数字化称重仪表毕业设计论文(编辑修改稿)

数字化称重仪表毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

电 源 矩 阵 键 盘被 测 信 号 图 硬件结构原理 方案 图 表放大器 称重传感器是整个数字化称重系统采集重量信号的源头，是 一种将 被测物 质量信号变换为与其质量成比例的电信号的 装置。 也有人称其为数字化称重系统的“心脏”。 它具有称量响应速度快、灵敏度高、性能稳定可靠、机械结构简单、传输距离远、体积小、重量轻、机械磨损小、输出信号大、使用寿命长、维修及操作使用简单、环境适应性强等特点。 然而， 由于它 在称重现场采集并变换 的 各种参量信号都很微弱，通常只有 uV 或 mV，不能满足微机系统输入的要求，必须用高输入阻抗的仪表放大器对它们进行放大，使其达到一定的幅度（通常为几伏）。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） A/D转换器是整个数字化称重系统的重要组成部分。 它能把称重传感器与仪表放大器采集并放大的模拟信号转化为相应的数字信号，从而为微机系统对称重数据存储、运算、逻辑判断提供了保障。 单片机芯片配以必要的外部器件就能构成最小微机系统。 对于较复杂的数字化称重仪表，需较大的存储器容量和较多的 I/O 接口，单片机能提供很强的扩展能力，可以直接与外部存储器和 I/O 接口电路相连接，构成功能较强、规模较大的微机系统。 它可以将称重传感器和 A/D转换器采集转换获得的数字信号进行存储、运算并处理， 最终将结果显示和报警等。 数字化称重仪表中的人机对话通道是用户为了对称重仪表进行干预及了解该仪表运行状态所设置的通道。 它所配置的设备主要有：键盘、显示器、电源与复位开关、报警器等。 系统软件结构 数字化称重仪表 软件 结构主要 包括实现采集重量数据的算法、各模块程序设计流程以及系统 C51编程程序等。 （ 1）采集重量数据算法。 算法顾名思义，即计算方法， 也就是为求得重量数据显示的计算结果，而使用的方法和步骤。 算法是解决问题的基本环节，是程序设计的核心。 （ 2）系统软件 模块流程 主要包括 主程序流程 、 A/D转换流程、键盘与显示等流程。 主程序流程 是面向称重仪表 软件整体设计 ，其内容包括： 在 工作电源 激励 下，通过键盘 扫描程序， 对仪表的功能、操作方式与工作参数进行设置、控制；根据仪表设置的功能和工作方式，控制 I/O接口电路进行数据采集、存储；按照仪器设置的参数，对采集内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 的数据进行 报警等相关处理，并 以数字形式显示测量结果 和 仪表的 工作 状态。 A/D转换流程 是面向 模拟信号 与 数字信号 的 对应转换管理 ，其内容是接收并分析来自称重传感器和仪表放大器的电压信号 ， 通过自身功能转换为数字信号，并送给微处理器进行有关的 数据存储、运算等 ，进而送入 显示接口 显示 测量结果、数据处理结果及仪表的现行工作状态。 键盘和显示流程 主要完成 超载数据设定、人机对话 等任务， 使工作人员能及时实施系统操作， 以至 系统 在 称量 过程中能得到 准确 值。 （ 3）系统使用 C51 编写软件程序，不仅具有易理解性、易维护性， 而且在编程过程中，可以对各个模块单独进行调试，调试通过后再进行整体调试。 重量数据采集电路与算法 随着称重技术以及微计算机技术的迅速发展，重量数据采集系统取得了巨大的进展，主要得益于硬件集成电路的不断发展。 当前，单片机和大规模 集成电路的组合，加上用软件管理，使重量 数据采集系统不仅具有成本低，体积 小，功能多等特点，而且系统采样率、分辨率、存储深度、数字信号处理速度、抗干扰能力等许多技术指标都有了前所未有的变化。 重量数据采集系统的发展是整个称重系统实现自动化的最前端，所以必须有测试精度高、数据处理速度快以及实现这些功能的成本低等特性。 重量数据采集通常是指将重量信号转换为计算机能显示的数字信号、并由计算机存储以及数据处理显示的过程，其相应的系统称为重量数据采集系统。 它综合应用了数据采集技术、称重传感器技术、信号处理技术、微计算机等技术，实现了高精度、高可靠性、响应速度快 、现场适应能力强的称重系统。 采集电路如图 所示 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） A 1R 5R 6R 72 0 KR 82 0 KR 1 11 . 5 KR x2 KR 1 21 . 5 KUO U TR 4 + R 4+_+_+_R 2 + R 2R 3 + R 3A 2A 3T L C 0 8 3 2C H 0G N DV R E FUR 1 + R 11iU2iU1oU2oU200200+ 5 V 图 系统数据采集电路图 在图 1电路中，由于设计设定 R1=R2=R3=R4=R ， RRRRR  4321 ， 电桥电路构成了等臂全桥差动电路， 即 输出电压 U0=U RR , 根据电阻应变片的灵敏度K= RR ,（  为电阻丝纵向应变）。 所以输出电压 U0=K U ,而对于相同材质的电阻应变片经过伸缩后，有  =ll ，FXGG =ll ，即等臂全桥差动电路组成的称重传感器输出电压 KUGGUU FXii  12 （ ） K为称重传感器的灵敏度， GF为称重传感器的满量程值， U为传感器工作电压 (即设计系 统为 +5V)， Gx为被测重量值。 称重传感器的输出电压加在三运放仪表放大器的反相和同相输入端，并且系统设定电阻 R5=R6， R7=R8， R11=R12后，使三运放仪表放大器完全成为对称结构，即输出电压 571112 )21)(( RRRRUUUXiiO U T  （ ） 由式（ ）和 ()可得 KUGGRRRRU FXXO UT ))(21( 5711 （ ） 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 又因为 TLC0832A/D 转换器的参考电压 UVREF () TLC0832A/D 转换器最终输出数字读书为 KGGRRRRVUD at FXXREFO U T ))(21(10 0010 00 5711 （ ） 采样系统采用“电压比率测量法”，可减轻对激励源高精度和高稳定性的要求和压力。 A/D 转换器采用单一的 +5V 电源工作，对 0— 范围内的单端信号进行变换，它功耗比较低，适用于电池供电和远程测量。 系统基本性能探析 数字化称重仪表就其本身的结构而言， 主要具有变换、比较、显示装置三部分。 而从其结构原理图可知，系统是由多个环节串联而成，所以从属开环结构，即系统全部信息变换只沿着一个方向进行，其灵敏度与精度由开环特性可表示如下形式。 ni in KKKKK 121 ... （ ） 式中 K 为称重仪表的灵敏度； iK 为开环各环节的灵敏度。  ni in 121 ...  （ ） 式中  为称重仪表的相对误差， i 为开环各环节的相对误差。 由式（ ）与（ ）可知：若要增加称重仪表灵敏度 K，必须增加环节的个数或增大环节的灵敏度 iK。 增加环节个数，称重仪表的相对误差  必增大；若不增加环节个数，而提高环节灵敏度，则对应较小的输入信号，就能得到相同的输出显示，故仪表内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 对应的测量范围必减小；若绝对误差不变，称重仪表相对误差  必将随着增大。 因此在增加系统灵敏度的同时，称重仪表的相对误差也相应增大，从而降低了仪表精度。 另外在这种结构中，在增加灵敏度的同时，称重仪表的稳定性也在大大的降低。 因此，在本设计系统中主要采用等臂全桥差动电路提高其灵敏度，采用三运放仪表放大器提高其精度，保证了设计仪表在当今市场的适用性。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第三章 系统硬件设计与实现 系统硬件概述与工作原理 系统硬件概述 数字化称重仪表在硬件设计中，根据称重任务、应用场合的不同，选择不同的硬件体系 ，但 主要根据称重系统的规模大小、控制功 能性质及复杂程度、实时响应速度及检测控制精度等专项指标和通用指标决定。 设计从使用称重仪表现场出发，应用 STC89C52单片机组成的硬件平台，开发了一台具有独立性、创造性、先进性的数字化称重仪表，与以往称重仪表相比，提高了称重精度、可靠性、可维护性和可测试性，增强了其性能和功能。 而 硬件设计系统 是由称重传感器、模 /数信号调理、数字信号处理、重量数据显示、声光报警控制等几部分组成。 系统硬件组成及工作原理 本设计是以 等臂全桥差动 电阻应变式 称重 传感器、三运放仪表放大器、 TLC0832A/D转换器、 STC89C52单片机、三极管驱动的 LED显示器、声光报警器以及 2*2矩阵键盘 等 构成的一个简易的数字化称 重仪表， 结构原理图如图 电 阻 应 变 式称 重 传 感 器T L C 0 8 3 2A / D 转 换 器S T C8 9 C 5 2三 运 放 仪表 放 大 器L E D 显示 器声 光 报警 器工 作 电 源2 * 2 矩阵 键 盘被 测 信 号 图 系统结构原理图 其简单的工作原理为载荷作用在工作电源激励下的电阻应变式称重传感器上，经称重传感器检测变换为与质量成比例的电信号，该信号首先经三运放仪表放大器放大，然后通过 TLC0832A/D 转换器转换成数字信号后进入 STC89C52 单片机，由单片机软件自动内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 调节控制，同时将处理后的称量数据送至 LED 显示器进行显示。 在称 重过程中一旦遇到超载等故障，由单片机软件自动判断故障 ,并进行相应的声光报警处理。 等臂全桥差动电阻应变式传感器 本设计使用等臂全桥差动电路构成的电阻应变式传感器实现重力、弹性应变、电阻变化、电信号变化四个转换环节。 电路图如图 所示 R 4 + R 40UR 2 + R 2R 3 + R 3UR 1 + R 1~ 图 等臂全桥差动电路图 由上图可知， 当 R1R4=R2R3时，电桥处于平衡，输出电压 U0=0。 若电桥各臂均有相应的电阻增量 1R , 2R , 3R 和 4R ，则可得 )4433)(2211( )33)(22()44)(11(0 RRRRRRRR RRRRRRRRUU   () 由于系统采用等臂全桥差动电路，即 R1=R2=R3=R4=R, 1R = 2R = 3R = 4R = R , ( R 为正值 )，所以输出电压 RRUU 0 () 这种称重传感器是一种用金属弹性体作为力转换为应变的功能元件，它通过粘贴在弹性体敏感表面的电阻应变计及其等臂全桥差动电路组成的电桥网络，具有稳定性、线性度好等特点的传感器。 它在粘贴应变片时，分别使电桥中的两个相对应变片受拉，两内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 个受压，应变符号相反，工作时将应变片接入电桥相邻两臂，使应变片产生的应变转换为电阻的变化，然后转换 为电压（或电流）的变化，即电桥输出电压 /输出电流，最后通过模 /数转换进入单片机实现数据处理控制。 系统使用该电路不仅消除了传感器自身带来的非线性误差，而且提高了电桥的输出灵敏度，同时还起到温度补偿作用。 三运放仪表放大器 三运放仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、低漂移、低功耗、低输出阻抗 、高输入阻抗和高共模抑制比、 宽电源供电范围及小体积等特点。 它在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比 CMR。 电路图如图 所示 A 1R 5R 62 0 0R 7R 82 0 KR 1 1R x2 KR 1 2UO U T反 相 输 入 端同 相 输 入 端i 1U+_+_+_A 2A 3i 2U2 0 K2 0 01 . 5 k1 . 5 KU o 1U o 2U x 图 三运放仪表放大器电路图 由图 ，三运放仪表放大器是由 三个集成运算放大器 、一个 增益电阻器 和几个固定电阻构成。 在 该电路 中，由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压， 所以 整个差分输入电压现在都呈现在 Rx 两端。 因为输入电压经过放大后（在A1 和 A2 的输出端）的差分电压呈现在 R11， Rx和 R12 这三只电阻上，所以差分增益通过仅改变外接电阻 Rx 实现由 1 到上万倍的增益精确设定，减少了由于增益相关误差带来内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ）。