传感器与检测技术综合实训报告文档格式.docx
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利用传感器与检测技术实验室已有的应变式称重台，将四片电阻应变片采用全桥形式接入测量电路，经过运放OP07组成的仪表放大器放大，再由串行模数转换芯片TLC549进行A/D转换，转换结果送入单片机，单片机对采集到的结果进行处理后送给LCD12864显示。
为了使系统获得更好的灵敏度和线性度，仪表放大器的输出经采集卡采集，经过CSY9.0虚拟仪器软件分析，得到较好的线性度和灵敏度后，再送入AD芯片进行转换。
系统框图如图1-1所示。
图1-1电子秤系统框图
1.2基本要求及技术指标
（1）掌握金属箔式应变片的应变效应。
（2）掌握单臂，半桥和全桥电路的工作原理和性能。
（3）电路仿真与参数确定。
利用multisim仿真软件，确定仪表放大器设计方案；
应用运放OP07设计三运放仪表放大器，确定电路元器件具体参数；
（4）制作电路板。
仪表放大器增益可调，放大倍数为1000-2000；
应变电桥和放大电路应具有调零功能。
（5）利用汇编或C51语言编写正确程序，调试电路板，采集放大器的输出电压，并显示。
（6）考虑A/D分辨率为20mV，要求灵敏度不低于40mV/20g。
（7）数据处理及分析。
利用CSY-V9.1虚拟仪器采集测量电路的输出电压至电脑中，确定系统线性度和灵敏度（最小二乘法），要求非线性误差小于1.50%。
（8）编写课程设计报告，完成设计任务的期限为一星期。
第2章应变式称重系统基本原理
2.1应变片称重的基本原理
应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。
通过测量电路，转换成电信号输出显示。
当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化
。
在一定应变范围内
与
的关系满足下式：
式中，
为应变片的轴向应变。
定义
为应变片的灵敏系数。
它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化
与其单向应力引起的试件表面轴向应变
之比。
电阻应变片计把机械应变转换成
后，应变电阻变化一般都很微小。
例如某传感器的应变片电阻值
，灵敏系数
，弹性体在额定载荷作用下产生的应变
，应变电阻相对变化量为：
可以看出电阻变化只有
，其电阻变化率只有
这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。
因此，必须采用转换电路，把应变片计的
变化转换成电压或电流变化。
当应变片计的
变化转换成电压或电流变化后，就可以使用已知质量的砝码去测量并计算出单位质量的电压变化量，即称重系统的灵敏度K。
根据实际称重需要，确定称重系统的量程，然后就可以确定称重系统的灵敏度。
第3章硬件系统设计
3.1传感器模块设计
由于应变式传感器电阻变化很小，不便直接测量，因此把应变片计的
通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。
若将电桥四臂接入四片应变片，如图3-1所示。
图3-1全桥电路
即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。
在接入四片应变片时，需满足以下条件：
相邻桥臂应变片应变状态应相反，相对桥臂应变片应变状态应相同。
可简称为：
“相邻相反，相对相同”。
此时
采用全桥电路的理由如下：
（1）此类电桥电路的灵敏度高，是单一工作应变片工作时的4倍
（2）输出输入呈线性，没有非线性误差
（3）能够温度补偿，大大减小因温度而造成的误差
除上述全桥电路外，还有单臂和半桥电路两种。
单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；
当E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
本次实训采用全桥电路。
电桥供电电源为5V。
3.2信号调理模块设计
由于传感器的输出为微弱的低频差分信号，其电压幅度为微伏级，必须经过放大电路进行调理放大，再进行测量。
常用的放大电路可以由单运放放大器、双运放放大器、三运放放大器或直接由集成仪表放大器（如AD620、AD623）等构成。
本次实训以三运放构成仪表放大器作为前级放大电路，反相放大器作为后级放大电路，运算放大器选择高精度运放OP07。
3.2.1集成运算放大器OP07
OP07有A、B、C、D、E五种型号，它是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±
2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
引脚图如图3-4所示，典型调零电路如图3-5所示。
图3-2OP07引脚图图3-3OP07偏置调零电路
3.2.2前级放大电路—仪表放大器
图3-4仪表放大器电路原理图
如图3-4所示，对于U1，由虚断、虚短可得：
对于U2，由虚断、虚短可得：
由基本电路知识可得：
解得：
对于U3，由虚断、虚断可得：
由节点电流法可得：
因为是差动放大，所以取
与源信号相比较：
解得:
当要改变增益时，仅需调整可变电阻
即可。
3.2.3后级放大电路—反相放大器
图3-5反相放大器电路原理图
如图3-5，由虚断、虚短可得：
由节点电流法，可得：
即
解得
由上式可知，当
时
仪表放大器两输入端短接接地时，若
不等于0，则需调节
改变
，使
=0。
可计算出应调节
使得
3.3A/D转换模块设计
传感器输出的微弱电压信号经过信号调理电路后仍是电压模拟信号，由于单片机只能处理数字量，所以必须经过A/D转换模块将信号调理电路输出的电压模拟量转换成数字量再送给单片机进行数据处理和显示。
3.3.1高速串行8位A/D—TLC549
TLC549是TI公司获得广泛应用的一款8位A/D转换芯片，它是以8位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的。
TLC549具有一个模拟输入端口和一个三态的数据串行输出端口，可以方便地与微处理器或外围设备连接，输入输出时钟（I/OCLOCK）频率最高可达到1.1MHz。
其引脚图如图3-6所示。
图3-6TLC549引脚图
TLC549具有片内系统时钟（4MHz），该时钟与I/OCLOCK是独立工作的，无需特殊的速度或相位匹配，其工作时序如图3-7所示。
图3-7TLC549工作时序示意图
当
为高时，数据输出（DATAOUT）端处于高阻状态，此时I/OCLOCK不起作用。
的此种控制方式允许在同时使用多片TLC549时共用I/OCLOCK，以减少多路A/D芯片并用时的I/0控制端口。
通常情况下
应为低，其控制方式如下：
（1）将
置高，片选无效。
（2）将I/OCLOCK置低
（3）将
置低，片选有效
（4）延时1.4us以上，等待上一次转换结果的最高位D7自动出现在DATAOUT引脚上。
（5）I/OCLOCK产生一个下降沿，D6送到DATAOUT引脚上，依次循环下去，直到产生第七个下降沿后，D0送到DATAOUT引脚上，一个字节的数据读取完毕。
（6）将
置高，片选无效
（7）延时17us以上，为下一次进行A/D转换做好准备
3.3.2A/D转换电路
TLC549与单片机接口电路如图3-8所示。
图3-8TLC549与单片机接口图
由图3-8可知，参考正电压为VCC（+5V），参考负电压为地（0V）,因此TLC549可采集的电压范围为
3.4数据采集模块设计
3.4.1单片机最小系统
本次设计选用STC89C52RC单片机，其引脚图如下图3-9所示。
图3-9STC89C52RC单片机引脚图
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，3个16位定时器/计数器，4个外部中断。
综上可知，STC89C52符合我们本次设计的要求。
单片机最小系统电路图如图3-10所示:
图3-10STC89C52RC单片机最小系统
如图3-10所示，引脚9为复位信号输入端，当输入高电平时，单片机复位。
单片机在可靠地工作之前必须复位。
在最小系统上电时刻电容两端的电压值为0，由于电容电压不能突变，此时的复位端的点位就是VCC，随着通电时间的延长，电容开始充电，电容的两端开始产生电压差，复位端的电位逐渐下降直至为0。
此时单片机开始可靠地工作。
3.5液晶显示模块
3.5.1LCD12864带中文字库液晶显示器
LCD12864液晶显示模块是128×
64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。
可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：
8位并行及串行两种连接方式。
具有多种功能：
光标显示、画面移位、睡眠模式等。
其引脚图如图3-11所示。
图3-11LCD12864引脚图
要想驱动LCD12864液晶显示器，就需要向其控制寄存器中写入指令，向其数据寄存器中写入数据。
在这之前必须先了解LCD12864的操作时序，如图3-12所示。
图3-12LCD12864工作时序示意图
由于不需要从LCD12864读取数据，因此此处只介绍向LCD12864写入指令和数据的操作时序，具体操作时序如下所示：
（1）R/W置低，表示将要向LCD12864写入数据或指令
（2）RS置低，表示向LCD12864写入的是指令。
若RS置高，则代表向LCD1286写
入的是数据。
（3）将要写入的指令或数据并行送入DB0-DB7引脚
（4）EN置高并延时至少一段时间，等待LCD12864读入指令或数据。
（5）EN置低，完成一次指令或数据的发送。
3.5.2LCD12864显示电路
为了方便操作，选择并行连接方式。
LCD12864与单片机接口如图3-13所示。
图3-13LCD12864与单片机接口图
如图3-13所示，PSB接VCC，即选择并行模式。
RST为复位端，低电平有效，通常不需要复位，故接VCC。
数据端接在单片机的P0口（已接上拉电阻），EN、R/W和RS三个写入指令和数据时最重要的控制端接在P2.2-P2.0。
调节滑动变阻器R1可调节液晶对比度，使得显示更加清晰。
3.6矩阵键盘模块
按键是人机交互的桥梁，但是独立按键太过占用I/O口资源，每个按键都需要占用一个I/O口。
因此便出现了矩阵键盘。
此处以所用的4x4矩阵键盘为例进行说明。
3.6.1矩阵键盘电路及其原理
4*4矩阵键盘电路原理图如图3-14所示。
图3-14矩阵键盘电路原理图
如图3-14所示，令P3=0XF0，即P3.0-P3.3为低电平，P3.4-P3.7为高电平。
如果此时S1按键按下，那么P3.4电平就会被拉低，此时P3=0XE0。
再令P3=0X0F，即P3.0-P3.3为高电平，P3.4-P3.7为低电平。
如果此时S1按键按下，那么P3.0电平就会被拉低，此时P3=0X0E。
将两次得到的结果相或，即0XE0|0X0E=0XEE，就获得了S1按下时的16进制值。
同理可分析得到其他按键按下时的16进制值。
因此，根据单片机读取到的16进制值就可以判断出是哪一个按键被按下。
第四章仿真与设计
4.1multisim12电路仿真
4.1.1仿真软件multisim12
multisim软件又叫虚拟电子实验室。
它是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟电路仿真软件，一个虚拟的电子实验室。
软件可以虚拟设计测试和演示各种电子电路（电工学、模拟电路、数字电路等），能够进行详细的电路分析功能，以帮助设计人员分析电路的性能。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
4.1.2信号调理电路的仿真设计
在Multisim12.0软件中绘制电气原理图，并在电桥输出端、一级放大输出端、二级放大输出端分别并联三个电压表，用于检测电压的放大情况。
电源电压设置为5V，将OP07运放的7号脚的工作电源正电压设置为+15V，将4号脚的工作电源负电压设置为-15V。
仿真电路图如下图4-1所示。
图4-1信号调理电路仿真电路图
下面开始对信号调理电路进行仿真测试，具体操作步骤如下：
（1）放大器调零
将U1和U2的同相输入端短接并接地，调节滑动变阻器
使得XM3电压表输出电压为0。
仿真结果如图4-2所示。
图4-2放大器调零仿真结果
（2）电桥调零
由于仿真时四个桥臂的实际阻值都是和标称值完全相等的，因此电桥并不需要调零，电桥两端输出的电压肯定是0V。
而在实际电路中，电阻应变片传感器四个桥臂电阻值不可能完全等于标称值，此时需要调节电位器
使得电桥两端输出电压为0。
（3）放大倍数测试
首先改变R1电阻值，使其等于
此时电桥两端会有电压输出，然后观察最后输出电压，并求得电压放大倍数。
仿真结果如图4-3所示。
图4-3放大倍数测试
由图4-3可知，源信号电压为3.566mV，最后输出电压为5.058V,故电压放大倍数为
满足放大倍数1000—2000倍要求。
第5章软件系统设计
5.1软件设计分析
软件的设计是建立在硬件电路的基础之上的，因此，首先需要把各个模块的驱动原理理解清楚，掌握各模块的控制时序。
然后需要明确各个模块与单片机的接口，这与程序的编写同样有很大的关系。
在第三章硬件系统设计中已经对各模块的原理和工作时序做了详细的说明，此处不再赘述。
本次课程设计的基本要求是采集放大器的输出电压并显示。
为了提升本称重系统的实用性，现对其功能进行扩展：
（1）采集放大器输出电压并显示。
（2）将采集到的电压线性拟合变换为称重物体的实际质量并显示。
（3）显示物品单价，且单价可通过矩阵键盘设置。
（4）根据物品质量和单价计算出物品总价并显示。
5.2软件整体框图
软件整体框图如图5-1所示。
图5-1软件整体框图
5.3软件各模块具体设计
5.3.1数据采集和处理
由于放大器输出电压存在波动，故对A/D转换结果多次采集并求平均值来减小误差。
此外还需根据采集到的电压计算出称重物体的质量，然后根据单价计算
出称重物体的总价。
具体思路见数据采集和处理流程图5-2。
图5-2数据采集和处理流程图
5.3.2矩阵键盘设置单价和校准
生活中所用的电子秤都是能够修改单价的。
因此本秤重系统采用矩阵键盘修改单价。
共用四个按键分别修改单价的四个位。
此外，由于放大器电压存在波动，该称重系统需要校准功能。
共使用三个按键完成校准功能：
按下第一个按键读取一次A/D转换结果并算出模拟电压，然后将此模拟电压保存在一个变量中；
按下第二个按键再读取一次A/D转换结果并算出模拟电压，然后将此模拟电压保存
在另外一个变量中，按下第三个按键，由之前获得的两个模拟电压可计算出电压灵敏度即拟合直线斜率k和b,由此便完成了校正。
具体思路见矩阵键盘设置单价和校准流程图5-3。
图5-3矩阵键盘设置单价和校准流程图
5.3.3LCD12864液晶显示
由于放大器输出电压存在波动，因此，实时采集和实时更新数据这两者不能同时成立，否则液晶屏幕上显示的数字会快速跳变。
为了解决这一问题，故合理使用单片机的内部资源，启用两个定时器。
一个定时采集A/D转换结果，一个定时更新数据。
这样液晶显示结果就不会立即跳变。
具体思路见LCD12864液晶显示流程图5-4。
图5-4LCD12864液晶显示流程图
第6章安装与调试
6.1硬件安装
6.1.1硬件安装
按照原理图布局元器件，为了运放芯片更稳定地工作，在每个运放的电源引脚处加上一组由10uF铝电解电容和0.1uF瓷片电容构成滤波电路来滤去电源的纹波干扰。
电容要尽可能的靠近运放正负电源引脚，以达到更好的滤波效果。
焊接完成后，对板子进行电路查错，确保电路板能够正常工作。
具体检测步骤如下：
（1）首先不装入芯片，用万用表对照电路图，检测各焊点之间是否存在虚焊的
现象。
检测全部完成，确保正确无误后，插上OP07运放芯片，用万用表检测各正负电源线以及地线是否连接好。
同时用万用表欧姆档测量电源和地之间的阻值，判断电源与地之间有无短路现象，防止芯片烧坏。
（2）将正负电源分别接到±
15V，将地线与电源的地相接。
打开电源，将运放
输入端短接后接地，确保输入为零。
用万用表测每个芯片的电源引脚的电压，正电源输入端引脚的对地电压应该是+15V，负电源输入端引脚的对地电压是-15V。
检测正确后用万用表测输出对地电压，调节电位器，如果随着电位器的调节，输出端的电压可以在正负之间变化证明电路没有问题。
6.2硬件调试
6.2.1信号调理电路调试
具体调试步骤如下：
（1）放大器调零：
将正负15V电源接到实验箱上的正负15V，以及地线都接好。
并将电桥的输出两端P5和P6短接到地线，将万用表的红黑表笔分别放到第二级输出端和地线端，调节电位器R15使电压表输出接近于0。
（2）电桥调零：
将正5V电源接上，短接线除去之后，接入电桥，将电压表红黑表笔分别接到P5，P6调节R5使电桥平衡，电压表输出为0。
（3）放大倍数调整：
调节R5，使输入调为2mv，再将万用表接到后级电路的输出，调节R6,观察电压表输出值，可以调到4V左右，这样差不多放大2000倍。
注意：
一旦放大倍数改变，就需要重新按照步骤1，步骤2重新调零。
6.3软件调试
6.3.1CSY9.0灵敏度及非线性误差调试
（1）按照要求将电源和地接好。
将P5，P6短接，调节后级放大电路的平衡；
（2）将短接线撤出，接入电桥，调节输入为2mv，调节电位器，使输出电压为3.5v左右，此时放大倍数为1750左右；
（3）接着在调节电桥平衡；
（4）调节完成后，打开CSY9.0软件（确保通信成功），对实验设置进行更改；
（5）最后，依次在托盘上加20g的砝码，点击开始，就可以读到输出电压值，大约加到200g即可。
（6）砝码加完之后，对所得到的实验曲线进行最小二乘法的拟合，就可以看到灵敏度以及非线性误差。
调节过程中，净量不要触碰导线，更不要移动电路板，否则需要重新调零，且非线性误差超过范围；
若灵敏度达不到，则需要增大放大倍数，并重新调零。
（7）
拟合曲线如下图6-1所示：
图6-1CSY9.0分析结果图
由图6-1可知，灵敏度为43.16mv/20g>
40mv/20g，非线性误差为2.64%。
灵敏度符合设计要求，非线性误差有点偏大，可能是测量过程中碰到了导线或者外界振动引起的放大器输出电压波动。
6.3.2KEILuVision4编程及调试
进入KEILuVision4，建立新工程，新建文件并保存，若是头文件则以.h结尾，若是主程序则以.c结尾。
首先分模块编写各个模块的头文件，如TLC549A/D转换模块头文件tlc549.h，矩阵键盘模块头文件key.h，液晶显示模块头文件lcd12864.h。
各模块头文件编写完成后编写主程序system.c，在system.c中可调用各模块头文件中的函数。
编写完成后编译，如果报错则需要修改程序直至没有语法错误。
6.4软硬件联调
电路的硬件与软件的调试完成后，下面就可以对两块电路板进行联调。
实物图如图6-2所示：
图6-2软硬件联调实物图
联调具体步骤：
（1）首先将仪表放大电路板正负电源以及地线接好，并接入电桥。
（2）分别对电桥和仪表放大电路进行调零。
（3）将A/D各端口连接到单片机端口，将单片机和信号调理电路及A/D采集电路共地，接好5v电源。
（4）每增加一个砝码观察放大器输出端增加电压是否超过40mV,若超过，则
灵敏度符合要求，否则要增大放大器放大倍数以提高灵敏度。
（5）根据液晶显示器的显示情况，结合程序，调试程序，直到完成5.1所提
出的各项功能。
6.5实物验收与问题
验收具体步骤：
（1）首先将两块电路板级联好，再分别对电桥和第二级放大电路调零，此时数码管会显示较小的初值。
液晶显示电压与
升级会员 