《质心检测方案总体设计毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《质心检测方案总体设计毕业论文.doc（45页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计(论文)题目：质心检测方案总体设计系 别： 光电信息系 专 业： 光电信息工程 班 级： B100104 学 生： 学 号： B10010402 指导教师： 2014年05月毕业设计（论文）任务书系别 光电信息系专业 光电信息工程 班B100104姓名 程斯琦 学号 B10010402 1.毕业设计（论文）题目： 质心检测方案总体设计 2.题目背景和意义：经加工(组装)完毕后的工件(部件)，如果质量呈不对称分布，一般很难确定质心位置，即使外轮廓为对称图形的工件(部件)，质心一般也不在其几何中心。为了满足动力学要求，往往需要知道工件质心的准确位置，尤其是新
2、型武器的研制对质心测量精度的要求不断提高。由于很多产品一般从理论计算很难准确地确定其质心的几何位置，特别是对动能拦截等精确制导武器，必须较精确确定其质心位置，因此必须进行实际的质心位置测量。 3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）： 1）查阅国内外相关文献以了解质心测量原理；2）比较、选择质心检测原理方法；3）设计质心检测系统；4）分析检测误差。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：2013.11.42013.11.30：查找有关资料， 了解质心检测技术的原理及方法，总结各方法优缺点，撰写开题报告。2013.12.12014.1.5：设计质心测量系统原理图，选择测试系
3、统所需的器件，压力传感器，数据采集卡等。2014.1.62014.2.21：完成总体设计，分析系统误差及可能的解决办法，对整个设计进行总结。2014.2.242014.3.21：针对毕业设计要求，完成毕业论文的撰写，准备毕业答辩。 5.毕业设计（论文）的工作量要求 15000字 实验（时数）*或实习（天数）： 图纸（幅面和张数）*： 其他要求： 查阅文献资料不少于15篇 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日质心检测方案总体设计摘要 在机械制造和军事方面，质心检测是很重要的测试项目，对于准度、精度、速度的要求越来越高。本文利用传感器技术设计了一种基于三点支
4、撑法的质心检测系统。 本系统采用目前使用最广泛、技术较为成熟的SOC单片机C8051F350作为控制核心，实现了自动采样、处理功能，通过异步串行口与上位机通信，通过C语言计算程序算出质心坐标。其中测量功能由以MAVIN足立NA2型称重传感器为核心的传感器电路、以OPA27为核心的放大电路和单片机内部的24位A/D转换实现。整个系统具有精确、快捷、方便、实用的显著特点。关键词：质心；三点支撑法；单片机；称重传感器；A/D转换；C语言The Overall Design of the Centroid Detection Scheme AbstractIn the machinery and mi
5、litary aspects, centroid detection is very important test project.For accuracy, precision and speed have become increasingly demanding.In this paper, the use of sensor technology designed a centroid detection system method based on three-point support. The system uses the most widely used, the techn
6、ology is more mature SOC MCU C8051F350 As a control center.Achieve the automatic sampling, processing, via an asynchronous serial port communications with the host computer,Computer program calculates the coordinates of the center of mass by C language.Thereinto the measure is completed by sensor ci
7、rcuit based on MAVIN NA2 sensor, amplification circuit based on OPA27 and A/D converter in C8051F350.The whole system has precise, fast, convenient and practical notable features.Keywords: centroid; point support method; SCM; weighing sensor,A/D conversion; c language目 录1 绪论1 1.2问题的提出1 1.3国内外研究现状1 1
8、.4研究的内容2 1.4.1目的和要求2 1.4.2系统的工作原理22 系统方案论证4 2.1称重传感器选择4 2.1.1传感器分类4 2.1.2最终选择方案4 2.2编程语言选择方案5 2.2.1汇编语言选择方案5 2.2.2C语言选择方案6 2.2.3最终选择方案8 2.3主要部件介绍83 硬件设计13 3.1仪器功能介绍13 3.2系统原理框图13 3.3检测装置结构设计13 3.3.1工件质心检测基本方法14 3.4压力传感器电路设计15 3.5数据处理电路设计16 3.5.1单片机电路16 3.5.2A/D放大电路17 3.5.3电源电路设计18 3.5.4串口通信电路194 系统软
9、件设计20 4.1主程序的设计20 4.2子程序的设计21 4.2.1 A/D转换软件设计21 4.2.2 数据传输软件设计22 4.2.3 质心坐标计算软件225 误差分析与补偿25 5.1质量误差25 5.2质心误差256 软件仿真27 6.1仿真软件的介绍27 6.2仿真画面的介绍27 6.3计算程序运行307 结论31参考文献32致 谢33毕业设计（论文）知识产权声明34毕业设计（论文）独创性声明35附录1系统硬件电路图36附录2系统源程序代码371 绪论质心指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点，它同作用于质点系上的力无关。在质点组中恒存在一个特殊点，它的运动很容易被确定，如果以
10、这个特殊点作为参照点，又常常能使问题简化。这个特殊点即质点组成的质量中心，简称质心。经加工(组装)完毕后的工件(部件)，如果质量呈不对称分布，一般很难确定质心位置，即使外轮廓为对称图形的工件(部件)，质心一般也不在其几何中心。为了满足动力学要求，往往需要知道工件质心的准确位置1。1.1研究的目的和意义质心测量对于很多产品的使用至关重要，尤其是新型武器的研制对质心测量精度的要求不断提高。由于很多产品一般从理论计算很难准确地确定其质心的几何位置，特别是对动能拦截等精确制导武器，必须较精确确定其质心位置，因此必须进行实际的质心位置测量2。本课题研究的目的就是用利用传感器技术，设计了一种质心测量机构，
11、提出了一种能够质心测量精度的测量方法。1.2问题的提出在过去，工件的质心是通过工程技术人员的大量计算获得的，多余复杂形体的零件只能进行近似计算。当组成组件的零件数量比较多，而且质量分布不均匀时，计算就非常困难，即便借助一些计算分析软件，一般也达不到要求的精度。为此，专门设计制造了相应的自动检测装置取代人工计算。1.3国内外研究现状在机械工程领域，质心测量是一个应用十分广泛的测量项目，如通用汽车的动力总成、汽车总装质心高度的测量，装甲车辆和车体上武器系统的质心分布，火箭、飞机等各类飞行器的质心测量等，都属于质心测量的范畴3。军事方面，郭志成4从质心测量原理入手，提出了采用智能传感器技术的战术导弹
12、质心定位系统的组成及技术指标。利用误差理论，对战术导弹质心定位系统进行了误差分析，消除了误差并提高了系统的测量精度。潘文松，王昌明5等人介绍了弹丸质量、质心以及质偏心的三点支承测量方法，论述了各个参数的测量原理，对各参数产生误差的因素以及各个误差的大小进行了定量分析，并提出了相应的误差补偿方式。骞永博，吴斌6详细介绍了弹丸质心测量的多支点称重法工作原理、系统组成和计算公式，针对小型弹丸，提出了提高其轴向、径向质心测量精度的改进方法。首都航天机械公司曾对大型运载火箭质量与横向质心的四点测定方法进行过研究，所研制的设备为分体式结构具有可移动性，但设备调整比较复杂。车辆测量方面，赵新通等7采用液压驱
13、动的二自由度运动平台测量车辆的质心坐标。张立彬8在原有拖拉机做复摆运动时周期与质心高度之间关系的理论模型基础上，提出了实用测量模型，通过测量摆动周期和改变摆长，计算拖拉机质心高度。在国外，有关本项目研究的文献较少。Fabbir等9和Molari等10-11采用平台侧倾试验法测量拖拉机质心高度，将拖拉机放在摆动平台上，依靠平台侧面的钢丝滑轮机构，使平台与拖拉机一起旋转一定角度，测量钢丝绳的拉力，通过静态平衡原理计算出拖拉机的质心高度。1.4研究的内容利用传感器技术，设计一种质心测量机构，提出一种测量方法、具体测量机构的主体结构，给出了机构的测量原理、测量方法，测定100kg内任意不规则物体的质心
14、。1.4.1目的和要求本次设计是利用传感器技术设计和实现一种质心系统，实现系统软硬件的组成和实现。实时、可靠的联动控制，使系统可靠性高、灵活性强、人机界面友好。通过设计熟悉51单片机的使用方法、传感器等芯片的工作原理及其使用，并通过Keil编程向单片机上下载程序，根据设计要求编写计算程序，达到设计的最优化和理想化、实用化。1.4.2系统的工作原理根据测量原理的不同，质心测量方法通常分为两类：悬挂法和质量反应法12。 悬挂法是利用自由悬挂时质心必然通过悬挂点垂直面的原理来确定质心位置的方法，如图1.1，该方法只适用于小型设备且精度不高； 图1.1 悬挂法测量不规则物体重心质量反应法是利用力矩平衡
15、的原理进行质心测量的方法，该方法试验过程相对简单，普及率较高。三点支撑法13是质量反应法的一种，是目前应用比较广泛的一种质心测量方法，即在测量平台下方的同一圆周上均布三个测力支承点，支承下置有测力传感器，被测件安装在平台上，并且使被测件的中心轴通过平台的中心，而且又垂直平台的工作台面，读出三个测力传感器的输出，通过运算可方便地求出被测件的质量和质心位置坐标。该方法结构简单，可以根据实际情况更换传感器以调整测量范围，并且不受样件形状和大小的影响。通过合理选择传感器和分布位置，其测量准确度最高可达0.01mm。根据本设计的要求，最终选择三点支撑法测量质心，应为相比悬挂法，三点支撑法精度更高，测量更
16、方便，更容易通过计算机显示出测量结果。2 系统方案论证2.1称重传感器选择2.1.1传感器分类称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器茵先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。分类：称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。电阻应变式传感器利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。主要由弹性元件、电
17、阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。 2.1.2最终选择方案 电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/10001/10000，结构较简单，可靠性较好。大部分电子衡器均使用此传感器。 被测件的质量在100kg左右，工作台设计重量为50kg，共重150kg。设计中共使用三个称重传感器，每个传感器载重约为50kg。由此可选用电阻式传感器型号台湾MAVIN足立NA2-100称重传感器
18、。图2.1 MAVIN足立NA称重传感器产品参数： 额定输出 2mv/V5%综合误差 0.02% F.S.重复性、线性、滞后性 0.02% F.S.蠕变（20分钟） 0.02% F.S.零点复归（20分钟） 0.02% F.S.灵敏度温漂 0.003% F.S./零点温漂 0.003% F.S./温补范围 -10+50容许范围 -20+60零点平衡 0.0200mv/V输入阻抗 41015输出阻抗 3505绝缘阻抗 5000M推荐激励电压 512VDC最大激励电压 15VDC安全超载 150%终极超载 200%材质 铝合金防护等级 IP65、IP66电缆 62m推荐台面尺寸 400400mm
19、2.2编程语言选择方案2.2.1汇编语言选择方案汇编语言（英语：Assembly language）是一种用于电子计算机、微处理器、单片机或其他可编程器件的低级语言，在不同的设备中，汇编语言对应着不同的机器语言指令集。一种汇编语言专用于某种计算机系统结构，而不像许多高级语言，可以在不同系统平台之间移植。使用汇编语言编写的源代码，需要通过使用相应的汇编程序将它们转换成可执行的机器代码。这一过程被称为汇编过程。汇编语言是面向机器的程序设计语言。在汇编语合中，用助记符代替操作码，用地址符号或标号代替地址码。这样用符号代替机器语言的二进制码，就把机器语言变成了汇编语言。于是汇编语言亦称为符号语言。使用
20、汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，要由一种程序将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编程序，汇编程序是系统软件中语言处理系统软件。汇编程序把汇编语言翻译成机器语言的过程称为汇编。其主要特点：(1) 面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。(2) 保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。(3) 可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O端口等。(4) 目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。(5) 经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。汇编语言由于采用了助记符号来编写程序，比用机器语言的二进制代码编程要方
21、便些，在一定程度上简化了编程过程。汇编语言的特点是用符号代替了机器指令代码，而且助记符与指令代码一一对应，基本保留了机器语言的灵活性。使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性，得到质量较高的程序。用汇编语言编制的程序输入计算机，计算机不能象用机器语言编写的程序一样直接识别和执行，必须通过预先放入计算机的汇编程序中进行加工和翻译，才能变成能够被计算机直接识别和处理的二进制代码程序。用汇编语言等非机器语言书写好的符号程序称为源程序，运行时汇编程序要将源程序翻译成目标程序。目标程序是机器语言程序，当它被安置在内存的预定位置上，就能被计算机的CPU处理和执行。汇编语言是面向具体机型的，它离不开具体
22、计算机的指令系统，因此，对于不同型号的计算机，有着不同的结构的汇编语言，而且，对于同一问题所编制的汇编语言程序在不同种类的计算机间是互不相通的。其优点如下：(1) 面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。(2) 保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。(3) 可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O端口等。(4) 目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。(5) 经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。2.2.2C语言选择方案C语言是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为工作系统
23、设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。C语言，是一种通用的、过程式的编程语言，广泛用于系统与应用软件的开发。具有高效、灵活、功能丰富、表达力强和较高的移植性等特点，在程序员中备受青睐。最近25年是使用最为广泛的编程语言。C语言是由UNIX的研制者丹尼斯里奇（Dennis Ritchie）于1970年由肯汤普逊（Ken Thompson）所研制出的B语言的基础上发展和完善起来的。目前，C语言编译器普遍存在于各种不同的操作系统中，例如UNIX、MS-DOS、Microsoft Windows及Linux等。C语言的设计影响了许多后来的编程语言，例如
24、C+、Objective-C、Java、C#等。C语言是世界上最流行、使用最广泛的高级程序设计语言之一。在操作系统和系统使用程序以及需要对硬件进行操作的场合，用C语言明显优于其它高级语言，许多大型应用软件都是用C语言编写的。其优点如下：(1) 简洁紧凑、灵活方便C语言一共只有40个关键字，9种控制语句，程序书写形式自由，区分大小写。把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C 语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。(2) 运算符丰富C语言的运算符包含的范围很广泛，共有34种运算符。C语言把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理。从而使
25、C语言的运算类型极其丰富，表达式类型多样化。灵活使用各种运算符可以实现在其它高级语言中难以实现的运算。(3) 数据类型丰富C语言的数据类型有：整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。能用来实现各种复杂的数据结构的运算。并引入了指针概念，使程序效率更高。(4) 表达方式灵活实用C语言提供多种运算符和表达式值的方法，对问题的表达可通过多种途径获得，其程序设计更主动、灵活。它语法限制不太严格，程序设计自由度大，如对整型量与字符型数据及逻辑型数据可以通用等。(5) 允许直接访问物理地址，对硬件进行操作由于C语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作，因此它既具有高级语言
26、的功能，又具有低级语言的许多功能，能够像汇编语言一样对位（bit）、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元，可用来写系统软件。(6) 生成目标代码质量高，程序执行效率高C语言描述问题比汇编语言迅速，工作量小、可读性好，易于调试、修改和移植，而代码质量与汇编语言相当。C语言一般只比汇编程序生成的目标代码效率低10%20%。(7) 可移植性好C语言在不同机器上的C编译程序，86%的代码是公共的，所以C语言的编译程序便于移植。在一个环境上用C语言编写的程序，不改动或稍加改动，就可移植到另一个完全不同的环境中运行。(8) 表达力强C语言有丰富的数据结构和运算符。包含了各种数据结构，如整型
27、、数组类型、指针类型和联合类型等，用来实现各种数据结构的运算。C语言的运算符有34种，范围很宽，灵活使用各种运算符可以实现难度极大的运算。C语言能直接访问硬件的物理地址，能进行位（bit）操作。兼有高级语言和低级语言的许多优点。它既可用来编写系统软件，又可用来开发应用软件，已成为一种通用程序设计语言。另外C语言具有强大的图形功能，支持多种显示器和驱动器。且计算功能、逻辑判断功能强大。2.2.3最终选择方案根据本设计的要求，最终选择C语言编写程序。因为汇编语言编写的代码非常难懂，不好维护；很容易产生bug，难于调试；只能针对特定的体系结构和处理器进行优化；开发效率很低，时间长且单调。2.3主要部
28、件介绍C8051F350单片机器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU。其主要特性如下：l 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达50MIPS）l 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）l 24或16位单端/差分ADC，带模拟多路器l 两个8位电流输出DACl 高精度可编程的24.5MHz内部振荡器l 8KB在片FLASH存储器l 768字节片内RAMl 硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和SPI串行接口l 4个通用的16位定位器l 具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）l 片内上电复位、VDD监视器和温度传感器l 片内电压比较器
29、l 17个端口I/O（容许5V输入）具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F350是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。片内SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用户功能
30、共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。每种器件都可在工业温度范围（-45到+85）内用2.7V-3.6V的电压工作。端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F350采用28脚QFN（也称为MLP或MLF）封装或32脚LQFP封装。图2.2 C8051F350引脚图引脚类型及功能介绍：引脚名称引脚号引脚类型说明VDD21电源数字电源。DGND22地数字地。AV+10电源模拟电源。AGND9地模拟地。/RSTC2CK12数字 I/O数字 I/O器件复位。内部上电复位或 VDD 监视器的漏极开路输出。一个外部源可以通过将该引脚驱动为低电平（至少 15s）来启动一次系统复位。建议连
31、接一个 1K的上拉电阻到 VDD。C2 调试接口的双向数据信号。P2.0C2D11数字 I/O数字 I/O端口 P2.0C2 调试接口的双向数据信号。P0.013数字I/O 或模拟输入端口 P0.0P0.114数字I/O 或模拟输入端口 P0.1P0.2XTAL115数字 I/O 或模拟输入模拟输入端口 P0.2外部时钟输入。对于晶体或陶瓷谐振器，该引脚是外部振荡器电路的反馈输入。P0.3XTAL216数字 I/O模拟I/O 或数字输入 端口 P0.3外部时钟输出。该引脚是晶体或陶瓷谐振器的激励驱动器。对于 CMOS 时钟、电容或 RC 振荡器配置，该引脚是外部时钟输入。P0.417数字 I/
32、O 或模拟输入端口 P0.4P0.518数字 I/O 或模拟输入端口 P0.5P0.6CNVSTR19数字 I/O 或模拟输入数字输入端口 P0.6ADC0 外部转换启动输入或 IDA0 更新源输入。P0.720数字 I/O 或模拟输入端口 P0.7P1.023数字 I/O 或模拟输入端口 P1.0P1.124数字 I/O 或模拟输入端口 P1.1P1.225数字 I/O 或模拟输入端口 P1.2P1.326数字 I/O 或模拟输入端口 P1.3P1.427数字 I/O 或模拟输入端口 P1.4P1.528数字 I/O 或模拟输入端口 P1.5P1.6IDA029数字 I/O 或模拟输入模拟输
33、入端口 P1.6IDAC0 输出P1.7IDA130数字 I/O 或模拟输入模拟输入端口 P1.7IDAC1 输出AIN0.01模拟输入ADC0 输入通道 0AIN0.12模拟输入ADC0 输入通道 1AIN0.23模拟输入ADC0 输入通道 2AIN0.34模拟输入ADC0 输入通道 3AIN0.45模拟输入ADC0 输入通道 4AIN0.56模拟输入ADC0 输入通道 5AIN0.67模拟输入ADC0 输入通道 6AIN0.78模拟输入ADC0 输入通道 7VREF+31模拟 I/OVREF 正电压引脚VREF-32模拟 I/OVREF 负电压引脚表2.1 引脚类型及功能3 硬件设计3.1
34、仪器功能介绍本质心检测系统操作方便，人机间互动主要依靠计算机。操作过程如下：上电后系统复位，放上被测件，此时三个点的重力显示在计算机屏上，通过计算程序输出质心坐标。3.2系统原理框图硬件电路按照模块化设计方法设计,主要包括检测装置，单片机电路、传感器电路、A/D放大电路、电源稳压电路、串口通信电路等。系统原理框图如图3-1所示。图3.1 系统原理框图3.3检测装置结构设计本文采用了三点支撑称重法。三点支撑称重法的重量和质心测量是通过三个称重传感器共同完成的，图3.2为三点支撑称重法示意图，检测装置主要由测试台面，支撑轴，称重传感器，底主要座等部分组成图3.2 三点支撑称重法示意图称重传感器在测
35、量平台上的投影如图3.3所示。图3.3测量平台俯视图3.3.1工件质心检测基本方法质量和质心测量是通过3个称重传感器共同完成的。称重传感器在测量平台上的垂直投影如图2所示。其中点s1，s2，s3分别表示三个称重传感器和测量平台的接触点，OX，OY为装置参考轴，原点O为装置的定位中心14。设三个传感器测出了力分别为f1，f2，f3。则根据传感器测得的值可得被测件的重量为： （3.1）式中：g为重力加速度根据力矩平衡原理在平面oxy内对OX取矩，被测件在oxy平面内的径向质心yc为： （3.2）对OY取矩，被测件的轴向质心xc为： （3.3）将被测件绕x轴旋转90，重复上式，即可测试出z轴方向的质
36、心坐标15。3.4压力传感器电路设计传感器采用电阻应变片，利用电桥平衡原理进行压差的采样，因为电桥测量不仅可以提高检测灵敏度，还能获得较为理想的温度补偿效果，减小和克服非线性误差。直流电桥电路如下图所示：图3.4 直流电桥电路图四个电阻两两串联，接点A和B接直流电源E。根据串联电路电阻分压关系，得C、D两点的电压分别为：， （3.4）电桥的输出电压为： （3.5）电桥的平衡条件是：。当电桥平衡时，输出电压为零。根据本仪器的设计要求，我们选择台湾MAVIN足立NA2称重传感器。惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯
37、登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。又因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。图3.5 惠斯登电桥 （3.6）若，则： （3.7）3.5数据处理电路设计3.5.1单片机电路本设计采用SOC单片机C8051F350，芯片的各主要引脚分配如下：引脚说明引脚说明P0.0上电指示灯P0.5串行通信P0.2外部时钟输入P1.3清零按键P0.3外部时钟输出AIN0.0模拟输入+P0.4串行通信TXDAIN0.1模拟输入-表3.1 C8051F350主要使用引脚3.5.2A/D放大电路图3.6 A/D放大电路传感器测量的电压信号经常含有
38、干扰信号，所以当差分电压输出时，在其前面加一个LC滤波电路，抑制了电源对传感器的噪声干扰，得到比较稳定的差分信号。再通过一个2通道模拟多路分配器接入运放的同相输入端放大。由于系统连续工作电压信号会随着温度的变化而发生漂移，为了防止温漂导致的电压失真，在差分信号的两端加接通道多路器74HC4053，当电压随温度往上变化时，74HC4053就把其信号变反，这样电压信号就会成锯齿形稳定在其真实电压值附近，从而保证了信号的准确。如图3.6所示，R8、R9、R10电阻使用了精度高、温度系数稳定的精密电阻，从而减小因为放大产生的干扰。电阻应变片式传感器输出电压为mv数量级，因此必须加放大电路。根据差分电路
39、的原理： （3.8）传感器称重量程100Kg，灵敏2mv/v，供桥电压为5v，满量程输出就为10mv。现测量物体最重50Kg，则最多输出5mv电压。ADC的参考电压为2.5v，50Kg对应2v，所以要使输出电压从0-10mv放大到0-2v，放大倍数为。 本系统的放大电路用了专用的仪表放大器，其优点是：单片机内部的运放不是很稳定，容易造成偏差。内部的运放最大增益为128，而现在所需求的放大倍数要达到200，不能满足放大的要求。故采用外部的运算放大器。传感器满量程输出=传感器额定输出激励电压=2mV/V5V=10mV=10000V。查灵敏度表，对应于5000分度数，其灵敏度允许范围为0.6-5.2
40、，符合灵敏度要求。3.5.3电源电路设计图3.7 电源电路本设计采用的芯片需要的供电电压有2.5V，3.3V和5V三种，主要采用小功率电源调整芯片MIC5205产生2.5V和5V电压，3.3V低压降调节器LP2981产生3.3V电压。5V电压用MIC5205芯片产生，输出电压有波动时，为了使电路能稳定工作，在输入和输出部分分别接入电容C5，C8。C5为输入稳定电容，当稳压器输入阻抗降低时，防止发生震荡。C8为输出稳压电容，对于降低输出纹波、输出噪音及负载电流变化的影响有好的效果，C8的最大值为2.2F太大的值会增加调节器的过度反应。C7作为滤波电容，C6的作用是减少相位失真，减小输出噪声。2.
41、5V电压采用电阻分压的方式从MIC5205的输出得到，其中R1、R2电阻用1ppm的高精度电阻，这样能得到稳定的电压。3.3V电压用LP2981芯片产生，其工作原理与MIC5205相似。3.5.4串口通信电路图3.8 串口通信电路该称重系统与上位机通信，这样系统可以扩展功能，由上位机直接完成监控任务。与上位机的通信接口采用芯片MAX3221。MAX3221是3V至5.5V单通道RS-232线驱动器/接收器。该器件可满足TIA/EIA-232-F要求并在一个异步通信控制器和串行端口连接器之间提供接口电荷汞和四个小型外接电容器可在单路3V至5.5V电源电压下工作，这些器件在数据信号率达到250kb
42、it/s且最大的30-V/s驱动输出回转率时工作。当串行端口失效时，可以对电压管理进行灵活的控制选择。在FORCCEON为低且FORCEOFF为高时自动掉电功能起作用。在这种工作方式中，若器件未感应到接收器输入端上的一个有效的RS-232信号，则驱动器输出端被禁止。若FORCEOFF置为低且EN为高，则驱动器和接收器均被切断，电源电流降至1A。断开串行端口或关闭外围驱动器将会导致自动掉电。当FORCEON和FORCEOFF为高时，自动掉电被禁止，当自动掉电被使能且在接收器输入端加一个有效信号时器件被激活。无效INVALID输出告知用户查看RS-232信号是否加在接收器输入端。如果接收器输入端电压高于2.7V或低于-2.7V或在+0.3V之间并持续少于30s，INVALID为高数据有效；如果接收器输入端电压在+0.3V之间并持续超过30s，则INVALID低数据无效。4 系统软件设计4.1主程序的设计本设计的主程序是由各个子程序模块构成的。系统上电后，首先对系统进行初始化，由于C8051F350是SOC单片机，它较MCS51单片机的一大特点是将很多外设或功能部件都嵌入其中，如本设计用到的24位ADC、增强
