电子称的硬件电路设计-毕业设计

电子称的硬件电路设计-毕业设计内容摘要：

文） 6 换部分组成。 转换后的 数字信号送给控制器处理，由控制器完成 对 该数字量的处理 ， 驱动显示 模块 完成人机间的信息交换。 此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。 在扩展功能上，本设计增加了 一个 过载 、欠量程 报警 提示。 系统总体 设计 方案 比较与论证 在设计系统时 ，针 对各个模 块实 现的功能来设计电子秤的方案有以下几种： 方案一 数码管显示方案 结构简图如下图所示： 图 数码管显示方案 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。 由此 设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。 缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现电子秤基本的称重功能，但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。 又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。 方案二 在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使电子秤实现称重计价的功能。 结构简图如下图所示 ： 图 带有键盘输入的结构简图 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、 A/D 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，本科毕业设计（论文） 7 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。 结构简图如下图所示： 图 LCD 显示 的方案 目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机 对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量 ]4[。 由于系统需要的按键较多，因此要加一个键盘显示管理芯片（ ZLG7289）。 单片机控制适合于功能比较简单的控制系统 ,而且其具有成本低 ,功耗低 ,体积小算术运算功能强 ,技术成熟等优点。 但其缺点是外围电路比较复杂 ,编程复杂。 使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。 图 单片机实现方案原理框图 方案 四 采用现场可编程门阵列 (FPGA)为控制核心 采用现场可编程门阵列 (FPGA)为控制核心，利用 EDA 软件编程，下载烧制实现。 系统集成于一片 Xilinx 公司的 SpartanⅡ 系列 XC2S100E 芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。 采用 FPGA 测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。 从 下 图中可以看到系统的基本工作流程和各单元电路所用到的核心器件。 其中控制器采用 Xilinx 公司可编程器件 FPGA 为核心，基于 ISE 软件平台，采用VHDL 编程实现数据处理、 LED 和 LCD 驱动、时钟芯片的 I2C 通讯、键盘控制等模块。 本科毕业设计（论文） 8 图 电子 秤 系统的组成结构图 FPGA 的逻辑容量密度大，集成度高，可大大减少印刷电路板的空间，减低系统功耗，同时还可以提高设计的工艺性和产品的可靠性。 虽然以 FPGA 为核心的电子秤系统 很 优化， 但 只有在大规模和超大规模集成电路中其高集成度才能更好得以体现。 其主要在 PC 机接口卡的总线接口、程控交换机的信号处理与接口、雷达声纳系统的成像控制与数 字处理、数控机床的测试系统等方面有广泛应用。 鉴于 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。 单片机的选型 选择单片机型号的出发点有以下几个方面： 市场货源 系统设计者只能在市场上能够提供的单片机中选择，特别是作为产品大批量 生产的应用系统， 所选的单片机型号必须有 稳定、充足的货源。 单片机性能 应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标的型号，而且能达到较高的性能价格比。 单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积 和封装形式等方面。 影响性能价格比的因素除单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性能价格比。 研制周期 在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。 与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。 本科毕业设计（论文） 9 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0~33MHz，片内集成有双数据指针 DPTR、定时监视器 (watchdog timer，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。 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。 在工程应用中 AT89S52 有一显著的优势：不需要烧写器，只借助 PC 机的并口输出和极为简单的下载电路，便可将程序通过串行 方式写入单片机。 并且下载电路可设计在系统中，可以随时修改单片机的软件而不对硬件做任何改动。 由此， 通过对目前主流型号的比较，我们最终选择了 AT89S52 通用的普通单片机来实现系统设计。 AT89S52 是一种兼容 MCS51 微控制器，工作电压 到 ，全静态时钟 0 Hz 到 33 MHz，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Powerdown 模式， Power down 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 ]6[。 数据采集部分的方案确定 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 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本科毕业设计（论文） 10 dAC or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。 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 （ ） 式 （ ） 中 d —— 两极板间的距离； A—— 两平行极板相互覆盖的有效面积； r —— 介质的相对介电常数； o —— 真空中介电常数。 若被测量的变化使式中 d 、 A、 r 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 CX =1/ C 很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因 其视在功率 P= 2ou  C ， 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。 电阻应变片式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 变化转本科毕业设计（论文） 11 )( 43 421 1 RR RRR RE ))(( 4321 4231 RRRR RRRRE  3421 RRRR    )()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo  ERR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， inE 接直流电源 E： 图 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： ADABBDo uuuu  = （ ） 当满足条件 R1R3=R2R4 时，即 （ ） ou =0，即电桥平衡。 式（ ）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 （ ） ，则电桥输出为 本科毕业设计（论文） 12 Ek () 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。 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0～ ，重量误差不大于  ，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 ——。 我们 选择的是 LPSIII 型传感器，量程 20Kg，精度为 %，满量程时误差 ，完全满足本系统的精度要求。 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。