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1、第一章 引言 生产、贸易、运输和日常生活都离不开称量电子秤，由于其具有快速、准确、直观等优点而在许多领域逐步取代机械杠杆秤。电子配料秤作为计量配料的主要设备广泛用于化工、冶金、食品等工业生产流程中。自动配料系统采用分次配料式的称量控制方式，用以控制几种原料的投入量、累计重量以及控制从称量漏斗中定量放出原料等。由MCS-51系列单片机作为控制核心的电子配料秤，具有更强的功能和更高的称量精度。1.1 方案论证 本系统基于 51系列单片机来实现，因为系统需要大量的控制液晶显示和键盘。不宜采用大规模可编程逻辑器件：CPLD、FPGA来实现。（因为大规模可编程逻辑器件一般是使用状态机方式来实现，即所解决
2、的问题都是规则的有限状态转换问题。本系统状态较多，难度较大。）另外系统没有其它高标准的要求，我们最终选择了80C51通用的比较普通单片机来实现系统设计。内部带有8KB的程序存储器，在外面扩展了32K数据存储器，以满足系统要求。 由于设计中传感器的选择很重要直接影响这测量结果和精度，所以在传感器的选择上很注重，因为该设计中传感器测量对象是重力故以下对几种常见电阻式传感器加以介绍。电阻式传感器通过电阻参数的变化来达到非电量电测的目的。这是一种将被测信号的变化换成电阻值的变化，然后再经过相关测量电路处理后，在终端仪器、仪表上显示或记下被测量变化状态的测量装置。由于各种电阻材料在受到被测量作用时转换成
3、电阻参数变化的机理各不相同，因而在电阻式传感器中就形成了许多种类。再次仅以电位器式电阻传感器、应变式电传感器和压阻式电感器做比较。1.2 电阻式传感器介绍电阻式传感器具有典型代表的有电位器式传感器、应变式电阻传感器和压阻式传感器。现对该三种电阻进行介绍如下：（1）电位器式电阻式传感器：电阻电位式传感器是由于被测量的变化而导致了电位器阻值变化。其工作原理是基于均匀界面导体的电阻计算公式:电阻=导体电阻率导体的长度导体的截面积。通过被测量量改变电阻丝的长度，即移动电刷的位置，则可实现位移与点组间的线性变换。电位器式传感器由骨架、电阻丝和电刷（活动触电）等组成。电刷有回转轴、滑动触电元件以及其他被测
4、量相连接的机构来驱动。一般对电阻丝的要求是电阻率大、温度系数小，表面要有防腐措施、柔软、强度高。此外，要求能方便地锡焊或电焊以及在端部易镀铜镀银，熔点要高以免在高温下发生蠕变。对骨架材料要求形状稳定，表面绝缘电阻高，有较好的散热能力。电刷结构上往往反映出电位器的噪声电平。只有当电刷与电阻丝配合恰当、触电有较好的抗氧化能力、接触电压小、有一定的接触压力时，才能使噪声降低。否则，电刷可能成为引起整栋噪声的声源。采用高固有频率的电刷结构，效果较好。电位器式传感器具有结构简单、成本低、输出信号大、精度高、性能稳定等优点，在实际使用中电位器式电阻传感器的输出端是接负载的，所以很容易产生非线性的误差。而且
5、存在着电噪声大、寿命短等缺点。（2） 应变式电阻传感器：电阻应变片式传感器具有悠久的历史，也是目前应用比较广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，加上相应的测量电路就可以检测位移、加速度、力、力矩等参数变化，电阻应变片式电阻应变片式传感器的核心器件。这种传感器具有结构简单、使用方便、性能稳定可靠，易于自动化、多点同步测量、远距离测量和遥测等特点，并且测量的灵敏度、速度都很高，无论是静态测量还是动态测量都很适用。电阻应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。金属片又有丝式、箔式、薄膜式之分。金属电阻应变片是由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，其核心部分是敏感栅，敏感栅由高电阻
6、率的电阻丝排列成栅状，并粘贴在绝缘的基片上，上面粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。其中丝式应变片敏感栅制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴。薄膜式应变片灵敏度高，易于实现批量生产，特别是它可以直接制作在弹性敏感元件上，形成测量元件或传感器。金属电阻应变片受力后电阻变化主要是由于尺寸变化引起的，而半导体材料的应变片在受力后电阻变化主要是由于电阻率的变化引起的。所以相比金属式应变片半导体式的应变片其测量灵敏度高是主要优点。但相比金属应变片，其测量非线性误差大，电阻温度系数大，容易产生温度误差。电阻应变片式传感器在实际使用时，除了应力变化会导致应变片电阻值发生变化外，温度变化也会使应变片的电阻
7、值发生变化。产生的原因主要来自两个方面：一是因温度变化引起的应变片敏感栅的电阻变化及附加变形；二是因被测物体材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。消除此干扰的方法主要有自补偿法和桥路补偿法。（3）压阻式传感器：为了改进金属丝和箔式电阻应变片应变丝的灵敏系数小这一不足，在20世纪50年代末出现了体型半导体应变片和扩散性电阻应变片。它的突出优点是灵敏度高，尺寸小，横向效应也小，之后和蠕变都小，因此适应于动态测量。体型半导体应变片是单晶锭按一定晶轴方向切割成薄片，进行研磨加工，再切成细条经过光刻腐蚀工序，然后安装内引线，并粘贴于贴有接头的基底上，最后安装外线而成。基底的作用使应变片容易安装并增
8、大粘贴面积，使栅体与试件绝缘。半导体的杂质浓度增加，灵敏度系数就减小。压阻器件本身受到温度影响后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移，因此必须采用温度补偿措施。压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的传感器，具有灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等特点，是获得广泛应用而且发展非常迅速的一种传感器。1.3 相关图示与简介本次设计的电子配料称的结构框图如下图示：重物称重传感器调零电路供桥电压放大器A/DCPU显示键盘 被称重物通过拉、压等形式将重力传送给传感器（一次变换元件），称重传感器可将作用于其上的重量或力矩变为线性的电压输出。这微小的电压输出由低漂移的直流放大器放大至A
9、/D转换所需的电压幅度，再通过A/D转换将模拟电压变换成相应的数字量，由CPU进行运算处理，并于通过键盘人为设定的参数进行比较。参数可显示，CPU通过比较的结果对放料速度进行控制，自动调整使得实际放料量与设定量相同并自动停止混合构成一次配料过程。相对于普通的配料秤该设计主要添加了配料设定输入、记忆和输出等作用。本设计的自动配料系统示意图如下图所示：配料电子秤料仓加料阀门称重传感器秤斗放料阀门皮带输送机加料输出线放料输出线配料量设定显示 首先人为设定八种原料的的设定量，然后CPU通过打开开关进行放料，当达到与设定值接近时自行减慢放料速度，在与设定值仅仅相差一个提前量时关闭放料阀门停止加料。关闭阀
10、门后仍有少量残余在管道中的原料进入秤斗，这就是提前量的值。依此类推，直至8种原料加完，电子配料称就送出放料信号，打开放料阀门进行放料，混合原料从皮带输送机上送走。电子配料称检测到秤斗放空时就关闭放料阀门，完成一次配料过程。 此电子配料称具有如下一些指标：最多8种原料，配料量键盘设定且断电记忆，20种配料比，快加料慢加料自动变换，提前量自动修正。实际配料量的打印记录大屏幕显示（由于仿真及工作量有限故该处仅做讨论）第二章 输入调零电路2.1 输入调零电路调零电路用以抵消传感器的零点输出和秤体本身的自重引起的传感器输出信号。它是由高稳定的电阻、多圈线绕电位器和直流稳压源组成的电桥电路（如下图），称为
11、调零电桥。将调零电桥串接在传感器输出和放大器之间，通过调节调零电桥内的可变电位器，改变桥路不平衡输出电压使之与传感器空载输出电压大小相等，极性相反。这样就可以使电子秤在空载时总的输出电压为零。 2.2 输入调零电路的相关计算 在上图中： 调零范围的计算：=12V的滑动臂在极端位置时，其输出电压为,=12=调零电桥的输出为,=第三章 放大环节3.1 放大环节简介称重传感器输出电压摆幅约为0。而A/D转换的输入电压要求为0该放大环节要有100倍左右的增益。对放大环节的要求是增益可调（70150倍），零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。按照输入电压20mV，分辨率20000个码的情况，漂移要小于1这
12、里采用了自动稳零的斩波式运算放大器ICL7650.由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（），从而保证了放大环节对零点漂移的要求。残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。稳定的增益由决定增益量的负反馈回路的电阻稳定性保证，因此必须选用高稳定的电阻和多圈电位器。由7650组成一个同相放大器（如下图示）。是输入滤波，滤除一些高频干扰信号。 是负反馈网络，决定增益量。其中是一组电阻、60K、120K、240K、480K、960K组合)，由微波开关改变其阻值，变化范围为15.2K960K,作为增益的粗调。是增益的细调。3.2 主要计算下面计算增益粗调和细调的衔接和增益调节范围：放大倍数为：增益粗
13、调最小粗调量：=4.7K=960K时，=2增益细调最大细调量：=15.2K=4.7K时，=4.3粗细调之间可以衔接。最大增益：=15.2K,=0时，K=199最小增益：=，=4.7K时，K=62 增益可调范围62199，对应配接传感器输出幅度为32mV。作为交流负反馈，以抑制称重信号以外的其他干扰信号。是输出低通滤波，去除ICL7650的调制峰泄漏。3.3 ICL7650芯片介绍 ICL7650是Intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放，它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点。3.3.1 芯片结构ICL
14、7650采用14脚双列直插式和8脚金属壳两种封装形式，图1所示是最常用的14脚双列直插式封装的引脚排列图。各引脚的功能说明如下： 图1CEXTB：外接电容CEXTB； CEXTA：外接电容CEXTA； IN：反相输入端； IN：同相输入端； V：负电源端； CRETN：CEXTA和CEXTB的公共端； OUTCLAMP：箝位端；OUTPUT：输出端； V：正电源端； INTCLKOUT：时钟输出端； EXTCLKIN：时钟输入端； INT/时钟控制端，可通过该端选择使用内部时钟或外部时钟。当选择外部时钟时，该端接负电源端（V），并在时钟输入端（EXTCLKIN）引入外部时钟信号。当该端开路或接
15、V时，电路将使用内部时钟去控制其它电路的工作。 3.3.2 工作原理 ICL7650利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移，从而摆脱了传统斩波稳零电路的束缚，克服了传统斩波稳零放大器的这些缺点。 ICL7650的工作原理如图2所示。图中，MAIN是主放大器（CMOS运算放大器），NULL是调零放大器（CMOS高增益运算放大器）。电路通过电子开关的转换来进行两个阶段工作，第一是在内部时钟（OSC）的上半周期，电子开关A和B导通，和C断开，电路处于误差检测和寄存阶段；第二是在内部时钟的下半周期，电子开关和C导通，A和B断开，电路处于动态校零和放大阶段。 由于ICL7650中的NULL运算放大器的增益A0N一般设计在100dB左右，因此，即使主运放MAIN的失调电压VOSN达到100mV，整个电路的失调电压也仅为1V。由于以上两个阶段不断交替进行，电容CN和CM将各自所寄存的上一阶段结果送入运放MAIN、NULL的调零端，这使得图2所示电路几乎不存在失调和漂移，可见，ICL7650是一种高增益、高共模抑制比和具有双端输入功能的运算放大器。 第四章 A/D转换电路4.1 电路简
