1、目 錄序言 3第1章 任務和指標 41.1 設計任務 41.2設計指標 4第2章 功能分析 52.1系統總體框架圖 52.2各模塊基本原理 52.2.1采用應變片稱重的基本原理 52.2.2放大器的工作原理 62.2.3 a/d轉換的工作原理 102.2.4 數碼管顯示的工作原理 10第3章 硬件設計 113.1 電路主要結構 113.2 12v穩壓電路 113.3 兩級放大電路 123.4 a/d轉換電路 123.5 數字顯示電路 13第4章 軟件設計 144.1 總程序模塊設計 144.2 a/d電路模塊設計 144.3 拆字程序模塊設計154.4 顯示電路模塊設計 15第5章 安裝與調試

2、 165.1 硬件調試 165.2 軟件調試 165.3 綜合調試 165.4 故障分析與解決方案 165.4.1 故障出現情況 165.4.2 解決方案 175.5 功能測試及結果分析 17總 結 19參考文獻 20附 錄 21附錄1 21附錄2 23附錄3 24附錄4 24附錄5 25序言孫子算經記載：秤之所起，起于黍，十黍為一累，十累為一銖，二十四銖為一兩，十兩為一斤。稱重技術自古以來就被人們所重視，在傳說的皇帝“設五量”中，權衡既為五量之首。夏禹的“聲為呂，聲為度，稱以出”；“循守會稽，乃審權衡，平斗斛”等，均說明了在我國古代稱重技術所處的位置和重要性。在公元前，人們為了對貨物交換量的

3、估計，起初采用木材或陶土制作的容器作為交換貨物的計量。以后，又采用簡單的秤來測定質量。 在19世紀后期，隨著工業化的迅猛發展，出現了大量迅速稱量散料物品的自動秤。第一臺定量自動秤約在1880年獲得型式批準的，它是由傾斜象限桿秤發展來的。每次約可稱量500kg。這種自動秤的稱量過程分以下幾個階段：a，打開裝滿散料的容器； b，把散料輸入到秤斗里進行稱量；c，到達平衡位置時，關閉進料閘門；d，自動卸空料斗；e，秤斗和氣動聯動裝置回到初始位置，自動地啟動下一個稱量程。 隨著科技革命，傳感器技術的迅速發展，單片機的出現，電子秤走進的人們的生活。 電子秤的發展過程與其它事物一樣，也經歷了由簡單到復雜，由

4、粗糙到精密，由機械到機電結合再到全電子化，由單一功能到多功能的過程。特別是近30年以來，工藝流程中的現場稱重，配料定量稱重，以及產品質量的監測等工作，都離不開能輸出電信號的電子衡器。這是由于電子衡器不僅能給出質量或重量值的信號，而且也能作為總系統中的一個單元承擔著控制與檢驗功能，從而推動工業生產和貿易交往的自動化和合理化。 近年來，電子衡器已愈來愈多地參與到數據處理和過程控制之中。現代稱重技術和數據系統已經成為工藝技術，儲運技術，預包裝技術，收貨業務及商業銷售領域中不可缺少的組成部分。 我國的衡器在20世紀40年代以前還全是機械式的，40年代開始發展了機電結合式的衡器。50年代開始出現了稱重傳

5、感器為主的電子衡器。由于稱重傳感器各項性能不斷有新的突破。為電子秤的發展奠定了基礎。國外如美國，西歐等一些國家在20世紀60年代就出現了0.1%稱重準確度的電子秤，并于70年代中期約對75%的機械秤進行了機電結合式的電子化改造。到目前為止，電子秤的發展方興未艾，并向著群控，程控和智能化猛進。第一章 任務和要求1.1 設計任務1利用multisim仿真軟件，確定儀表放大器設計方案；2進行電路參數即增益計算，元件數值選定；3設計電路原理圖；4在印制電路板焊接電路；5調試電路板，輸出電壓信號6利用csy-v9.1虛擬儀器采集測量電路的輸出電壓至電腦中，并分析數據。7編寫課程設計報告。1.2 設計要求

6、(1) 掌握金屬箔式應變片的應變效應。(2) 掌握單臂、半橋和全橋電路的工作原理和性能。(3) 電路仿真與參數確定。利用multisim仿真軟件，確定儀表放大器設計方案；應用運放op07設計三運放儀表放大器，確定電路元器件具體參數； (4) 制作電路板。 儀表放大器增益可調，放大倍數為10002000；應變電橋和放大電路應具有調零功能。(5) 利用匯編或c51語言編寫正確程序，調試電路板，采集放大器的輸出電壓，并顯示。(6) 考慮a/d分辨率為20mv，要求靈敏度不低于40mv/20g。(7) 數據處理及分析。 利用csy-v9.1虛擬儀器采集測量電路的輸出電壓至電腦中，確定系統線性度和靈敏度

7、（最小二乘法），要求非線性誤差小于1.50%。(8) 編寫課程設計報告，完成設計任務的期限為一個星期。第二章 功能分析2.1控制系統總體框架圖利用傳感器與檢測技術實驗室已有的應變式稱重臺，將四片應變片采用全橋形式接入測量電路，經過運放op07組成的儀表放大器放大，再由串行模數轉換芯片tlc549進行a/d轉換，轉換結果送入單片機at89c51，通過同向門7407驅動四位數碼管顯示。儀表放大器的輸出需經采集卡采集，經過csy9.0虛擬儀器軟件分析，得到較好的線性度和靈敏度后，再送入ad芯片進行轉換。系統框圖如圖1所示。圖1 電子秤系統框圖2.2各模塊基本原理2.2.1采用應變片稱重的基本原理電阻

8、應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應變敏感元件構成。當被測物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化，通過轉換電路轉換成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應變片是最常用的測力傳感元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地粘貼在測試體表面，測件受力發生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發生相應的變化。通過測量電路，轉換成電信號輸出顯示。當具有初始電阻值r的應變片粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應變，將傳遞給應變片的敏感柵，使其產生電阻相對變化r/r。在一定應變范圍內r/r與的關系滿足下式：式中，為

9、應變片的軸向應變。 定義k=(r/r)/為應變片的靈敏系數。它表示安裝在被測試件上的應變在其軸向受到單向應力時，引起的電阻相對變化r/r與其單向應力引起的試件表面軸向應變之比。 電阻應變片計把機械應變轉換成r/r后，應變電阻變化一般都很微小，這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉換電路，把應變片計的r/r變化轉換成電壓或電流變化。通常采用惠斯登電橋電路實現這種轉換。若將電橋四臂接入四片應變片，如圖2所示，即兩個受拉應變，兩個受壓應變，將圖2 差動全橋電路兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，構成全橋差動電路。在接入四片應變片時，需滿足以下條件：相鄰橋臂應變片應變狀態應

10、相反，相對橋臂應變片應變狀態應相同。可簡稱為：“相鄰相反，相對相同”。 此時 全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度 為單片工作時的4倍，同時具有溫度補償作用。除上述全橋電路外，還有單臂和半橋電路兩種。單臂、半橋、全橋電路的靈敏度依次增大；當e和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無關。本次實訓采用全橋電路。電橋供電電源為5v。2.2.2放大器的工作原理由于傳感器的輸出為微弱的低頻差分信號,其電壓幅度為微伏級，必須經過放大電路進行調理放大，再進行測量。常用的放大電路可以由單運放放大器、雙運放放大器、三運放放大器或直接由集成儀表放大器（如ad620、ad62

11、3）等構成。下面以三運放構成的儀表放大器為例說明儀表放大器的工作原理及性能指標，運算放大器選擇高精度運放op07。1）基本電路及放大原理圖3 三運放電路原理圖如上圖，由運算放大器特性可知op1： op2： 由分壓原理可得故 由于放大器op3為差值放大器，可知所以其差值放大倍數為當要改變增益時，僅須調整可變電阻r1即可。2）第二級放大電路的工作原理圖4 第二級放大器原理圖第二級放大電路其實是一個增益可調的同相運算放大器，其作用是把第一級放大電路輸出的電壓進一步放大，以滿足需要，工作原理如下：設u4的輸出電位為v*out，輸入第一級放大電路輸出vout，而可變電阻p2的實際有效接入部分的阻值為rp

12、。對u4而言， 、+ 兩端的電位應近似相等，即： 而流過r11 、r12電阻上的電流i11 、i12可分別表示為： ； 又因為 所以整理后，可得：放大系數（增益）為： 設電阻阻值分別為r11=10k，r12=10k，0rp10k，則第二級放大電路的理論計算增益為：3）集成運算放大器op-07op-07有a、d、c、e各檔，它是高精度運算放大器，具有極低的失調電壓（10v）和偏置電流（0.7na），它的溫漂系數為0.5v/，op-07具有較高的共模輸入范圍（14v），共模抑制比cmrr=126db，以及極寬的供電電流范圍（從3v到18v），雙電源供電。ad op-07的封裝、管腳排列以及基本連接

13、方式如下圖所示，op07一般不需要調零，如需調零，可在1和8管腳之間接一個電位器，阻值可為20k，參見基本接法圖。 圖5 ad op-07封裝圖 圖6 運算放大器引腳圖通過利用multisim7仿真軟件，可以得到參考設計電路。兩級放大電路multisim7仿真如圖7所示。圖7 兩級放大電路multisim7仿真2.2.3 a/d轉換的工作原理一般電子秤的a/d轉換精度越高越好，a/d精度越高，電子秤的靈敏度越高。但12的a/d芯片價格比較貴，考慮到實驗室條件，本次設計采用8位串行a/d芯片tlc549。tlc549是美國德州儀器公司生產的8位串行 a/d轉換器芯片，可與通用微處理器通過sdo、

14、sclk、cs三條口線進行串行接口 具有4mhz片內系統時鐘和軟硬件控制電路，轉換時間最長17微秒。允許的最高轉換速率為40000次/秒。總失調誤差最大為0.5lsb（最低有效位）。可用于較小信號的采樣。2.2.4 數碼管顯示的工作原理采用4位共陰數碼管動態顯示顯示電壓值。統一采用7407驅動數碼管。首先顯示一個數, 然后關掉，然后顯示第二個數，又關掉，那么將看到連續的數字顯示,輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約1ms），由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感。這

15、就是動態顯示。第3章 硬件設計3.1 電路主要結構利用傳感器與檢測技術實驗室已有的應變式稱重臺，將四片應變片采用全橋形式接入測量電路，經過兩級放大電路放大，再由串行a/d轉換芯片tlc549進行a/d轉換，轉換結果送入單片機89c51，通過7407驅動四位數碼管顯示電壓值。接線如圖8所示。圖8 硬件系統電路結構3.2 12v穩壓電路為確保給op07供應穩定的12v電壓。故設計12v穩壓電路，如圖9所示。圖9 12v穩壓電路 3.3 兩級放大電路本設計采用兩級放大電路，由兩個部分組成。前一部分是采用三個運放構成的儀表放大器，后面的放大器將儀表放大器的輸出電壓進一步放大。接線如圖10所示。圖10兩

16、級放大電路 3.4 a/d轉換電路一般電子秤的a/d轉換精度越高越好，a/d精度越高，電子秤的靈敏度越高。但12的a/d芯片價格比較貴，考慮到實驗室條件，本次設計采用8位串行a/d芯片tlc549。tlc549與89c51接線如圖11所示。圖11 a/d轉換電路圖3.5 數字顯示電路采用4位共陰數碼管動態顯示顯示電壓值。統一采用7407驅動數碼管。數碼管、7407與89c51接線如圖12所示。圖12 數字顯示電路圖第4章 軟件設計4.1 總程序模塊設計在總程序中先將系統初始化，然后循環調用a/d轉換程序、把a/d轉換后的數拆成bcd碼程序和數碼管顯示程序。程序流程圖如圖13所示。圖13 總程序

17、模塊程序流程圖4.2 a/d電路模塊設計當為低電平時data out為高阻狀態。轉換開始之前，必須為低電平，以確保完成轉換。89c52產生8個時鐘脈沖，以提供作為549的i/o clk的引腳輸入。當為低電平時，最先出現在引腳上的信號為轉換值的最高位。依次轉換8個數據，直至8位轉換完畢。程序流程圖如圖14所示。圖14 a/d轉換程序流程圖4.3 拆字程序模塊設計拆字程序既把a/d轉換所得數據轉換成bcd碼，流程圖如圖15所示。圖15 拆字程序流程圖4.4 顯示電路模塊設計在單片機中實際的工作流程如下：先打開p2.0，送個位，然后關掉p2.0，打開p2.1送十位，再關掉p2.1，打開p2.2 送百

18、位 , 再關掉p2.2，打開p2.3 送千位，由于速度足夠快，那么我們將看到4個數顯示。顯示電路模塊流程圖如圖16所示。圖16 顯示電路模塊流程圖第5章 安裝與調試5.1 硬件調試硬件調試是整個調試步驟中第一步，硬件電路的正確性，是其它各部分正常工作的先決條件。（1）首先判斷購買的各個元器件本身是否已經損壞，按電路原理圖安裝電路，安裝完畢，再則根據電路原理圖仔細檢查元器件是否有組裝上的錯誤，諸如極性電容、集成塊安裝方向錯誤等。再利用萬用表檢測各個焊點是否存在虛焊等問題，并且按照原理圖一部分一部分的檢測。（2）進行調試，先硬件調試然后軟件調試。r3是電橋的調零電阻，r17是整個放大電路的調零電阻

19、，r8，r19調整運放增益。如果運放兩個輸入端上短接，則輸出端電壓也應該等于0v。但事實上，輸出端總有一些電壓，該電壓稱為失調電壓vos。如果將輸出端的失調電壓除以電路的噪聲增益，得到結果稱為輸入失調電壓或輸入參考失調電壓。必須對放大器的兩個輸入端施加差分電壓，以產生0v輸出。調節r17的阻值即可將電路調零。（3）將應變電橋接入電路，調節r3調節電橋平衡，使電橋輸出端電壓為0v；再通過調節r17、r8、r19調節電路放大增益。使第一級放大倍數達到，第二級放大倍數在211倍之間。5.2 軟件調試 軟件調試主要應用keil軟件進行程序的調試，keil軟件全面支持匯編語言，c51語言的編譯/連接、調

20、試。(1) a/d轉換程序的調試 (2) 顯示程序的調試5.3 綜合調試在完成了硬件和軟件調試工作以后，便可進行系統的綜合調試。綜合調試一般采用全速斷點調試運行方式，在這個階段的主要工作是排除系統中遺留的錯誤以提高系統的動態性能和精度。5.4 故障分析與解決方案5.4.1 故障出現情況(1) 數碼管顯示數值不穩定；(2) 數碼管顯示數值為零；5.4.2 解決方案（針對上述故障一一對應的解決方案）(1) 在主程序調用顯示程序之前加了一個循環，實現循環調用顯示程序，便實現了數值的穩定顯示。(2) 一開始顯示數值始終為零，然后將程序中volt=volt*5.0/255*1000改成volt=1234

21、，編譯下載后可以穩定的顯示1234，說明顯示部分的硬件電路和程序沒有問題。再測tlc549的輸入電壓，測出一個負值，由于此處的tlc549的ref+為+5v,ref-為0，所以tlc549的輸入電壓須為正值。然后調節應變電橋電阻的位置，便實現了tlc549的輸入電壓為正值，數碼管便可正常顯示。5.5 功能測試及結果分析測試電路板，增加砝碼，記錄輸出電壓信號，利用csy-v9.1虛擬儀器采集測量電路的輸出電壓至電腦中，并分析數據。測試結果分析如圖17所示。圖17測試結果分析由圖可分析知，靈敏度為105.06，非線性誤差為0.41%，參照設計指標：考慮a/d分辨率為20mv，要求靈敏度不低于40m

22、v/20g。系統線性度和靈敏度（最小二乘法），要求非線性誤差小于1.50%。本設計完全符合設計指標。 總 結在本次課程設計中，我花了大量的時間和精力進行資料查閱和調試電路板，結合自己所學，認真解決每一個功能模塊中遇到的問題。在設計各個功能模塊之前，我用protel 99 se繪圖軟件進行了各個模塊的繪制，并最終繪制成一個總的電路原理圖。但由于缺乏實踐經驗，電路中還有些功能不夠完善，有寫參數不夠精確，而且抗干擾能力也不夠好。總之，在這次課程實際中，我學會了怎樣把自己所學的書本知識應用到實處。看到自己設計的功能電路能在仿真軟件中運行、調試好的電路正確運行，我有了很大的成就感。另外，通過具體的操作，

23、我掌握了各個功能模塊的接口設計方法，無論是在設計思想還是在動手能力上都有了很大的提高。參考文獻1余成波等.傳感器與自動檢測技術m.高等教育出版社，2004.2沙占友等.新型專用數字儀表原理與應用m.機械工業出版社,2006.3周航慈等.智能儀器原理與設計m.北京航空航天大學出版社,20054張立科.8051系列單片機程序設計m.人民郵電出版社,2006.5張金鐸.傳感器用其應用m.西安電子科技大學出版社,2002.6沈紅衛.基于單片機的智能系統設計與實現m.電子工業出版社，2005.7吳金戌.8051單片機實踐與應用m.清華大學出版社,2003.附錄附錄1：軟件程序#include#inclu

24、de #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define datapoint p0#define bitpoint p2uchar code word=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x27,0x7f,0x6f;uchar code bitword=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;sbit sclk=p12;sbit sdo=p10;sbit cs=p11;uchar bcd4;uint adss;uchar ads20;void delay1s();void delayshor

25、t();void display();void tobcd();void ad();void delay_50us(uint t);void main() uchar p; while(1) ad(); tobcd(); for(p=0;p100;p+) display(); void ad() uchar i,j; for(j=0;j20;j+) cs=1; sclk=0; _nop_(); _nop_(); cs=0; _nop_(); _nop_(); for(i=0;i8;i+) sclk=1; _nop_(); _nop_(); adsj=adsj1; if(sdo=1) adsj+

26、; sclk=0; cs=1; /禁止tlc549,再次啟動a/d轉換 delay_50us(2); adss=0; for(i=0;i20;i+) adss=adss+adsi; adss=adss/20;void tobcd() uint temp;temp=adss; temp=temp*5000.0/255; bcd0=temp%10; /最低位 bcd1=temp/10%10; bcd2=temp/100%10; bcd3=temp/1000; /最高位void display() uchar i; bitpoint=0x00; for(i=0;i0;i-)for(j=100;j0;

27、j-);void delay1s() unsigned char h,i,j,k; for(h=5;h0;h-) for(i=4;i0;i-) for(j=116;j0;j-) for(k=214;k0;k-);void delay_50us(uint t)uchar j; for(;t0;t-) for(j=19;j0;j-) ;附錄2：1）兩級放大電路multisim7仿真圖2）硬件系統電路結構圖附錄3：系統測試結果分析附錄4：元件明細表元件明細表名稱數量名稱數量電阻471瓷片電容10481k1103110k220pf2100k3電解電容10uf81m422uf1可變電阻501op07芯片

28、41k1底座410k1549芯片1100k1底座1排阻300189c51芯片17407芯片1底座4底座14個共陰數碼管數碼管1晶振1底座1插孔若干插線若干附錄附錄1：軟件程序#include#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define datapoint p0#define bitpoint p2uchar code word=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x27,0x7f,0x6f;uchar code bitword=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;sbit sclk=p12;sbit sdo=p10;sbit cs=p11;uchar bcd4;uint adss;uchar ads20;void delay1s();void delayshort();void display();void tobcd(