1、 第 1 页西华大学电气信息学院智能仪器课程设计报告1、前言1.1 选题背景与意义体重仪是日常生活中常用的器件，广泛应用药店、商场、医院等场所。智能体重测试仪在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，智能体重测试仪称重系统有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。智能体重测试仪系统的设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经 A/D 转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单
2、片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测人体的体重。目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上智能体重测试仪系统的整体水平不高，部分小型企业产品 质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的智能体重测试仪系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善智能体重测试仪系统在应用中的不足之处，具有现实意义。1.2 智能体重测试仪的发展方向与智能化智能体重测试仪系统不仅要向高精度、高可靠方向发展，而且更需向多种功
3、能的方 向发展 。据悉, 目前智能体重测试仪的附加功能主要有以下几种：智能体重测试仪系统附加了计算机系补偿装置，可以进行自诊断、校正和多种 补偿计算和处理；具有皮重、净重显示等多功能。智能体重测试仪称重系统有些已经具备了动态称重模式，通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法，消除上述误差；附加特殊的数据处理功能。目前的智能体重测试仪有附加多种计算和数据处理功能,以满足多种使用的要求。今后,随着电子高科技的飞速发展, 智能体重测试仪技术的发展定将日新月异。 同时,功能更加齐全的高精度的先进智能体重测试仪将会不断问世。智能体重测试仪的称重功能是基于单片机这一核心技术来实现的。由于目前在设计智能体
4、重测试仪时大量地采用集成芯片，因此智能体重测试仪系统已经摆脱了以往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展。在此基础上可以实现系统功能的扩展，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。智能体重测试仪称重系统由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的智能体重测试仪有较高的性价比，在很多领域完全可以取代那些机械式的体重工具。第 2 页西华大学电气信息学院智能仪器课程设计报告2、总体方案设计2.1 方案比较对同一种目的的实现，可以用不同的方案，下面就着重介绍以下两种方案对同一目的的实现方法。并比较这两种方案的优劣。2.1.1 方案一结构简图如下：数据采集 单片机 数码
5、管显示图 2-1 方案一原理框图此方案利用数码管显示体重，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的体重计，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,但精确度欠佳。2.1.2 方案二由传感器采集压力信号，前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的 LCD 显示器。原理图如图 2-2 所示。 图 2-2 方案二原理框图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体重。单片机控制适合于功能比较简单的控制系
6、统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技压力传感器 TL084 仪用放大器 ICL7135 A/D 转换器LCD 液晶显示STC89C52单片机第 3 页西华大学电气信息学院智能仪器课程设计报告术成熟等优点。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。2.1.3 方案三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 Spartan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
7、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。结构简图如下图所示：图 2-3 方案三结构图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,但实现起来较为复杂。2.2
8、方案论证与选择方案一的缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现体重计基本的称重功能，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，次方案的功能过于单一，达不到设计的标准。方案三的缺点是：虽然以 FPGA 为核心的电子称系统很优化，但只有在大规模压 力传 感器信 号放 大信 号转 换FPGA时钟芯片报警电路LCD 显示数码管键盘电路第 4 页西华大学电气信息学院智能仪器课程设计报告和超大规模集成
9、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。鉴于本电子称的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能。综上，我们选择方案二。3 硬件电路单元模块设计3.1 特殊器件介绍3.1.1 电阻应变式传感器-LHD001LHD001 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
10、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：inE图 3-1 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第 5 页西华大学电气信息学院智能仪器课程设计报告 )(4321RE)(3421R)()
11、()()( 22RRREuo E桥，即只有电压输出。当忽略电源的内阻时，由分压原理有： ADBDouu= （2.2）当满足条件 R1R3=R2R4 时，即（2.3）=0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡条件。ou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k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
12、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。 3.1.2 TL084 放大器概述：TL084，TL084A 及 TL084B 高速 J-FET 输入四通道运算放大器，在一个单片集成电路里包含了良好匹配的高压 J-FET 及双极性三极管。它具有宽共模(磕打 Vcc+)及差模电压范围、低输入偏置及偏移电流、输出短路保护、高输入阻抗 J-FET 输入级、第 6 页西华大学电气信息学院智能仪器课程设计报告内部频率补偿、锁定自由操作、高循环率等特性。其管脚图如下：表 3-2 TL084 引脚功能序号 功能直流电压（V）序号 功能直流电压（V）1 输出 1 6.55
13、 8 输出 3 6.52 反向输入 1 6.55 9 反向输入 3 6.53 非反向输入 1 6.5 10 非反向输入 3 6.54 VCC+ 12 11 VCC- 05 非反向输入 2 6.5 12 非反向输入 4 6.56 反向输入 2 6.5 13 反向输入 4 6.57 输出 2 6.5 14 输出 4 6.53.1.3 MAX232MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v 单电源供电。芯片如图 3-3 所示：图 3-3 MAX232引脚介绍：第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产生+
14、12v 和-12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。 第 7 页西华大学电气信息学院智能仪器课程设计报告第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道。 其中 13 脚（R1IN） 、12 脚（R1OUT） 、11 脚（T1IN） 、14 脚（T1OUT）为第一数据通道。 8 脚（R2IN） 、9 脚（R2OUT） 、10 脚（T2IN） 、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT 送到电脑 DB9 插头；DB9 插头的 RS-232 数据
15、从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从R1OUT、R2OUT 输出。 第三部分是供电。15 脚 GND、16 脚 VCC（+5v） 。 主要特点：1、符合所有的 RS-232C 技术标准 2、只需要单一 +5V 电源供电 3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V 和-10V 电压 V+、V- 4、功耗低，典型供电电流 5mA 5、内部集成 2 个 RS-232C 驱动器 6、内部集成两个 RS-232C 接收器该器件包含 2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供 TIA/EIA-232-F 电平。选择 MAX232 芯片实现 TTL 电平与 EI
16、A 电平的转换，通过 RS232 传输线可以与 PC 机实现串行通讯。单片机系统中采用的最简单的上电自动复位电路，上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms，就可以实现上电复位。3.2 单元模块设计3.2.1 单片机系统模块设计在单片机系统电路中，包括电源电路，放大电路，A/D 转换电路，LCD1602 显示电路，MAX232 电平转换电路。时钟电路选择的晶振为 12MHz。LCD1602 可以显示 16*2 个字符，用于显示的处理后的压力的大小。由于单片机的电平逻辑是 TTL/CMOS 电平逻辑, MAX232 是由德州仪器公司（TI
17、）推出的一款兼容 RS232 标准的芯片。该器件包含 2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供 TIA/EIA-232-F 电平。选择 MAX232 芯片实现 TTL 电平与 EIA 电平的转换，通过 RS232 传输线可以与 PC 机实现串行通讯。LCD1602 是自带字符库的 LCD 液晶显示器，可以显示 16*2 个字符，此电路中由 P0 口控制读写的数据，由 CPLD 构成的总线控制控制器控制 LCD 读写。第 8 页西华大学电气信息学院智能仪器课程设计报告图 3-5 单片机系统模块电路3.2.2 A/D 转换电路模块设计本次设计要使用 A/D 转换器，将模拟信号转换为数字信号进
18、行采样，A/D 转换器是要将时间和幅值都连续的模拟量转换为时间、幅值都离散的数字量，一般要经过取样、保持和量化、编码几个过程。 模拟电流信号经过仪用放大后，输出电压足够大，信号可以被 AD9244 组成的 A/D转换电路转换为数字信号，从而可以被 MCU 的后续电路处理。AD9244 是 AD 公司推出的一款 14 位高精度高速模数转换器。它由 + 5V 模拟电供电 ,也可以在+ 3V 或 + 5V的数字电压下正常工作。AD9244 提供有片内参考电压 , 并集成了高性能的抽样和保持放大器。正常工作情况下 , 其最高抽样速率可以达到 65MSPSAD9244 内部使用多级差分电路结构 ,并带有
19、自动纠错的逻辑电路 , 可以在 65MSPS 的输入数据速率下保证 14bit 的精度。本次设计中，AD9244 的外围电路如图 3-5 所示，引脚 CLOCK 和 BUSY 分别接单片机的 14 脚（T0）和 12 脚（INT0）,参考电压为 5V 稳压管分压所得。第 9 页西华大学电气信息学院智能仪器课程设计报告图 3-6 A/D 转换器3.2.3 电源模块设计在重量测量系统中，TLC084 为正负 9V 供电，单片机、液晶为 5V 供电，ICL7135为-5V 供电，所以在系统中需要四个电源，考虑到数字部分与模拟部分的干扰，我们需要设计两个电源，一个模拟对系统的模拟部分供电，一个数字电源
20、负责为系统的数字部分提供电源。在 PCB 设计是要采用一点接地的方式，能有效消除电源的干扰。本模拟电源在变压器变压、电桥整流和电容滤波后由三端稳压器 7809、7909 将电源先转换为-9V 和+9V 的电源，然后再经过三端稳压器 7805、7905 转换为-5V 和+5V，为系统模拟部分提供电源。图 3-7 模拟电源电路图第 10 页西华大学电气信息学院智能仪器课程设计报告数字电源是由经变压器变压和电桥整流电容滤波后再由三端稳压器 7805 转换为+5V 的数字电源，为系统数字部分提供电源。图 3-8 数字电源电路图3.2.4 串口通讯接口设计 将 PC 程序通过串口下载到 STC 单片机上
21、，需要将正负 12V 的电平转换到 0 到 5V的 TTL 电平，这样单片机才能和 PC 进行正常通信。芯片第 11（TIN1） 、10（TIN2）脚分别和单片机的 11（TXD）脚、10（RXD）脚相连其应用电路如图 3-8 所示：图 3-9 MAX232 接口电路3.2.5 仪用放大设计仪用放大器是一种高性能的放大器。其对称性结构可同时满足对放大器的抗共模干扰能、输入阻抗、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。该电路前级采用同相放大器，可获得很高的输入阻抗，后级采用差动放大器可获得较高的共模抑制比，增强电路的抗干扰能力。在本电路中，有三个增益通道，根据对输入信号的处理要求，我们可以通过模拟开关 CD4066 选择不同的增益。该电路三个放大倍数可选择 10倍，100 倍，1000 倍。放大倍数计算公式为：K=（1+（R9+R10）/R）*R13/R11 式中，R 分别为 R6、R7、R8，当选择不同的放大倍数时，R 所对应的值不同。R=R6时，放大倍数为 10 倍，R=R7 时，放大倍数为 100 倍，R=R8 时，放大倍数为 1000 倍。在本次设计中，选用 Tl084 芯片作为仪用放大器。
