TI杯大学生电子设计竞赛G题精选文档Word格式文档下载.docx
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WT588D。
一、系统方案
本系统主要由单片机控制模块、屏幕显示模块、仪表放大模块、放大器模块、电源模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。
1、控制器选用单片机比较
方案一:
采用51系列单片机
传统的51单片机为8位机,价格便宜,控制简单,但是运算速度慢,片内资源少,存储容量小,难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。
并且受时钟限制,计时精度不高,外围电路也增加了系统的不可靠性。
方案二:
采用STM32F103系列单片机
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。
STM32集成外设有较为强大的功能,可扩展性强。
通过比较,我们选择方案二,采用STM32F103系列单片机为主控处理器。
2、显示方案选择
采用LCD1602作为显示屏
LCD1602是工业字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符。
是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
使用与学习方便,但是可扩展能力弱。
采用3.2寸彩色电阻式触摸屏
彩色显示,320*480分辨率,有较高的扩展性,可以用它实现键盘,显示等多种功能,功能强大,可自制UI进行使用。
综合以上两种方案,选择方案二,采用3.2寸彩色电阻式触摸屏作为显示方案。
3、仪表放大器的论证与选择
使用3片op07制作仪表放大器电路
Op07是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25μV)。
仪表放大器电路主要由两级差分放大器电路构成。
其中,运放前两片为同相差分输入方式,后一片为差分放大电路。
这样子做较为复杂,电路较难准确。
使用一片INA128芯片
INA128为精密低功耗仪表放大器,它们通用的3运放3-op?
amp设计和体积小巧使其应用范围广泛,且电路实现简单,由单个外部电阻即可实现从1至10000的任一增益选择。
综合以上两种方案,选择方案二。
3、控制系统的论证与选择
AD采样后直接对数据进行分析与显示,可以快速的看到数据的变化;
采样后对数据进行均值低通等数字滤波,虽然数据显示较慢,但是数据较为平稳,不会有较大跳变。
综合考虑采用方案二。
二、系统理论分析与计算
1、测量精度的分析
由于测量称重范围最大为500g,最小精度要求为0.5g,考虑到采用芯片内部的ad最高电压为3.3v,为防止放大器输出端电压过大,所以500g对应最大电压为3v。
所以0.5g对应电压变化为0.003v。
约3.3v电压的1/1024,即1/2^10,即所采用的AD测量至少要10位才可以满足本题的测量精度要求。
本次我们采用的STM32内部ADC为12位,基本满足题目要求。
2、电阻式金属应变片电路分析
图1:
电桥线路原理图
如果
则电桥平衡,通过调节Uo可以改变Ui的大小;
若R1、R2、R3、R4电阻变化,则电压变化
。
3、仪表放大器电路分析
图2:
INA128/129内部电路结构图
电压输出
3、反相比例放大器计算
图3:
反向比例放大器原理图
电压输出:
三、电路与程序设计
1、电路的设计
(1)系统总体框图
图4:
电路系统总框图
(2)全桥式应变片电路
图5:
全桥式应变片电路图
(3)仪表放大器电路
图6:
仪表放大器电路图
(4)反相比例放大器电路
图7:
反相比例放大器电路图
2、程序的设计
程序功能描述:
根据题目要求软件部分主要实现ad采样变换显示,键盘的设置和显示。
(1)键盘实现功能:
设置价格以及功能切换。
(2)显示部分:
显示实时电压值、斤数、单价、总价等。
程序流程图
图8:
主程序流程图
四、测试方案与测试结果
1、测试方案
(1)硬件测试
使用信号发生器与示波器,观察硬件电路部分是否能实现信号的放大。
(2)软件仿真测试
使用电源供给单片机AD采样,测试软件部分是否正常。
(3)硬件软件联调
软件硬件结合测试,根据测试结果调整软件硬件数据,实现精准测量。
2、测试条件与仪器
测试条件:
检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。
环境温度室温,无较大环境因素影响。
测试仪器:
学生电源,数字示波器,数字万用表,信号发生器。
3、测试结果及分析
(1)测试结果(数据)
实验重量/g
5
10
20
40
60
80
100
150
200
250
显示重量/g
5.04
10.10
20.12
40.14
60.16
80.18
100.20
150.25
200.45
250.55
300
350
400
450
500
550
600
300.60
350.75
400.80
450.90
500.94
550.96
600.98
(2)测试分析与结论
根据上述测试数据显示,数据结果基本呈线性,且在误差范围内基本满足本作品的误差要求。
综上所述,本设计达到设计要求。
五、结论与心得
通过本次大赛又重新了解了仪表类运放的相关知识,了解金属应变片的功能,并自行设计制作压力传感器,实现相关功能。
这次4天3夜的比赛让我们对团队合作有了深刻的理解,由于团队分工不明确确实耽误了不少时间。
不过经过后期调整,也算较为艰难的完成了任务。
这次比赛的前期准备确实耽误了不少事情,使得进度慢了许多,所以前期准备对于电子设计大赛这种,短时间内要完成的比赛来讲,还是很重要的。
希望日后有机会还可以参加。
六、参考文献
[1]尹福炎.金属箔式应变片制作工艺原理.国防工业出版社,2011
[2]吴建平.传感器原理及应用(第3版).机械工业出版社,2016
[3]松井邦彦.传感器应用技巧141例.科学出版社,2006
附录1:
电路原理图
附录2:
实验程序