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1、科研训练报告西安邮电大学科研训练报告书学院名称：电子工程学院学生姓名：朱强强专业名称：集成电路设计与集成系统班级：电路1002班实习时间第1章 绪 论1.1引言在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的 发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构 的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快 速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的 趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。通过分析近年来电子衡器产品的 发展情况及国内外市场的需

2、求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化； 其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信 息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。1.2选题背景和意义称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、 内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定 计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术 水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。称重装置不仅是提供 重量数据的单体仪表，而且作为工业控

3、制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生 产的自动化和管理的现代化， 它起到了缩短作业时间、 改善操作条件、 降低能源和材料的消耗、 提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到国 民经济各领域，取得了显著的经济效益。电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各 种场合。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便 等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网， 实现生产过程自动化，提高劳动生产率。例如标签秤在超市中的应用已经是耳闻目睹的了。一 张小小的标签包含着：品名、价格、重量

4、等，一一列表在这小小的电子标签上。标签机的使用 大大加快了销售速度，也方便了顾客。顶尖条码标签称有着许多卓越的特点，以太网功能使管 理更加方便。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。 50 年代中期电子技术 的渗入推动了衡器制造业的发展。 60 年代初期出现机电结合式电子衡器以来，随着时代科技的 迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲 击和革命性的影响。 经过 40 多年的不断改进与完善， 衡器技术也在不断进步和提高。 从世界水 平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结

5、合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。 我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。现今电子衡器制造技 术及应用得到了新发展：电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数 字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展。常规的测试仪器仪表和控制装置被更 先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发 生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自 动化程度得以显著提高。1.3 国内外电子称发展及成果随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，

6、对称重技 术提出了心动要求， 希望称重过程自动化， 为此电子技术渗入衡器制造业。 在 1954 年使用了带 新式打印机的倾斜式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与人工操作的按键 与办公机器联用。 在 1960 年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。 当时带电子装置的衡器 其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。电 子称的发展过程与其他事物一样，也经历了由简单到复杂、又粗糙到精密、由机械到机电结合 再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近 30 年以来，工艺流程中的现场称重、配 料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出信

7、号的电子衡器。这是由于电子衡 器不仅给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而 推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。近年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和 控制过程中。现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务 及商业销售领域中不可或缺的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子称的发 展奠定了基础，国外如美国、 西欧等一些国家在 20世纪 60年代就出现了 0.1%称量准确度的电 子称，并在 70 年代中期约对 75%的机械称进行了机电结合式改造。我国的衡器在 20世纪 40年代以前还全是机械式的， 40年代开始发

8、展了机电结合式的衡器。 50 年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。 80 年代以来，我国通过自行研究引进消化吸 收和技术改造。已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术与一体化的电 子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣条件下工作、便于与 计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点，已被广泛应用于工矿企业、能源 交通、商业贸易和科学技术等各个部门、随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理 器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。电子 衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子称到大型的电

9、子称重系统，从单纯的 称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元，其应用领域不断地扩大。根据近些年来 电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，电子称的发展动向为：小型化、 模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向综 合性、组合性。1.4 本论文的研究内容及结构安排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 V/F 转换电 路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被 测物体的重量。按照设计的

10、基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人 机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和 V/F 转换部分组成。转 换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间 的信息交换。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。在扩展 功能上，本设计增加了一个过载报警提示。本文的结构安排如下：第 1章绪论，简单介绍了本课题电子称的研究背景、 研究目的、 意义及国内外的研究状况。 第 2 章系统方案设计，本章主要内容是电子称的方案设计，首先是对整体的方案进行选择 与设计，再针对各个模块（传感器、放大模块、信号转换模

11、块、电源模块、人机交界模块）进 行具体的方案论证及设计。第 3 章系统硬件设计，在选定各个模块的方案中，对各方案的用到的主要芯片进行简单功 能介绍及应用，并且给出了本次电路设计的具体电路图。第 4 章系统软件设计，本章主要是介绍电子称的软件设计，给出了本次设计的主程序流程 图及一些模块的子程序图。最后，对本次的研究课题的主要工作及结果做出了总结与讨论，并且指出了本次研究工作 中存在的不足和发现的一些问题第2章系统方案设计2.1系统总体设计方案比较与论证在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种:方案一数码管显示：结构简图如下：图2.1数码管显示方案此方案利用数码管显示物体

12、重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。 由此设计出的电子秤系统，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。缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现电子称基本的 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，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。方案二 在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加

13、外界对单片机内部的数 据设定，使电子称实现称重计价的功能。结构简图如下图所示：图2.2带有键盘输入的结构简图此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能 显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那 么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。这样在处理输 入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。方案三 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。这种方案不仅加强了人机交换的能力， 而且满足设计要求，可以显示购物 清单

14、、所称量的物体信息等相关内容。结构简图如下图所示:图2.3 LCD显示的方案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被测物体的重量。单片机控制适合于 功能比较简单的控制系统，而且其具有成本低，功耗低，体积小算术运算功能强，技术成熟等优点。 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。 方案四 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SpartanU系列XC2S

15、100E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: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

16、和产品的可靠性。虽然以 FPGA 为核心的电子称系统很优化，但只有在大规模和超大规模集成电路中其高集 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， 所以在具体设计时， 采用了第三种设计方案2.2硬件的方案设计与论证2.2.1 传感器传感器的定义： 能感受规定的被测量， 并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分， 转换部分指传感器中能将敏

17、感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。现代科技的快 速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发 和获取、传输和处理， 而传感器处于自动检测与控制系统之首， 是感知获取与检测信息的窗口； 传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通 过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。传感器的作用是人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉 器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就 需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称

18、之为电五官。 传感器早已渗透到诸 如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保 护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的 工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。传感器的静态特性是指对静态的输入信号， 传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。 因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个 不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性 曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。传感器

19、动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动 态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易 用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关 系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 方案一压电传感器压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料 受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测 频率太

20、低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的 弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性, 这对外接电路要求很高。方案二电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏 度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、 力、位移以及振动学非电参量。电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极 板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为(2.1)式（2.1）中d 两极板间

21、的距离；A 两平行极板相互覆盖的有效面积;r 介质的相对介电常数;；。真空中介电常数。若被测量的变化使式中d、A、；三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化， 通过测量电路就可转换为电量输出4。虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素：（1） 小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几 十皮法。因C太小，故容抗Xc=1/C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率2P=Uo C，C很小，则P也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。（2） 初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 方案三电阻

22、应变式传感器电阻应变式传感器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现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信 号转换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厶 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

23、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， Ein接直流电源E：图2.5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桥，即只 有电压输出。当忽略电源的内阻时，由分压原理有：Uo UBD - UAB - UAD(2.2)R1R3 _ R2 R4(Ri R2HR3 =R4)当满足条件R1R3=R2R4时，即(2.3)Uo=0，即电桥平衡。式(2.3)称平衡条件。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。（R AR）2 （R . ：R）2 E若差动工作，即 R仁R

24、-AR,R2=R+AR,R3=R-AR，R4=R+AR,按式(2.2),则电桥输出为U0 _ （R ：R） （R_ ：R）H（R ：R） （R_ ：R）1 R（2.4）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 5o通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。题目要求称重范围 05Kg,满量程量误差不大于-0.005Kg，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免

25、超重损坏传感器，所 以传感器量程必须大于额定称重 5Kg。我们选择的是电阻应变片压力传感器，量程为 5Kg，精 度为0.01%，满足本系统的精度要求。2.2.2前级放大器部分经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦 难以直接用来显示、记录、控制或进行信号转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。这 一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常 伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求：1、 输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载

26、效应会使所测电压造成偏差。2、 抗共模电压干扰能力强。3、 在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证 要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、 极性自动变换等我们考虑了以下几种方案： 方案一利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。 由于信号转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。 方案二由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用

27、普通运放 （如OP07）做成一个差动放 大器，如下图所示：图2.6利用普通运放构成的放大器电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以 滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器 R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向 放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。缺点：此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量，每一级 运放都会引入较大噪声，对精度影响较大12。方案三采用专用仪表

28、放大器，如：AD620，INA126等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好， 且外部接口简单。以INA126为例，接口如下图所示:图2.7 INA126仪表放大结构图放大器增益，通过改变RG的大小来改变放大器的增益。INA126具有体积小、功耗低、 精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。 其最大输入偏置电流为20nA,这一参数反映了它的高输入阻抗。INA126在外接电阻RG时，可实现11000范围内的任意增益；工作电源范围为 i2.3 8V;最大电源电流为1.3mA;最大输入失调电压为125V;频带宽度为120kHz （在 G=100 时）。基于以上分

29、析，我决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器 INA126。2.2.3信号转换方案一采用A/D转换A/D转换原理：1、逐次逼近法逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。 基本原理是从高位到低位逐位试探比较， 好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄 存器最高位置1,送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为 V O,与送入比较器的待转换的模拟量V i进行比较，若V o

30、 V i，该位1被保留，否则被清除。然后再 置逐次逼近寄存器次高位为1,将寄存器中新的数字量送 D/A转换器，输出的 V o再与V i 比较，若V oV i，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结 束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过 程是在一个控制电路的控制下进行的。2、双积分法 采用双积分法的 A/D 转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法 A/D转换的过程是：先将幵关接通待转换的模拟量V i， V

31、i采样输入到积分器，积分器从零幵始进行固定时间T的正向积分，时间T到后，幵 关再接通与V i极性相反的基准电压VRE F，将VRE F输入到积分器，进行反向积分， 直到输出为0V时停止积分。V i越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计 数器在反向积分时间内所计的数值， 就是输入模拟电压V i所对应的数字量，实现了 A/D 转换。A/D 转换器选用的原则：1 、 A/D 转换器的位数。 A/D 转换器决定分辨率的高低。在系统中， A/D 转换器的分辨率 应比系统允许引用误差高一倍以上。2、 A/D 转换器的转换速率。不同类型的 A/D 转换器的转换速率大不相同。积分型的转换 速率低，转

32、换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速 A/D 转换器，一般用于压力、温度及流 量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速 A/D 转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道 过程控制和声频数字转换系统。3、 是否加采样 /保持器。4、 A/D 转换器的有关量程引脚。有的 A/D 转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的 模拟量可从不同引脚输入。5、 A/D 转换器的启动转换和转换结束。一般 A/D 转换器可由外部控制信号启动转换，这 一启动信号可由 CPU 提供。转换结束后 A/D 转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转 换结束标志电平。通知微处理器读取转换结果。6、 A/D 转换器的晶闸管现象。其现象是在正常使用时， A/D 转换器芯片电流骤增，时间 一长就会烧坏芯片。为防止这