200g、100g等产品的机芯是一样的，这必然导致在2000g和3000g电子天平中磁缸线圈中的电流，磁缸中的磁场强度B与流过磁缸线

21、。 Fig.2.1 The relation between intension of magetic field and electronic current圈电流I的关系，如图2.1所示。由于电流的增大B与I呈非线性的关系。使得电子天平不是工作在图2.1所示的线性区域内，电子天平的称量就会出现偏差，无法保证天平测量的准确性。为了克服B与I的矛盾，有两个方法，一是改变传感器的机芯结构，二是利用B与I的正负对称关系，开发出一种双向加力式电子天平，国际上只有德国、日本成功的开发出了同类型的产品，在国内尚属空白，针对目前龙腾称量仪器公司开发2000G以上高精度天平所面临的难题，我们决定开发新型双向

22、加力式电子天平。2.1.2 双向加力式电子天平称重的根本原理 无论是单向加力还是双向加力的电子天平，它们的传感器局部都是一个杠杆结构。如图2.2所示： 对于单向加力式电子天平，1端要比2端重。对于双向加力式电子天平2端要比1端重。因此，当电子天平为上电时空载，杠杆都是不平衡的。上电后，由于PID调节网络的作用，杠杆恢复到平衡状态，此时磁缸线圈中有初始电I，当加载重物时，通过调节加力线圈中的电流的大小，使得杠杆再次平衡，这样根据加力线圈中的电流I便可测得重物的质量M。即空称时：GL2=BIL+G磁缸L1加载重物时：G+GL2=BIL+G磁缸L1G+G=BLL1/L2I+G磁缸L1/L2G=BLL

23、1/L2II 2.1其中，G为空称时称盘及配重的重量。G为重物的重量I为加载重物时加力线圈中的电流G磁缸为2端磁缸重量及配重L为磁缸线圈的长度B为磁缸的磁感应强度可见，加载重物的重量与加力线圈中的电流成正比，确定空载时的电流，即可测得重物的重量，进而确定待测物的质量。单向加力是电子天平在整个测量过程中，电磁力的方向是单向的。双向加力式电子天平的机械结构仍然是杠杆结构，只是在未加重物时，2端要比1断重，当1端加载重量为1/2GMAXGMAX是电子天平最大称量值时，电磁力为0，磁缸线圈中的电流为0。其中，1/2 GMAX +GL2=G磁缸FL2F=0那么 G磁缸=L1/L21/2 GMAX+GG+

24、GL2=BIL+G磁缸L1那么 G=BLL1/L2|II| 2.2可见，加载重物重量等于1/2 GMAX时，F=0；I=0；加载重物重量大于1/2 GMAX时，F0；I正向其中，电磁力F向上为大于0，此时的电流I为正向，但是，无论是正向还是反向的电流，电流的最大值I双向MAX=1/2I单向MAX (2.3)其中，I双向MAX：双向加力式电子天平最大称量GMAX时的电流I单向MAX：双向加力式电子天平最大称量GMAX时的电流这样，在量程加大，电子天平机械结构不变的情况下，测量同样质量的物体，双向加力式电子天平的电流值是单向加力式电子天平电流值的1/2，使电子天平电流工作在良好的线性区域内，保证了

25、测量精度。2.2 模拟电路闭环调节系统分析2.2.1 天平杠杆系统的数学模型 如下图的杠杆系统，应满足牛顿定律：其中，m系统的运动质量f阻尼系数k弹簧系数2.2.2 模拟电路闭环调节系统分析由上述分析可知，一个天平杠杆系统可简单扼要的认为是一个二阶系统，其传递函数为 我们可以简单的认为一个机械化天平系统它的框图如下： Fig.2.4 The framework of electronic balance without PID图中，w2为位置检测装置传递函数，视为比例环节w2=k2 w3为信号变换器的传递函数，视为比例环节w3=k3 w4是电磁力发生器的传递函数，视为比例环节w4=k4那么该闭

26、环系统未加PID校正网络时的传递函数为： 2.9该二阶系统的一般式为： 2.10我们知道，对于一个二阶系统，在不同阻尼条件下，响应是不同的。阻尼太大，过渡时间性太长；阻尼过小，那么产生振荡，也延长了稳定时间。适宜的阻尼系数，可以得到良好的过渡过程。但是要改变机械天平的传递函数使之获得最正确的阻尼状态是很困难的，因为从机械化很难配备影响动、静态特性参数的m、f、k的调整装置。然而在电子天平中，我们可以引入一个有源的PID校正网络，也就是在信号变换器的放大局部引入并联负反响，通过选择适宜的电路参数来改善系统的阻尼系数，获得满意的响应曲线。此时w2(s)有如下形式 2.11式中，T1积分电路的时间常

27、数TD微分电路的时间常数K1积分电路的比例关系KD微分电路的比例系数因此天平杠杆系统平衡调节框图如下：其中，传感器w2=k2磁缸系统w4=k4PID是运放等器件构成的控制器2.3 双向加力式电子天平的工作原理双向加力式电子天平的工作原理如图2.6所示。当称重物置于或卸下称盘时，由于称重量的变化，天平的蘅杆偏离零位平衡状态，引起相应的位移位置偏差，它带动光阑移动，从而通过光电检测器检测到一个与物重相对应的电信号。这个电信号经前置放大器、PID调节器、功率放大，反响给电磁力发生器的加力线圈相应电流，它的大小与物重成正比例。电磁力发生器在电流作用下产生一个与横杆位移方向相反的电磁力，把横杆恢复原位，

28、这时被测物的重量有良好的线性关系。被测物的重量与电磁力相平衡的关系式为： W=K0BDnI (2.12)其中，W被称物体的重量 K0常数与使用单位制有关 B磁钢的磁感应强度D线圈的直径n线圈的匝数I通过加力线圈的电流强度对某一线圈来说D和n都是一定的，而对某一磁钢而言B又是一定的，因此2.12式可简化为：W=K1I 2.13 式中，K1= K0BDn为常数。因此，通过检测电流I，就可经间接得到被称物体的重量。2.4 双向加力式电子天平的总体设计研制和开发双向加力式电子天平的主要任务是克服在机芯结构不变的情况下磁缸系统的饱和现象。同时增加了多种称量方式选择、多种单位制转换、与上位计算机的通讯功能

29、。为了增强系统的稳定性和降低本钱，在硬件系统软件化也作了探索。1 在微机测量系统设计方案上，一般有两种途径：一种是利用单片机及外围器件构成一个通用系统，配以必要的通道接口和外设，可以实现多种功能和物理量的测量，即所谓的“二层结构，目前的多功能天平即是采用的这种结构。另一种那么是本系统采用的，用大规模集成电路以最简捷的线路，组成满足设计要求的饿智能化微机最小系统，这种结构紧凑，本钱低廉，是智能化仪器的设计方向。2 本系统采用16位的80C196单片机，具有快速运算和超强的控制能力，特别适合电子天平的复杂的数据处理功能。硬件结构上采用组合装配式，载存储器容量和接口等方面留有余地，以利系统功能的扩展

30、和系统的饿调试、检查。3 在软件设计上，建立软件测量原理，采用多周期采样和加权处理技术，保证测量范围和精度。采用数字滤波技术，保证数据精度的跟随性和稳定性。采用零点自动跟踪技术，保证数据的重现性。4 双向加力式电子天平的测量原理和单向式根本相同，都是将被测物体的质量最后转化为脉冲量。但是，由于双向式天平在称量过程中加力线圈中的电流方向要发生转变，因此，其电路设计要满足电流的双向流动且可测，这与单向式有很大的区别。为了解决这个问题，我们考虑了三种方案，一种是用两套模拟电路，对正反向进行控制，单片机在判断正反向加力的同时对数据进行处理。这么做其测量正向或反向加力原理与单向是相同的。但由于器件本身的

31、分散性，会造成电路的不对称，测量的准确性会受到影响。另一种方案是采用软件来实现PID调节，用单片机的输出，作为正反加力供电电路的输入信号。还有一种方案，即本系统所采用的方案，采用硬件实现的PID调节网络，通过硬件来实现双向加力的控制，这种方案的优点是电路巧妙、简洁，易于实现。缺点是后面的称重信号电路比拟烦琐。 5 双向加力式电子天平设计原理如图2.7所示，任何一个平衡控制系统为了进一步提高精度和稳定性，都需要加进闭环系统，双向加力是电子天平其机械光电传感器与模拟线路组成一个闭环的电磁力平衡系统。假设称物加重，天平产生不平衡，通过光电检测到线圈在磁缸中的瞬态位移，经前置放大器和PID调节器产生一

32、个变化量的输出，使流经加力线圈中的电流I变化，电磁力加大或减小并与称物 重量相抵消而到达新的平衡。当重物质量小于1/2MMAXMMAX是天平最大称重值时，电流方向由三极管T1流向信号地，此时设电流方向为正。电磁力和称重物只连的杠杆原理I=KM 2.14K为常数处在磁场中的通电线圈，其中流过线圈的电流I与被称物体的质量M成正比。流过线圈的电流流经采样电阻，在采样电阻两端取得采样电压与采样电流对应，采样电压可正可负，采样电压经过反相比例求和电路与标准电压叠加，输出为负的电压信号。此电压经积分器基准电压叠加，接比拟器电路，与锯齿波发生器产生的锯齿波信号相比，产生线圈中电流I成正比的调宽脉冲信号，调宽

33、脉冲信号经测周计数器计数，得到相应的数字量，这个数字量与被称重物的质量相对应，在由计算机进行滤波、补偿、计算等复杂的数据处理，送液晶显示器显示的即为被称中午的质量。这个闭环的电磁力平衡过程是一个动态的过程，即天平的整个传动机构只要一通电，就一直处在不断的调整、不断的到达新的平衡的过程，天平的反响相当灵敏，称量读数相当精确。2.5 小结双向加力式电子天平的原理与单向式的根本原理在本质上是一致的，双向加力是针对量程加大，又不改变其机芯传感器而提出的一种比拟巧妙的解决方法。与同类机芯的单向加力式电子天平相比，传感器不变，根本的测量原理不变，硬件电路设计及软件数据处理特别是采用运算和数据处理能力都很强

34、的80C196KB型单片机作相应的改变，同样能到达很高的测量精度，但量程却大大的增加了，因此也可视为提高精度的一种方法，这要比单纯的以改变机芯的容量，增强磁缸的磁感应强度，来扩大量程的方法要经济、巧妙得多。第三章 双向加力式电子天平硬件设计双向加力式电子天平的硬件设计主要包括模拟电路局部和数字局部，模拟电路的功能主要是实现光电信号的转换，信号放大，PID调节，调宽脉冲的生成，温度信号的采集等。数字电路局部的功能是实现A/D转换，显示，通讯等功能。本系统采用十六位的80C196型单片机，具有运算速度快，数据处理能力强等特点。广泛用于各类检测和工业控制系统。还适用于一般的信号处理和高级智能仪器，以

35、及高性能的计算机外部设备控制和办公自动化设备控制器。3.1 双向加力式电子天平的模拟电路设计 称重信号由光电转换电路转换成电信号，最后转换成调宽脉冲，由计数器计数转换成数字量送单片机。模拟电路完成信号转换和PID调节功能，主要有以下5个局部的电路组成。3.1.1 信号检测电路1 位移检测器 在横杆处零位平衡状态时，两个光敏二极管接受的光强相等。光敏二极管受光照后产生与光强成比例的电流。平衡时，两光敏二极管电流相等。 当重物置于盘上时，盘下降，狭缝上升，位于上边的光敏二极管接受的光增加，下面的光敏二极管接受的光减少，此时I1I2。这个值在后面的调节器中变成电压值。2 信号调节电路 信号调节由电流

36、/电压变换局部和积分放大局部组成。光敏二极管输出的电流I1，I2流经相等的电阻，经放大后增幅。电流/电压变换：I1=I2，U1输出为0电平；I1I2，U1输出问电平。所以。积分放大器的对应输出为：I1=I2，U1输出不变化；I1I2，U1输出正向变化。3.1.2 PID调节器 在自动控制系统中，为了使系统稳定的工作，并且能获得效果好的调节过程，通常引入自动调节装置。集成运放PID比例、积分、微分电路自动调节器就是在自动控制中应用极为广泛的一种调节装置。调节器是对偏差信号进行比例、积分、微分等运算的装置，因而是一种具有特定传递函数的装置。而我们知道，要实现某一函数，最方便的方法就是使用高增益的运

37、算放大器，借助于深度反响，可使其闭环传递函数等于输入回路与反响回路传递函数之比。 如图3.3所示电路是反相输入式比例、积分、微分器的原理图。由反相放大器的根本公式可以得到即输出与输入信号呈比例、积分、微分关系。当输入阶跃信号时，输出波形如图3.4所示，得到这样一种输入、输出关系怎么就能起到自动调节的作用呢？下面以电子天平自动控制为例简要说明。图3.5是电子天平控制原理框图。位置检测器是检测原件，将检测值和给定值的差值送入PID调节器，驱动调节装置控制天平横杆。当横杆偏离平衡位置时，它能自动进行调节，使偏差消除。显然，PID调节器增益越大，控制系统的静态精度就越高，调节越迅速。R1C1R2构成比

38、例微分电路，当输入阶越信号时，由于电容C1上的电压不能突变，R1相当于被短路，所以在最初瞬间，放大器相当于开环。随着电容的充电，反响电压逐渐增大，输出电压也逐渐减小，等到充电结束，放大器恢复到比例放大状态。微分作用能反映输入信号的变化趋势，加速系统的过渡过程，减小调节时间。但增益太高，动态稳定性会变差，结果横杆不宜太大，而随着偏差减小，增益增大。这一点刚好由PID调节电路中的积分电路来完成。R1R2C2构成比例积分电路，偏差出现以后，例如输入端有阶跃信号输入，由于电容上的电压不能突变，C2相当于被短路，放大器处于较深的比例负反响状态，放大器的反响减弱，增益也逐渐增大。当调节过程结束时，C2相当

39、于开路，放大器恢复开环时的高增益状态，以保持良好的静态精度。可见，积分和微分是相辅相成的。如果能恰当的配合，就能得到良好的控制效果。 双向加力式电子天平的PID调节电路如图3.6所示，此PID调节器具有高频滤波环节。C1R2R1R3C2构成比例微分环节，其中C1R2R3构成微分环节，在主要工作频率范围内，R2不起作用。到了高频区，C1的阻抗小于电阻R2时，R2的存在限制了闭环增益进一步增大，但R2不能过大，否那么会引起微分运算误差的增大， 在反响回路中R3与C2并联，构成一个惯性环节。并联的小电容C2可以加强高频段的负反响，压低高频噪声，同时有相位超前特性，可以补偿C1造成的滞后作用，有利于闭

40、环稳定。R1R3C3构成比例积分电路。PID正常工作产传递函数此时，选择适当的T1、T2、T就可以补偿天平机械结构局部的传递函数，取得良好的控制效果，实现天平系统的快速性和超调量小的要求。 运算放大器U1B1TL702与三极管Q1、Q2组成的推挽功放电路共同构成对加力线圈的功率放大电路，三极管Q1、Q2接成设计跟随器的形式，放大倍数为1，运算放大器U1B只是起到了一个信号传递和隔离的作用。温度检测电路 单向加力式电子天平采用的是硬件的温度补偿，双向加力式电子天平采用软件温度补偿，因此本系统设计了一个温度检测电路，如图3.7所示。由温敏二极管和放大器、积分器等组成。它由四局部组成：基准电压源电路

41、、反相比例放大电路、积分器电路、比拟器电路。1 温敏二极管和放大器电路：由运算放大器U1AC4072和温敏二极管组成，其工作原理如下，温敏二极管经电阻R15接基准电压源，温敏二极管两端的电压接反比例放大器由C4072的输入端，当温度发生变化时，温敏二极管两端的电压发生变化，经反比例放大器放大输出一个负的电压信号，即U0=R17/R16Ui，Ui为二极管两端的电压。2 积分器、比拟器电路：积分器由运放U1BC4072和CD4066组成，比拟器由LM311构成，其工作原理如下：CD4066为双向模拟开关，80C196通过其高速输出端口HS0.2向CD4066发出一个方波信号，使CD4066的1、2

42、脚导通，这样基准电压源电路发出的基准电压、放大后的温度信号通过电阻R13和R18叠加，共同对电容C6充电，形成积分电路。积分器的输出因此调整HSO.2发出的方波的宽度，可以使积分器输出锯齿波。此锯齿波信号进入过零比拟器，比拟器输出方波信号u。如图3.8所示，可见比拟器输出方波的宽度与温度信号放大器输出信号呈对应关系，即温度值与方波的宽度呈对应的关系。将80C196KB的告诉输入口HIS.1在事件形式存放器中设置为正跳变、负跳变均为事件，那么在HIS.1可以捕捉到方波的宽度，这样就将温度值变成了相应的数字量，供计算机在温度补偿时调用。温度的计算方法如下：假设温度在050之间，在0时，单片机内部的

43、计数值为N0；在50时单片机内部的计数值为N50；在t时，单片机内部的计数值为Nt；那么内部计数值为N时，当前温度T与N的关系为 3.8由此可见，N与T的关系是一一对应的关系。测得N，便可获得当前的温度值，有了当前的温度值，便可利用温度补偿算法，对称量值进行补偿。 反相比例求和电路及积分器电路反相比例求和电路、积分器电路是信号转换电路。如图3.9所示，由运算放大器U2OP07构成的反相比例求和电路的主要功能，是将采样信号与基准电压信号叠加，输出负的电压信号。在不同的量程范围，是双向加力式电子天平加力线圈中的电流改变方向，称量范围较小时，采样电阻两端的信号电压为负值，称量范围加大时，采样电阻两端

44、电压为正值，为了在后续的电路中进行A/D转换等信号处理，采样信号与精密基准电压信号通过反相比例求和电路相加，输出负值的采样信号电压，反相比例求和电路输出U=-R9U1/R6+R9U2/R8。 积分器电路由运算放大器U3OP07构成，其功能为将反相比例求和电路输出的采样信号与基准电压通过电阻R14和R18共同对电容C1充电，这样做的目的有三个，一是增大了采样信号的动态范围；二是利用积分电路的滞后效应，使后续局部的采样更加稳定；三是使采样输出为负值，与锯齿波发生器发出的锯齿波比拟，从而输出方波。如图3.9。设采样信号为U1，基准电压为U2那么积分器的输出为U= -1/C1U0/R1+U2/R14。

45、CD4066的控制端接计数器的MF脚，此管脚为采样周期控制端，保证在一个采样周期内CD4066是导通的，即保证在采样周期内基准电压与采样信号完成积分动作，输出一个恒值信号。 积分电路的误差主要来自于非线性的误差，为减小积分电路的非线性误差，我们采取以下措施。选择Aod和Rid都比拟大，Uio和Iio相对较小的C4072集成运算放大器构成积分电路。电容器选择漏电小、损耗小的聚苯乙烯电容器作为积分电容。在积分电路的前级，设计了一个反比例求和电路，用来增大积分电路输入信号的幅值。积分时间T的大小、积分电容的大小影响积分误差，因此在设计电路时，我们用一个模拟开关，由计数器的MF端来控制积分时间，使积分

46、相对误差%可以忽略不计。3.A/D转换通过脉宽调制的实现一般电子天平的相对精度都在十万分之一以上，双向加力式电子天平的相对精度到达三十万分之一，要到达如此高的精确度，靠通常的A/D转换器是难以实现的。双向加力式电子天平使用了调宽脉冲计数的方法来实现A/D的模数转换功能。脉宽调制电路由锯齿波发生器和比拟器构成。 锯齿波发生器又三极管Q1、Q2及充电电容C4组成，比拟器为LM311。锯齿波发生器是根据电容充放电原理设计的。 1 工作过程：计数器的OFLOW引脚的负脉冲到来时，UQ2点为低电平，那么三极管Q2导通，此时C点电压为负，D点电位为零，通过Q2对电容C充电，Q2导通时等效电阻很小，因此C点

47、电压快速升至零，这时OFLOW负脉冲结束，C点电压为0，三极管截止，充电结束。对于三极管Q1，由于稳压管B1的作用，始终处于导通状态，当Q2截止时，电容C通过三极管Q1和电阻R34放电，C点电压逐渐下降至Vss。这样，随着计数器OFLOW引脚负脉冲的不断输出，电容C反复充电放电，那么CD输出相应周期与计数器输出波形周期相同的系列锯齿波。 2 详细分析如图3.10：为计数脉冲输入端，每1ms输入一个负脉冲；为比拟器的正相输出入端，输入锯齿波；为比拟器反相输入端，输入一个负的电压信号，且随着M的增大而减小；为比拟器输出端，输出脉宽。当端为+5V时，UQ2为： 当端为0V时，UQ2为： 由于开关管Q

48、2为PNP型，所以，当UQ2=-1.860.7V时，开关管翻开。即在端负脉冲信号到来时，开关管Q2翻开，对电容C充电。对于晶体管Q1，由于稳压管D1的作用，始终处于导通状态。它的基极电压Uq1稳压在11V左右，那么UB=-10V。当负脉冲结束时，开关管Q1翻开，此时Uc=0V，电容C通过三极管Q1，经由R34放电，直至Uc=UB=-10V。如图3.11所示的放电过程可以等效为： 这说明该回路的放电速度与有关，且越大，放电越慢，越小，放电越快。特别值得注意的是，在10-4s时候，虽然在t+3V。 逻辑“1电平：驱动器输出端为5V15V，负载端要求3V。 负载电阻：37K。 负载电容：2500F。

49、 MCS96的串行口与MCS51的串行口兼容，它由四种操作模式，三种是异步的，一种是同步的。异步模式是全双工的，即能同时收发。接受器是带缓冲的，即在第一个接收字节从接收存放器被读走之前，就可以开始接受第二个字节。发送存放SBUFtr和接收寄器SBUFrx在物理上是分开的，但通过一个串行口缓冲存放器SBUF07H去访问它们。模式0是同步方式，模式1至模式3为异步方式。 模式1：通过TXD发送数据，RXD接收数据。10位构成一串行帧，假设串行口控制存放器SP-CON中的奇偶样验允许位PEN=1，那么发送时的第8数据位将以偶校验位代之。 模式2：模式2的串行帧由11位构成。1位起始位，8位数据位，1

50、位可变成的数据位和1位停止位。发送时利用SP-CON存放器中的TB8位，把值赋给第9数据位，模式2不能允许奇偶校验。模式3：模式3与模式2具有相同的帧格式，发送时第9数据位仍通过TB8赋予0或1，假设PEN=1，那么该位是奇偶校验位。MCS96串行口的工作受串行口控制/状态存放器11H的控制，波特率决定于16位波特率存放器000EH的内容，存放器的最高位用于选择波特率发生器的输入频率源，最该位为1，选用XTAL1即振荡器频率，否那么选择来自T2CLK引脚的外部频率，波特率的低15位表示一个无符号整数B，不同模式下波特率可以用公式计算，采用XTAL1时，异步模式：波特率=XTAL1频率/64B+

51、1。本系统与上位机通讯采用串行模式3，有奇偶校验位，采用12MHZ晶振，串行口输入频率源为XTAL1。在参数设定功能中，波特率是可选的，分别为9600、4800、2400、1200，那么对应的波特率存放器值分别为8013H、8026H、804DH、809BH。本系统的传输距离不是很远，在使用的范围内RS232C也有一定的抗干扰能力，传输速率也可以满足本系统的要求，因此，在这里采用RS232C作为串行通讯接口。由于RS232C有自己的电气标准，而此标准并不能满足TTL电平传送要求，所以，必须进行电平转换。在此RS232信号和单片机串口信号的电平转换采用MAX232A，它是具有双驱动器、双接受器的

52、通讯器接口电路，不需要外接电容而进行倍压及电压极性转换，只需要+5V供电，电源电流为5mA。80C196KB通过TXD端发送信息，通过RXD端接收信息。80C196KB与RS232C的连接方式如图324所示。双向加力式电子天平软件设计 双向加力式电子天平软件的总体设计在电子天平的更新换代过程中，为了不断的降低本钱和增加系统的稳定性，局部硬件设计软件化的趋势越来越明显，这也是智能仪器开展的方向。我们在新开发的电子天平中，温度补偿、线性补偿、全量程调整等局部均由软件来实现。另一方面，为了满足不同用户的需求，我们在软件设计中设置了多达11种单位制的转换，以适应不同国家和地区用户的使用。我们设计了百分

53、比称量方式、动物称量方式、和计数称量方式等多种称量方式以满足不同用户的需求。为了适应不同地区重力加速度的差异，我们在每次使用电子天平时都可对电子天平进行全量程调整、去皮、校准等处理。使得电子天平在使用上更可靠、更方便。因此，双向加力式电子天平的软件设计比拟复杂，我们采用单片机高级语言PL/M96进行设计，PL/M是专为单片机开发设计的高级语言，支持结构化设计，语句功能强、代码转换率高、程序的可维护性可读性强。虽然在一些局部问题上PL/M程序代码生成情况不如汇编语言，但在处理比拟复杂问题时，前者的代码并不比后者大，甚至优于后者。因此完全能适应单片机的动态要求。尤其在线性补偿等比拟复杂的数据处理过

54、程中，调用PL/M浮点运算库FPAL96，运算十分方便，在本系统中取小数点后四位有效数字，能够很好的保证运算精度。在PL/M语言中，子程序称为过程，本系统程序设计采用模块化程序设计，程序功能尽量由子程序来完成，使主程序简明易懂，便于调试和维护。主程序主要完成自检、程序初始化、按键扫描、开关中断、称量方式选择、线性化处理、温度补偿、全量程调整、称量结果显示、自校准、参数设置、以及通讯的功能。程序设计中还涉及很多针对硬件的功能子程序，局部已在硬件设计中表达过，如93C46读写子程序、显示子程序、串口通讯子程序等。双向加力式电子天平软件系统概要程序框图如图4所示，图中绝大多数程序还要调用其它子程序，

55、而且这些子程序之间也要相互调用，为简洁起见，图中只画出了主要的调用关系。主程序框图如图所示。限于篇幅，在此不一一介绍。下面将程序设计的几个主要模块作简要介绍：主程序：完成自检、程序初始化、按键扫描、开关中断、称量方式选择、线性化处理、温度补偿、全量程调整、称量结果显示、自校准、参数设置、以及通讯的功能。初始化子程序：完成相关存放器的初始调设置、变量初始化、参数设置初始化、显示缓冲区初始化等。中断效劳子程序：完成采样、采样值排序去出粗大误差、多周期累加等。参数设置子程序：实现程序中涉及的功能参数的外部设定、在这个子程序中需调用9346数据读写子程序。称重方式选择及单位换算子程序：有称重状态下MO

56、DE键切入，完成称重方式的选择及不同单位制之间的选择换算。按键判断及扫描子程序：双向加力式电子天平的键功能比拟复杂，只有五个按键，却要实现方式选择、单位换算、去年处理、参数设定、自校准、全量程调整、打印通讯等二十多种功能，所有键皆为复用键，且在不同方式下具有不同的含义。在键功能的设计上，我们用用建立键值表的方法。 线性化处理子程序：完成电子天平称重结果的线性补偿，消除非线性误差。 温度补偿子程序：根据温度补偿算法，消除温度变化造成的误差。 校准子程序：完成全量程调整和内部参数值校准功能。 计算功能子程序：按昭线性关系，将内部采样值通过计算，转换为称重值，调用计算功能子程序之前，要先进行计量单位

57、的选择。 实时显示子程序：将显示缓冲区中的数据及信息送液晶显示模块显示。通讯子程序：接受上位计算机的命令和将天平中的数据，按设定方式发送给计算机。中断效劳程序设计中断效劳程序的主要功能是采样，即读取中断计时器的计数值。本系统采用的中断计数器的晶振频率为12MHZ计数器为十四位，那么两次中断的时间间隔为365ms，由于采样的连续进行，在这个时间间隔内，尤其采用PL/M高级语言编程，能实现的功能有限，否那么会造成连续中断，即上次中断未出，又进行下次中断，因此中断效劳程序只能完成采样、累加求和、插入排序等功能。其中，累加求和与插入排序两段程序的顺序不能颠倒，这与消除随机误差的干扰有关，这方面的细节已

58、在第三章中讨论过。 校准程序的设计电子天平是根据电磁力平衡原理设计制造的，在诸多对其精度可能产生影响的因素中。地心引力的影响比拟突出，不同地域、不同的地心引力势必造成天平显示值的不同，因此当天平从一地移到另一地使用时，误差我们可以通过校准天平来实现。这就是校准程序的作用。校准程序分为全量程校准和修正校准砝码值两局部。正确的校准程序如下：天平校准前，需至少预热40分钟。在一般称重的状态下，按CAL键，显示“CAL 0。按TARE键，显示“CALF。将标准砝码放在称中盘上，按TARE键校准开始，校准结束后显示“CALEND进入正常的称重状态。修正校准砝码值的步骤如下：当“CAL 0和“CAL F显

59、示时，按CAL键，显示3000.00。按PRINT键减1，按MODE键加1，重复按键到实际值后，按TARE键，然后按正常的校准步骤进行天平的校准。下次校准时，根据砝码实际值重新设置。校准程序框图如图43所示。键盘程序的设计 双向加力式电子天平只设五个键，CAL、TARE、ON/OFF、MODE、PRINT等，但其键功能却很复杂，包括称重控制、参数设定、方式选择、自校准等，因此以上五个键均为复用键，且在不同的方式下具有不同的含义。在键功能子程序的设计上，我们采用建立键值表的方法，将键包括复合键的判断设为过程，过程的返回值作为键值，按键判断子程序过程如下：程序中，当ON/OFF键按下时过程返回1，

60、TARE键按下是过程返回2，MODE键按下时过程返回3，ON/OFF键按下时过程返回4，PRINT键按下是过程返回5，ON/OFF键和TARE键同时按下返回6，无键按下是过程返回0。这样，在程序中子要调用过程KEYVAL，即可实现对键盘的扫描。如执行以下语句A=KEYVAL；IFA=1THEN，就可以判断ON/OFF键是否按下。 参数设定程序设计 为了满足用户的各种需求，双向加力式电子天平设计了用户软件，用户可根据需要自行改变参数设定。参数设定程序需要调用9346数据读写子程序，将用户设定的参数存入9346中指定的单元，供程序运行时调用、判断。以满足用户对功能和精度的要求。电子天平每次上电时，