两通道称重系统的设计.docx

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两通道称重系统的设计

现代测量技术与误差分析

两通道称重系统的设计

姓名

学号

专业

学院

XXXX大学

XXXX年XX月

摘要

随着传感器技术、电子技术和微机技术的崛起，称重技术得到了迅速发展。

称重系统在数字化，智能化等方面有长足的进步，称重系统的研究与开发也进入了一个崭新的阶段。

本文设计了一款双通道数字称重系统，本系统以STM32F103C8T6为控制单元，AD芯片采用AD976，实现了双通道输入，本系统具有高灵敏度，高分辨率的特性。

同时，有着较高的抗干扰能力。

系统稳定，功能全面，市场前景广阔。

关键词：

双通道称重系统；STM32F103C8T6；AD976

1、系统设计需求

（1）系统设计的已知条件

1、系统总共有两个称重输入通道，满量程分别4Kg、80Kg

2、传感器灵敏度：

0.001Kg、0.01Kg;

3、传感器分辨率：

0.001Kg、0.01Kg;

4、传感器信号输出频率：

<1000Hz;

5、传感器输出采用电流输出：

4-20mA标准电流信号输出

6、测试过程中具有高频扰动；

7、测试系统工作温度范围：

－40℃～60℃。

（二）系统设计的要求

1、设计两通道数据采集电路,ADC采用AD976；

2、设计精度要求分别为±2g、±0.1Kg

3、详细说明采集电路的设计依据；

4、CPU可不指定型号，采集电路与CPU的接口由示意图形式表示；

5、给出采集电路所有用到的元器件的具体型号、参数，主要考虑的指标；

6、提供主要元器件的说明书；

7、给出ADC的驱动程序。

8、各通道采样周期<5ms;

2、系统的硬件设计

（一）、系统设计原理

如下图1，为系统的总体框架图。

图1系统总体框架图

本系统采用STM32F103C8T6作为系统的主控芯片，采用AD976芯片作为系统的模拟数字转换芯片，同时配合了模拟开关用来作为通道的选择，即STM32F103C8T6芯片的PA8引脚。

通道1和通道2的放大电路都是放大100倍。

同时该系统采用CH340G芯片用来进行USB供电和下载，更加简洁便利。

（二）系统的硬件设计

1.CPU最小系统设计

CPU最小系统设计原理图如下图2所示：

图2CPU最小系统原理图

该CPU最小系统主要包含了ARM7内核的STM32F103C8T6的复位电路设计、时钟电路的设计、启动模式的设计等。

该CPU模块主要是将AD976采集到的数字信号进行处理后，通过液晶显示模块进行显示。

CPU的PA8引脚控制通道的切换。

2.显示模块的设计

本系统的显示模块如下图3所示：

图3液晶显示模块

该液晶显示模块采用的Nokia5110液晶显示屏，该款液晶显示屏经济实惠，又能够满足系统的要求。

3.USB模块的设计

本系统的USB模块如下图4所示：

图4USB模块设计

本模块主要用到了CH340G芯片，配合电源，能够实现USB供电，同时能够通过这个接口进行调试下载操作。

4.AD976模块的设计

AD979A具有窄型28脚DIP,SSOP及SOIC三种封装形式,芯片各引脚功能简述如下。

（1）VIN（1脚）:

模拟输入。

该引脚和模拟信号源之间连接一个200Ψ的电阻,满量程输入范围为±10V。

（2）AGND1（2脚）:

模拟地。

作为REF引脚的参考地。

（3）REF（3脚）:

基准输入/输出。

该引脚为内部+2.5V基准的输出或从该引脚输入一个外部基准。

两种情况下,均应在该引脚和REF引脚之间接入一个2.2μF的钽电容。

（4）CAP（4脚）:

基准缓冲器输出。

该引脚和AGND2引脚之间接入一个2.2μF的钽电容。

（5）AGND2（5脚）:

模拟地。

（6）D15（MSB）（6脚）:

数据位15。

（7）D14～D8（7脚～13脚）:

数据位14～18。

（8）DGND（14脚）:

数字地。

（9）D7～D1（15脚～21脚）:

数据位7～1。

（10）D0（LSB）（22脚）:

数据位0。

（11）BYTE（23脚）:

字节选择。

BYTE为低时,数据按上面所述方式输出;6脚（D15）为MSB,22脚

（D0）为LSB。

BYTE为高时,高低8位数据交换输出;D15～D8在15脚～22脚输出,D7～D0在6脚～13脚输出。

（12）R/C（24脚）:

读/转换输入。

当CS为低时,R/C的下降沿使芯片内部的采样/保持进入保持状态并开始一次转换;R/C的上升沿允许输出数据位。

（13）CS（25脚）:

片选输入。

内部与R/C相或。

R/C为低时,CS下降沿初始化一次转换。

R/C为高时,CS下降沿允许输出数据位。

CS为高时,输出数据位呈高阻状态。

（14）BUSY（26脚）:

忙输出。

一次转换开始时,BUSY变低并维持到该次转换结束,数据锁入输出锁存器。

CS为低、R/C为高时,BUSY变高,输出数据有效。

（15）VANA（27脚）:

模拟电源,一般为+5V。

（16）VDIG（28脚）:

数字电源,一般为+5V。

本系统的AD模块如下图5所示：

图5AD976模块

本模块主要用到了AD976芯片，其中PB0-PB15是将AD的数字信号传递给CPU的总线。

共16位。

假设选取的传感器的满量程分别为4kg、80kg的时候，那么最小的精度是0.06g和1.22g，远远满足题目的设计要求。

其中REF为AD的参考电压，大小为2.048v。

其中在数字电源和模拟电源之间加磁珠，滤除了共模干扰。

右下角为输出-5v电压，共下面的放大电路使用。

5.放大电路

本系统的AD的通道1、通道2的放大电路如下图6所示：

图6通道1、2的放大电路

本模块主要是针对传感器采集过来的信息进行放大操作，然后在输入给AD芯片。

放大电路的放大倍数为100倍。

考虑到模拟信号的传输过程中存在纹波和其他的干扰。

在此放大器的设计中都加入了对于这些干扰噪声的去除。

具体流程为：

模拟信息经过传感器采集后经过去除纹波的电路，后经放大电路放大10倍。

其中放大器加了旁路电容滤波。

模拟信号经放大器输出之后，经截止频率为5KHz的一阶无源滤波器进行滤波。

后面再经放大器放大10倍。

因此一共放大了100倍输出。

关于放大器放大倍数的计算：

其中在本模块中，

，按照这个公式计算可得单个放大器的放大倍数为10倍；

6.通道选择模块

本系统的通道选择模块如下图7所示：

图7通道选择模块

该模块主要是用于通道的切换，通过CPU的PA8引脚进行通道的切换。

其中Vin是AD的输入。

AD1、AD2分别连接到放大电路1、放大电路2，其中，A和B是选择通道，将B接地，相当于只控制X0，X1，因此将X2，X3接地。

X引脚输出，中间经过截止频率为5K的滤波电路，去除高频噪声。

3、AD的软件设计

图8给出AD976A的转换时序。

为启动一次转换并使采样/保持电路进入保持状态,R/C和CS必须同时为低并至少维持50ns。

转换过程一旦开始,BUSY变低并保持到该次转换结束。

在一次转换的最后,BUSY变高。

图9给出了BYTE引脚的作用:

BYTE引脚允许总线上的输出数据既能一次并行输出,又能以两个8位的形式从6～13引脚或15～22引脚输出。

输出数据的格式为二进制补码形式,数据输出时,R/C为高,CS为低。

图8转换控制和读转换结果时序

图9转换控制和读转换结果时序

本软件所使用的工具为KEIL-MDK-ARM。

因为我们在控制和接收AD数据的时候用到了STM32的PORTA口和PORTB口，所以首先将STM32的端口A和端口B时钟使能：

RCC->APB2ENR|=1<<2;//使能PORTA时钟

RCC->APB2ENR|=1<<3;//使能PORTB时钟

下面设置PORTA口下端口的输入输出方向：

GPIOA->CRH&=0XFFFFFF0F;//PA.9输入

GPIOA->ODR|=1<<1;//上拉

GPIOA->CRH|=0X00000300;//PA.10推挽输出

GPIOA->CRH|=0X00003000;//PA.11推挽输出

GPIOA->CRH|=0X00030000;//PA.12推挽输出

下面设置PORTB口下端口的输入输出方向：

GPIOB->CRL&=0X00000000//PB.0-PB7输入默认下拉

GPIOB->CRH&=0X00000000//PB.8-PB15输入默认下拉

下面进行宏定义变量：

#defineuintunsignedint;

#defienucharunsignedchar;

#defienBUSYPAin（9）;

#defineCSPAout（10）;

#defineRCPAout（11）;

#defineMYBYTEPAout（12）;

#define

下面进行AD采集数据

uintgetAdcData（void）

{

uintad=0;

ucharadl=0;

ucharadh=0;

CS=0;

While（!

BUSY）;

MYBYTE=0;

adl=GPIOB->ODR&0x0000ffff;

MYBYTE=1;

adh=GPIOB->ODR&0xffff0000;

ad=（adh<<8）+adl;

returnad;

}

参考文献

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