电子称方案论证.docx
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电子称方案论证
系统方案论证与选型
按照本设计功能的要求,系统由5个部分组成:
控制器部分、测量部分、数据显示部分、键盘部分、和电路电源部分,系统设计总体方案框图如图1所示。
图1设计思路框图
测量部分是利用称重传感器检测压力信号,得到微弱的电信号(本设计为电压信号),而后经处理电路(如滤波电路,差动放大电路,)处理后,送单片机中的A/D转换器(AD7705),将模拟量转化为数字量输出,控制器接受来自A/D转换器输出的数字信号,经过复杂的运算,将数字信号转换为物体的实际重量信号,并将其送到显示模块中。
2.1控制器部分
本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计,可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起,组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“多功能测量控制系统”。
这种新型的仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面,都取得了巨大的进展。
再则由于系统没有其它高标准的要求,又考虑到本设计中程序部分比较大,根据总体方案设计的分析,设计这样一个简单的的系统,可以选用带A/D转换器的单片机,由于应用程序不大,应用程序直接存储存片内,不用在外部扩展存储器,这样电路也可简化。
Atmel公司的89s系列的单片机都可使用,在这里选用AT89S52单片机。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
40个引脚,8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52。
89S52单片机的引脚功能介绍
如图2所示为89S52单片机40引脚双列直插形式,各引脚功能如下:
图2DIP—40引脚89S52引脚图
1电源和晶振:
Vcc——AT89S52电源正端输入,接+5V。
Vss——电源地端。
XTAL1——输入到振荡器的反相放大器。
XTAL2——反相放大器的输出,输入到内部时钟发生器。
当用外部振荡器时,XTAL2不用,XTAL1接收振荡器信号。
2控制线,共4根。
(1)输入:
RST——复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
EA/Vpp——访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。
为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。
(2)输入,输出:
ALE/PROG——地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。
如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。
这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
(3)输出:
PSEN——外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
3I/O口:
4个口,32根
单片机51系列共有四个8位双向并行I/O通道口,分别是P0、P1、P2、P3,各具有特殊的电路结构,每位均有自己的锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。
这种结构,在数据输出时可锁存,即输出新的数据之前,通道口上原数据一直保持不变,但对输入信息是不锁存的,因此从外部输入的信息必须保持到取数指令执行完为止。
在这四个8位双向并行I/O通道口中,我们应该选择哪一个通道口作为输入信号和输出信号的端口呢?
下面我们先来了解一下四个通道口的结构。
(1)P0口介绍
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻
辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
(2)P1口介绍
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个
TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
(3)P2口介绍
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
(4)P3口介绍
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
表1P3口的第二功能
端口引脚
功能特征
P3.0
串行通信输入RXD)
P3.1
串行通信输出(TXD)
P3.2
外中断0输入(INT0)
P3.3
外中断1输入(INT1)
P3.4
定时/计数器0的外部输入(T0)
P3.5
定时/计数器1的外部输入(T1)
P3.6
外部数据存储器写选通(WR)
P3.7
外部数据存储器读选通(RD)
现在我们已经对四个8位双向并行I/O口有了初步的了解。
根据以上的介绍我们知道只有P1口是标准的I/O口,所以我们选用P0口作为数据端口,P0口可逐位分别定义各口线为输入或输出线。
3.1.289S51单片机的中断系统
本次毕业设计的汽车多功能报警器是利用外部中断触发单片机中断处理程序,以实现防盗报警的功能。
所以,以下内容是对89S51单片机的中断系统的介绍。
1中断:
程序执行过程中,允许外部或内部事件通过硬件打断程序的执行,使其转向为处理内部事件的中断服务程序中去;完成中断服务的程序后,CPU继续原来被打断的程序,这样的过程称为中断过程。
2中断源:
能产生中断的外部和内部事件。
89S51有5个中断源:
(1)INT0:
外部中断0请求,低电平有效。
通过P3.2引脚输入。
(2)INT1:
外部中断1请求,低电平有效。
通过P3.3引脚输入。
(3)T0:
定时器/计数器0溢出中断请求。
(4)TI:
定时器/计数器1溢出中断请求。
(5)TXD/RXD:
串行口中断请求。
当串行口完成一帧数据的发送或接收时,便请求中断。
每一个中断源都对应一个中断请求标志位,它们设置在特殊功能寄存器TCON和SCON中。
当这些中断源请求中断时,相应的标志分别有TCON和SCON中的相应位来锁存。
389S51中断系统有以下4个特殊功能寄存器:
(1)定时器控制寄存器TCON(用6位);
(2)串行口控制寄存器SCON(用2位);
(3)中断允许寄存器IE;
(4)中断优先级寄存器IP。
其中,TCON和SCON只有一部分用于中断控制。
通过对以上各特殊功能寄存器的各位进行置位或复位等操作,可实现各种中断控制功能。
4中断的响应过程及中断矢量地址
中断处理过程可分为3个阶段:
中断响应、中断处理和中断返回。
89C51的CPU在每个机器周期的S5P2期间顺序采样每个中断源,CPU在下一个机器周期S6期间按优先级顺序查询中断标志。
如查询到某个中断标志为1,则将在接下来的机器周期S1期间按优先级进行中断处理。
中断系统通过硬件自动将相应的中断矢量地址装入PC,以便进入相应的中断服务程序。
表2既是各个中断源对应的中断矢量地址。
2.数据采集部分的方案确定
2.1.1传感器
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。
现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代,在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理,而传感器处于自动检测与控制系统之首,是感知获取与检测信息的窗口;传感器处于研究对象与测控系统的接口位置,一切科学研究和生产过程要获取的信息,都要通过它转换为易传输与处理的电信号。
因此,传感器的地位与作用特别重要。
方案一电容式传感器
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。
电容传感器幕于单片机的多功能电了称设计可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。
电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。
两块相互平行的金属极板,当不考虑其边缘效应(两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化)时,其电容量为
C=εrεoA/d
式(2.1)中
d—两极板间的距离;
A-两平行极板相互覆盖的有效面积;
εr——介质的相对介电常数;
εo——真空中介电常数。
若被测量的变化使式中d、A、εr三个参量中任一个发生变化,都会引起电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。
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。
受几何尺寸限制,电容传感器的电容量都很小,一般仅几皮法至几十皮法。
因C太小,故容抗Xc=l/wC很大,为高阻抗元件,负载能力差:
又因其视在功率P=Uo²ωC,C很小,则P也很小。
故易受外界干扰,信号需经放大,并采取抗干扰措施。
(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。
方案二电阻应变式传感器
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。
电阻应变片武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2.6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:
uo=UBD=UAB–uAD
当满足条件R1R3=R2R4时,即
R1/R2=R4/R3(2.2)
“u。
=O,即电桥平衡。
式(2.2)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
(2.4)
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。
常规的电阻应变片K值很小,约为2,机械应变度约为0.000001—0.001,所以,电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1欧姆。
所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化,在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。
桥式测量电路有四个电阻,其中任何一个都可以是电阻应变片电阻,电桥的一个对角线接入工作电压E,另一个对角线为输出电压Uo。
其特点是:
当四个桥臂电阻达到相应的关系时,电桥输出为零,或则就有电压输出,可利用灵敏检流计来测量,所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。
常用的电阻应变片有两种:
电阻丝应变片和半导体应变片,本设计中采用的是电阻丝应变片,为获得高电阻值,电阻丝排成网状,并贴在绝缘的基片上,电阻丝两端引出导线,线栅上面粘有覆盖层,起保护作用。
电阻应变片也会有误差,产生的因素很多,因此测量时必须要注意。
其中温度的影响最重要,环境温度影响电阻值变化的原因主要是:
A.电阻丝温度系数引起的。
B.电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。
对于因温度变化对桥接零点和输出,灵敏度的影响,即使采用同一批应变片,也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差,所以对要求精度较高的传感器,必须进行温度补偿,解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片,并从外部对它加以适当的补偿。
非线性误差是传感器特性中最重要的一点。
产生非线性误差的原因很多,一般来说主要是由结构设计决定,通过线性补偿,也可得到改善。
滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。
由于粘合剂为高分子材料,其特性随温度变化较大,所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。
测量电路中,将受力性质相同的两应变片接入电桥对边,当应变片初始阻值:
R1=R2=R3=R4,其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时,其桥路输出电压Uout=KEε。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍,非线性误差和温度误差均得到改善。
综上所述,最终选择第二种方案。
2.5.2前级放大器部分
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。
故大器的输入信号一般是由传感器输出的。
传感器的输出信号不仅电平低,内阻高,还常伴有较高的共模电压。
因此,一般对放大器有如下一些要求:
1、输入阻抗应远大于信号源内阻。
否则,放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。
2、抗共模电压干扰能力强。
3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性,输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。
从而保证放大器输出性能稳定。
4、能附加一些适应特定要求的电路。
如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。
10幕于单片机的多功能电了称设计
我们考虑了以下两种方案:
方案一由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。
差动放大器具有高输入阻抗,增益高的特点,可以利用普通运放(如OP07)做成
一个差动放大器,如下图2.5所示:
图2.5利用普通运放构成的放大器
电阻R1、R2和电容CI、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声,C1、C2为普通小
电容,可以滤除高频干扰,C3、C4为大的电解电容,主要用于滤除低频噪声。
优点:
输入级加入射随放大器,增大了输入阻抗,中间级为差动放大电路,滑动变阻器R6可以调节输出零点,最后一级可以用于微调放大倍数,使输出满足满量程要求。
输出级为反向放大器,所以输出电阻不是很大,比较符合应用要求。
缺点:
此电路要求R3、R4相等,误差将会影响输出精度,难度较大。
实际测量,每一级运放都会引入较大噪声,对精度影响较大。
方案二采用专用仪表放大器,如:
AD62。
此类芯片内部采用差动输入,共模抑制比高,差模输入阻抗大,增益高,精度也非常好,且外部接口简单。
图2.7AD620的接口图
AD620具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。
其最大输入偏置电流为20nA,这一参数反映了它的高输入阻抗。
AD620在外接电阻Rg时,可实现1—1000范围内的任意增益;工作电源范围为±2.3—±18V;最大电源电流为1.3mA;最大输入失调电压为125uV;频带宽度为120kHz(在G=100时)。
基于以上分析,我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器AD620。
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