静态汽车衡系统-硬件部分-本科毕业论文设计

PAGE本科毕业设计(论文)题目：静态汽车衡系统——硬件部分院（系）：电子信息工程学院专业：自动化2012年6月

西安工业大学毕业设计（论文）任务书院（系）电信学院专业自动化班080403姓名学号0804031311.毕业设计（论文）题目：静态汽车衡系统——硬件部分2.题目背景和意义：随着工业生产和商业贸易的不断发展，称重技术越来越受到人们的重视。最近几年来，由于汽车应用的灵活性工业界对汽车衡称重的需求有了很大的增长，成为对大宗散装货物进行快速自动称重计量的有效手段。本题目拟采用单片机、称重传感器、模拟数字电子等技术，实现典型的静态汽车衡系统的数据采集、处理及显示，构成一个典型的微处理器静态汽车衡称重系统。3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：自主设计一个典型单片机系统，含以下部分及功能：典型51内核的单片机系统（推荐采用Intel公司51系列、Atmel公司89系列、Silabs公司的C8051F系列）。四路差动输入前置放大电路。14-16位数据采集电路（必要时含采样保持）。12位LED显示或LCD显示。系统键盘电路。系统电源。常规可靠性设计。4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：毕业设计（论文）工作年月日起至年月日止毕业设计（论文）进行地点：未央校区教D楼217室作为毕业设计，应完成以下工作：熟练掌握专业电工、电子（模、数）技术。掌握静态汽车衡结构、工作原理等专业技术。熟练掌握MCS-51系列单片机工作原理及应用技术。（3月上旬前）系统硬件设计。借助PROTEL技术，绘出系统SCH、PCB图。（4月下旬前）搭出系统硬件电路，在完成系统通电调试的基础上，进行系统联机调试。（5月下旬前）写出毕业论文（电子版）。6月上旬前）5.毕业设计（论文）的工作量要求：论文（字数）：2-3万字外文翻译（字数）：5000字以上①实验（时数）*或实习（天数）：20天②图纸（幅面和张数）*：SCH、PCB图（A4图幅4份以上）③其他要求：参考文献（篇数）：15篇以上（含3篇以上外文）指导教师签名：年月日学生签名：年月日系（教研室）主任审批：年月日说明：1本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。毕I-22带*项可根据学科特点选填。毕I-2摘要PAGEII静态汽车衡系统——硬件部分摘要随着国家经济的发展，公路线上交通量的不断增加也是国内路面荷载特征的变化趋势之一，尤其是超载现象十分突出。超载不但对道路造成很大磨损，而且对交通带来巨大压力。显然，随着国家经济的发展，公路线上交通量的不断增加，因此称重成为交通服务很重要的一个环节。所以为了有效治理超限超载，对车辆的重量进行计量就显得十分迫切和必要。另外交通检查、计重收费和不停车收费系统的发展与应用，这些都需要对行驶的车辆进行准确的称重计量。本设计的题目是静态汽车衡系统信号处理、显示及键盘的硬件部分。系统主要是通过高精度的运算放大器把采集的称重传感器的微弱电压信号放大，经过A/D转换后把数字信号送入AT89S52单片机，经过单片机处理后把相应的结果送LCD数码管，从而显示出汽车的重量信息。关键词：单片机；称重传感器；数据采集Statictrucksystem—hardwarepartAbstractAlongwiththedevelopmentofnationaleconomy,theincreasinghighwayonlinetrafficloadcharacteristicsofdomesticpavementisoneofthechangetrend,especiallyoverloadphenomenonisveryoutstanding.Notonlyforroadcreatesgreatoverloadedwearandtear,buttohugetrafficpressures.Obviously,alongwiththenationaleconomicdevelopment,roadtrafficflowincreaseonline,thusweighingbecomeastransportationserviceisveryimportantlinks.Itisveryurgentandnecessarytoweightthevehicles，inordertobringtheoverloadingonvehiclesundercontroleffectively.Inaddition,thedevelopmentandapplicationofthesystemwhichincludechecktraffic,heavyfeesandnotstopfees,needstoaccuratemeasurementoftheweightofallvehicleswhichtravelontheroad.Thisdesignisthesubjectofmicroprocessor-basedstaticcarvaluesystemsignalprocessing,displayandkeyboardhardware.Theworkofthesystemdescribesasbelow.theweakvoltagesignalwhichgetfromtheweighingsensorisampliformedwithhigh-precisionoperationalamplifiers,andthedigitalsignalisconversedbytheA/Dconverter,andthenputitintoAT89C52Microcontroller,thentheresultsofcalculatedsignalwhichMUCdeliverstothecorrespondingDigitaloftheLCDwhichshowstheweightofvehicle.KeyWords:single-chipcomputer;weighingsensor;dataacquisition主要符号表PAGEIII主要符号表Hz赫兹C电容R电阻U电压I电流T周期目录PAGEVI目录毕业设计（论文）“中文摘要” I毕业设计（论文）“英文摘要” II主要符号表 III1绪论 11.1汽车称重的意义 11.1.1诱发了大量道路交通安全事故 11.1.2严重损坏了路桥基础设施 11.1.3导致了道路运输市场的恶性竞争 21.1.4造成汽车“大吨小标”泛滥 21.1.5车辆尾气严重超标污染环境 21.1.6对车辆本身造成巨大的损失 21.2汽车静态称重系统的国外研究现状 21.3本课题研究的主要内容 31.4本章小结 32静态汽车衡系统的分析与设计 42.1静态汽车衡系统的构成和原理 42.2静态称重过程的测量精度影响因素分析 42.3静态汽车衡系统的设计思想 52.4提高精度的设计方法与干扰因素的抑制思路 52.4.1提高精度和抑制干扰因素的措施 52.5本章小结 63静态汽车衡系统硬件电路设计 73.1称重传感器的选择与性能分析 73.1.2电阻应变式称重传感器的性能分析 83.2信号调理电路设计 93.2.1信号放大电路 93.2.2信号组合电路 113.3电源电路的设计 133.4单片机典型系统电路的设计 153.4.1AT89C51简介 153.4.2单片机的复位电路 183.4.3时钟电路 183.4.4JATG软件 193.4.5单片机在系统中的应用 203.5．A/D转换接口电路设计 203.5.1AD转换器的分类及选择 203.5.2AD976简介 223.5.3AD976的管脚说明 233.5.4工作过程及转换结果 243.5.5与AT89C51单片机硬件接口设计 253.6键盘部分设计 263.6.1键盘电路概念 263.6.2按键功能介绍 273.6.3键盘电路设计中要解决的问题 273.7显示电路设计 283.7.1液晶显示简介 283.7.21602简介 293.7.31602管脚功能 293.7.31602LCD的特性 303.7.4LCD1602的接线图 303.8通信电路 303.8.1MAX232芯片介绍 303.8.2管脚功能 313.8.3主要特点 313.8.4RS232与RS485的区别 323.8.5接线图 323.9系统抗干扰设计 333.9.1系统干扰原因 333.9.2单片机应用系统的硬件抗干扰设计 333.10本章小结 344结论 354.1全文总结 354.2设计过程的重点难点 35参考文献 36致谢 37毕业设计（论文）知识产权声明 38毕业设计（论文）独创性声明 39附录 401绪论PAGE431绪论公路运输是货物运输的主要手段，因为公路运输可实现门到门的运输。在我国，公路运输占五大货物运输（公路、水路、铁路、航空和管道）总量的3/4。近几年来，伴随着交通运输业的迅猛发展，汽车超限超载运输现象越来越严重。超载超限运输严重破坏公路路面及其桥梁设施，引发道路交通事故，危及人民群众的生命财产安全，治理公路上的超限超载运输行为迫在眉睫。为了有效治理公路及汽车超载，对车辆的重量进行计量就显得十分迫切和必要，世界上有75%的货物需要经过称重这一环节。1.1汽车称重的意义多年来，国际上许多国家，公路车辆在运输货物时，普遍存在着超限超载现象，而且超限超载车辆占相当高的比例。据调查，德国超限超载车辆达50%，美国40%-60%的大型载货汽车超限超载。近年来，我国道路运输车辆超限超载现象也极为普遍，在严重地区，几乎所有的货运车辆都存在不同程度的超限超载行为。货运部门通过改装车身、后桥和轮胎来大幅度提高货车的装载能力，使运输效率和经济效益得到很大的提高，但是超限超载却带来了一系列的重大危害。1.1.1诱发了大量道路交通安全事故据统计，70%的道路安全事故是由于汽车超限超载引发的，多于50%的重特大道路交通事故与超限超载有直接关系，汽车超限超载运输给人民生命财产造成了巨大损失，间接经济损失更是难以估量。1.1.2严重损坏了路桥基础设施超限超载汽车的荷载远远超过了公路和桥梁的设计承受荷载，致使路面损坏、桥梁断裂，大大缩短公路的正常使用年限，使其不得不提前进行大修。交通部的实验表明，一辆超载100%的车辆，通过沥青路面一次所造成的破坏程度，相当于核定载荷的标准车辆走265次;通过水泥路面一次造成的破坏程度，相当于核定载荷的标准车辆走6.55万次。据有关专家介绍，载重10吨的货车超载一倍，对公路的破坏力相当于正常载重时的16倍;超载2倍，对公路的破坏力增加80倍。而且核定载重量越大的车辆，超载对公路的破坏越严重。一条设计使用15年的公路，如果行驶车辆超载1倍，其使用年限将缩短90%，即只能使用一年半。另一项科学检测表明，当车重增大至路面设计称重的两倍时，其对路面的损坏将增大到原来的20倍左右。由于过量超载运输的碾压，2003年4月才建成通车的京珠高速公路乳源段在短短的8个月后即出现了路面车辙，京珠高速公路的大修被迫提早8年进行。每年全国公路因汽车超限超载而造成的损失超过300亿元，给国家造成了巨大财产损失西安工业大学毕业设计（论文）1.1.3导致了道路运输市场的恶性竞争货车车主竞相压价承揽货源，以超限超载来获取利润，超的越多，赚的越多，形成了“压价--超限超载--运力过剩--再超限超载”的恶性循环。1.1.4造成汽车“大吨小标”泛滥为迎合车辆超限超载运输的需求，一些汽车生产厂商竞相生产“大吨小标”车，一些汽车改装厂和修理厂也纷纷非法改装车辆，影响了汽车工业的健康发展。1.1.5车辆尾气严重超标污染环境由于超限超载车辆燃油系统负荷过大，尤其是燃油净化系统不能正常运转，燃烧不完全，尾气严重超标，致使车辆行驶过程中浓烟滚滚，有的甚至只见黑烟不见车，对公路两旁环境造成了严重污染。1.1.6对车辆本身造成巨大的损失超限超载运输对车辆的损坏十分厉害，据一位从事超限超载运输的车主介绍，由于超负荷运行，汽车每两个月要换10个轮胎，一个轮胎1700元左右，如果不超限超载、不出意外，轮胎每一年才一换一次。鉴于超限超载运输车辆所造成的巨大危害，有关部门和地方也先后开展了一系列治理超限超载工作，取得了一定成效。但是由于超限超载现象涉及面广，治理难度大，加之利益驱动，使超限超载现象成为一个“顽症”，有“愈演愈烈”之势，所以有效治理超限超载迫在眉睫。1.2汽车静态称重系统的国外研究现状纵观世界车辆称重技术的发展历程，车辆称重技术的发展与完善和科技与铁路运输业的发展紧密相连。就称重装置的结构而言，车辆称重系统可分机械式和机电式两大类.机械式的称重系统是通过杠杆传动装置把被测质量和已知质量相比较实现称重的.机电式的称重系统是利用传感器把被测质量产生的作用力转变成电信号。再经过转换、放大、输入到计算机进行采集处理，由打印机直接将被测质量的重量打印出来。第一台带有加载与卸载设备的机械称重装置是1940年由德国率先研制定型的。车辆只能停在台面上实现静态称重，误差一般为千分之二到千分之三。_这一阶段由40年代初期一直延续到60年代的中期。此间，大多数欧洲国家和美国车辆称重技术的发展和德国相似。我国，从八十年代开始引进和消化吸收国外的称重系统，同时也开始了对称重系统的研究。但是，引进的称重系统大都是国外的己经被替换下来的产品，存在着各种问题，比如传感器庞大等。国内研究较早的是重庆公路科学研究所，可以应用于公路自动化交通调查、轴载检测、限重执法等领域。山西计量测试研究所和太原工学院也联合开发出轴计量式汽车衡。特别是最近几年来，国内工业界对汽车衡称重的需求有了很大的增长，许多生产厂家和公司都相继推出了自己的汽车衡产品。电子汽车衡按传感器输出信号分类可分为模拟式汽车衡和数字式汽车衡；按称量方式分为静态汽车衡和动态汽车衡；按安装方式可分为地上衡和地中衡；按秤台结构分为钢结构台面和混凝土台面；按使用环境状况可分为防爆电子汽车衡和非防爆电子汽车衡；按汽车衡的自动化程度可分为非自动汽车衡和自动汽车衡。近来年，随着企业管理水平的不断提高，无人值守的自动电子汽车衡正成为未来汽车衡的发展方向。1.3本课题研究的主要内容本文主要研究的内容如下:(l)按照设计要求，对汽车静态称重系统进行整体的分析与设计。将系统按实现的功能划分为不同的模块。(2)根据各模块实现的功能，选择相应的器件，掌握各器件实现的功能，为实现系统硬件设计做准备。(3)设计硬件电路及PCB板。硬件电路主要完成数据采集、处理、显示及键盘输入的功能。利用protel软件绘制硬件电路原理图及PCB图。1.4本章小结本章主要阐述了汽车静态称重系统研究的目的和意义，目前静态称重系统的国内外研究现状和发展趋势，最后说明课题研究所做的主要工作。2静态汽车衡系统的分析与设计2静态汽车衡系统的分析与设计2.1静态汽车衡系统的构成和原理静态汽车衡系统一般由称重平台、信号调理电路、数据采集电路、处理器以及LCD显示、键盘电路等组成。本系统采用称重传感器采集信号，当汽车停在称重台上后，分布在称重台四角的四个称重传感器在重力的作用下，弹性体在弹性范围内发生与荷重力成正比的变化，从而使弹性体上的应变片阻值也发生正比的变化，配合检测电桥，得到与重力成正比的检测信号，传感器的输出是一个毫伏级的模拟信号,在进行模数转换之前,需要经过运算放大器进行放大。为了得到精确的放大倍数及最低限度的零点漂移,放大器采用了高精度、超低漂移的四路差动输入前置放大电路，然后使四路信号进入由运放构成的硬件加法器，将四路信号进行加法运算输出一路信号，进行硬件滤波（若需要的话）。采集上来的模拟信号在进入单片机前,需要转换成数字信号，故采用16位A/D将模拟信号转换成数字信号后送入单片机系统。单片机处理后送LCD数码管显示相应的重量信息，从而实现汽车的静态称重。系统键盘输入系统的控制信息和命令，以便对系统进行控制和处理等一些特殊操作（如工作模式和运行参数等）。系统框图如图2.1所示：称重称重传感器/4前置放大电路/4硬件加法器A/D转换单片机LCD显示电源键盘图2.1系统框图2.2静态称重过程的测量精度影响因素分析西安工业大学毕业设计（论文）称重系统的静态精度主要包括:(l)温度漂移的问题。系统由于工作在不同的温度下，所以温漂是我们必须要考虑的首要问题。引起漂移的原因很多，如:应变片的电阻温度系数不同，电阻应变片胶基厚度和固化程度不一致,弹性元件的线膨胀系数不均匀，连接导线长度不同及焊点质量影响等。可以把这些不一致看成是由四个桥臂的电阻温度系数不一致引起的。需要采用合适的硬件电路来克服零点漂移。(2)A/D分辨率的问题分辨率是指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与最小刻度的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。本设计根据精度的需要选择合适的A/D。(3)传感器本身的非线性问题。传感器系统本身的线性都不是太好，要想提高精度必须对其测得的数据进行处理。对于传感器的非线性误差，我们采用数字非线性校正方法消除。2.3静态汽车衡系统的设计思想由于各种干扰信号的存在，使得称重信号会淹没在各种噪声中。引起很大误差，如何减少或消除噪声，减弱各种干扰的影响，提高静态测量精度是系统设计的主导思想。要建立车辆静态称重系统，就需要一个合理的硬件结构作为系统的基础。系统硬件的选择和设计按以下原则进行:(1)精确性原则本次设计的目的是测量汽车重量，所以结果的精确性成为首要的原则。若检测结果与真实值偏差过大，就达不到称重的最初目的，失去了称重的意义。(2)经济性原则任何一项研究能否实现产品化，经济条件都是重要的影响因素。所以在保证各方面性能的前提下，应尽量降低设备成本。(3)可靠性原则保证在规定的条件下，系统能正常的运行，完成各项预定的功能。2.4提高精度的设计方法与干扰因素的抑制思路要实现本系统的测量准确度，应做到：（1）提高称重系统的静态精度。（2）有效的去除各种干扰信号。（3）建立正确的数学模型，寻找合适的算法对重量数据进行处理。2.4.1提高精度和抑制干扰因素的措施（1）差动运放输入端接传感器，传感器的等效电阻是变化的，即对于差动放大器来说，信号源内阻是变化的，若差动放大器的输入电阻比信号源内阻大的越多，误差越小，因此差动电路输入电阻应足够大。(2)差动电路的输入信号即含有差模信号，也含有共模信号成分，而且后者往往大于前者，甚至大的多。因此差放电路的共模抑制比必须足够大，才能把误差减小到最小。(3)采用较高位数的A/D转换器。本设计采用的是高速A/D转换芯片AD976，AD976是一个+5V单电源供电的高速、低功耗16位的A/D转换器，转换速度为2000kSPS。2.5本章小结本章首先介绍了静态称重系统的整个结构、原理;其次根据设计要求详细分析了在静态称重过程中影响测量精度的各种因素;最后得出了静态称重系统的设计思路及抑制干扰的方法。3静态汽车衡系统硬件电路设计3静态汽车衡系统硬件电路设计对于静态汽车衡系统来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的基础。硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设计。对于本系统硬件系统的设计包括传感器的选择及其信号调理电路的设计、电源电路的设计、单片机典型系统设计、A/D转换接口电路的设计、显示电路设计及键盘设计等。3.1称重传感器的选择与性能分析称重传感器位于称体之中，是整个硬件系统的起始部分，是构成系统信息输入的主要窗口，为系统提供赖以处理和决策控制所必需的原始信息。它将车重信号转换成电信号，其性能好坏直接影响整个系统的计量精度和稳定性。测量重量的传感器有很多种，按工作原理分有弹性力平衡式压力传感器、感应式传感器、应变式传感器、压电式传感器、霍尔式压力传感器、电容式、光纤式、数字式传感器等。选择传感器要考虑以下几点:(l)数量的选择根据电子称重系统的用途、秤体需要支撑点数而定，一般讲秤体有几个支撑点就选择几个传感器，使用时根据实际情况来确定。(2)量程的选择根据被测压力的大小确定传感器的量程。根据经验，一般应使传感器工作在其30%-70%量程内，但对于一些在使用过程中存在较大冲击力的称重系统，在选择传感器时，一般要扩大其量程，使传感器工作在其量程的20%-30%之内以增大传感器称重储备量，保证传感器的使用安全和寿命。(3)准确度的选择称重传感器准确度等级的选择，以满足称重系统的准确度要求为准，切不可片面追求高的准确度等级。若在同一称重系统内使用了n只并联使用的结构相同、型式相同、额定负荷相同的称重传感器，则由误差传递公式可得，其综合误差r为:r=&/而式中:&表示单个称重传感器的综合误差;n表示称重传感器的个数，因此，由上式可以看出，n个称重传感器并联后，其总的综合误差r是单个称重传感器综合误差的1/倍。即总的综合误差反而小了。这是由于单个称重传感器的误差可看作是服从统计规律的，它有大、有小、有正、有负在并联后，其误差相互抵消一部分，所以总的综合误差反而小了。(4)使用环境及介质性能的考虑根据环境条件和被测介质的性能综合选择。(5)传感器型号西安工业大学毕业设计（论文）传感器型号的选择要考虑各种类型传感器的适用范围。这主要取决于称量的类型和安装空间，保证安装合适，称量安全可靠。总之，既要从各方面提高要求，又要考虑经济效益，确保达到高性价比。从上述几点综合考虑，我们选用称重传感器NS—TH2:NS—TH2的参数如图3.1所示：表3.1传感器技术参数技术参数单位技术指标额定载荷t0.2、0.3、0.5、1、5、20…200额定输出mV/V>1.5非线性%F.S≤±0.03滞后%F.S≤±0.03重复性%F.S≤±0.03零点输出%F.S<±1零点温度系数%F.S/℃≤0.003绝缘电阻MΩ≥2000供桥电压VDC10工作温度℃-20～＋70允许过载%F.S150备注可设计成12V或24V供电，0~5V或4~20mA信号输出3.1.2电阻应变式称重传感器的性能分析称重传感器的敏感元件为四只接成桥形的电阻.在压力(或拉力)作用下，一对桥臂上电阻值与压力成正比地加大，另一对桥臂上的电阻值与压力成反比地减小.实际应用时，同一重力同时加在四只传感器上，若每个传感器所受的力分别为f1,f2,f3,f4则被测重量为:f=f1+f2+f3+f4，一般情况下四只传感器受力是不均匀的。电阻应变式称重传感器的特点如下:精度高，测量范围广;使用寿命长，性能稳定可靠;可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、潮湿等恶劣环境正常工作;结构简单，体积小，重量轻;价格便宜，品种多样，便于选择和大量使用;频率响应较好，可用于静态测量。电阻应变式称重传感器的基本工作原理是:当被测重力作用在其上时，粘附在弹性体上的惠斯登电桥就产生不平衡输出，该输出信号正比于被测重力，从而可以方便地被显示仪表接收并运算，显示出被测重物的质量。惠斯登电桥的功能是把电阻应变计的电阻变化量转换为电压信号。一般将粘贴在弹性体上的电阻应变计连接成差动式惠斯登电桥。根据需要选用4个传感器，所有传感器输出采用并联形式，其原理与用一个基本相同。惠斯通电桥原理如图3.1所示：图3.1惠斯登电桥（3.1）电桥平衡：（3.2）（两个应变片）（3.3）3.2信号调理电路设计3.2.1信号放大电路（1）OP747芯片参数美国模拟器件公司(AnalogDevicesInc简称ADI)以前把OP07和OP77作为精密运算放大器的标准器件,现在又推出新一代标准器件OP777/OP727/OP747。它们分别是单、双和四运放。这一系列精密运算放大器具有真正单电源、微功耗和满电源输出的特点。由于它们还具有极低的失调电压、低漂移和低噪声的特点。所以它们是当今不断发展的低电压工业应用的极好选择。本设计信号放大部分采用美国模拟器件公司生产的OP747，OP747与OP07/OP77和其他公司的同类产品例如LTl006,LT1077/8/9,OPAl77和OPA277相比具有如下特点和优势:宽电源工作范围:2.7-30V真正单电源工作,输出共模电压可低于负电源电压满电源输出:无倒相低电源电流:每运放300uA,小于OP07的1/10低失调电压:最大100uV低输入偏置电流:10Na低电压噪声(低转折频率<10Hz):典型值0.4uV单位增益稳定,容性负载1000pF宽温度范围:-40-+85输入过电压保护能力:两输入端串入500保护电阻小外形封装（2）OP747基本原理OP747运算放大器采用精密双极型PNP输入级并配有高电压CMOS输出级,从而使这种放大器的输入电压范围包括负电源电压(通常指单电源应用中的地),并且输出摆幅差1mV不到电源电压。另外,输入电压范围扩展到差别1V不到正电源电压。这种外延PNP输入级提供的高击穿电压、高增益和输入偏置电流技术指标都可与带达林顿输入级的放大器相比,但是没有带达林顿输入级放大器存在的那些缺点(使输入电压范围、失调电压、漂移和噪声严重变劣)。这种PNP输入结构还极大地降低了噪声并且减小了直流输入误差。（3）OP747放大功能的实现OP747为四路差动运算放大器，下面就其中一个为例来说明工作过程。OP747的工作原理如图3.2所示：图3.2OP747的工作原理差分式减法电路如图3.2.1所示，可以实现两个输入电压Vs1,Vs2相减，在理想情况下，电路存在虚断和虚短，所以有V1=0，i1=0，由此得下列方程式：及由于Vn=vp,可以求出若取，则上式简化为即输出电压vO与两输入电压之差（vS2–vS1）成比例，其实质是用差分式放大电路实现减法功能。本设计中=1K,=1K,故运放的放大倍数为1倍。本设计中，选用的传感器的额定载荷最大为200t，输出电压为0-5v，所以单个传感器输出电压范围为0-1.25V。四路传感器的输出信号为0-5V，AD的输入电压要求为0-5V，所以考虑把单个传感器的输出信号放大1倍，故我们采用如图3.3的电路对传感器信号进行放大。信号放大电路的原理图如图3.3所示：图3.3信号放大电路3.2.2信号组合电路由于称重台四角各安装一个称重传感器，为了减小误差，将各传感器信号放大后采用模拟加法运算电路将其相加，这样便得到了完整的汽车重量信号。本设计采用TL071芯片，这是一款比较常用的芯片。输入运算放大器tl07x系列与tl08x系列相似，具有低输入偏置，转化速率很快。低谐波失真和低噪声使理想TL07X系列适用于高保真音频放大器。原理图如图3.4。图3.4反相比例运算放大电路反相输入放大电路如图1所示，信号电压通过电阻R1加至运放的反相输入端，输出电压vo通过反馈电阻Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压并联负反馈放大电路。R¢为平衡电阻应满足R¢=R1//Rf。利用虚短和虚断的概念进行分析，vI=0，vN=0，iI=0，则

即

∴信号组合电路的原理图如图3.5所示：图3.5信号组合电路在本设计中，当传感器的压敏电阻受到压力阻值变大时，OP747中的4个运放的正端电压均变小，负端电压均变大。所以Vs2-Vs1为负值，绝对值增大。而后4个运放得到的电压相叠加，通过TL071，构成负反馈。3.3电源电路的设计对于电源的设计有一些总的规则，但是在实际应用中，还需要根据实际要求灵活的选择电源方案。本设计用到的电源5V、士12V主要为集成芯片提供电源，故采用三端稳压器MC7805,MC7912,MC7812.0.概述目前单片机电源电路设计多采用三端稳压器，7800/7900系列三端稳压器简单易用、价格低廉，直到今天还在大多电路中采用，下面就介绍一下三端稳压器的一些特点。1、输出正负极性分类第一类7800系列，输出正电压;第二类7900系列，输出负电压。2、输出电压、电流的表示国产三端固定式集成稳压器输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等七种。最大输出电流大小用字母表示，字母与最大输出电流对应。集成稳压器字母与最大输出电流对应关系如表2所示：表2集成稳压器字母与最大输出电流对应表字母LNM无字母THP最大输出电流（A）1.53510三端固定式集成稳压器外形及管脚排列如图3.6所示：图3.6三端固定式集成稳压器外形及管脚排列3．7800/7900系列集成稳压器内部电路7800/7900集成稳压器内部电路如图3.7所示：图3.77800/7900集成稳压器内部电路4．电源工作原理电网电压波动范围为180V—240V，而7800/7900系列的输入电压为16V—35V，所以当电网电压正常是220V时，对应的电压为19.5V。正负19.5V的电压进入7812和7912。三端稳压器7812和7912输入和输出间有7.5V的电压差，使其工作在放大状态，三端稳压器稳压后输出12V的稳定电压为芯片供电。MC7812的输出进入MC7805，这样我们就可以得到+5V电压。原理图如图3.8。图3.8电源电路图中7805两端跨接的1欧的电阻，起到了分流的作用，可以保护7805。7812两端得到12V的电压，进入7805，所以该电阻上的电流为（12-5）/3.5=2A，其功率为2*3.5=14W。此外，该电源电路中还涉及模拟地与数字地隔离的问题。数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处（如插头等）。本设计中还有电源指示的设计。指示灯的设计如图3.9所示：图3.9电源指示灯发光二极管压降为1.7V,电流通常为10mA,所以，R55的电阻值应为（5-1.7）/0.01=330。5．78xx/79xx系列在降压电路中应注意以下事项：（1）输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏。（2）输出电流不能太大，1.5A是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿。（3）输入输出压差也不能太小,太小效率很差。3.4单片机典型系统电路的设计3.4.1AT89C51简介AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。\o"返回页首"主要特性：1、与MCS-51单片机产品兼容；2、8K字节在系统可编程Flash存储器；3、1000次擦写周期；4、全静态操作：0Hz-33MHz；5、三级加密程序存储器；6、32个可编程I/O口线；7、三个16位定时器/计数器；8、六个中断源；9、全双工UART串行通道；10、低功耗空闲和掉电模式；11、掉电后中断可唤醒；12、看门狗定时器；13、双数据指针；14、掉电标识符。单片机的管脚说明如图3.10所示：图3.10单片机的管脚说明\o"返回页首"管脚说明：P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在图3.10.AT89S52芯片管脚图这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能：P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能：P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4TO(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.4.2单片机的复位电路在设计单片机应用系统时，必须了解单片机的复位状态和复位电路的设计。因为单片机只有可靠地复位后才能进入可靠的工作状态，所以系统的复位电路必须能准确、可靠地工作。另外，单片机的复位状态与应用系统的复位状态又是密切相关的，因此必须熟悉单片机的复位状态。(l)单片机的复位状态为了保证CPU可靠的复位，本设计的复位电路采用外部电路实现。在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲(2个机器周期)以上的高电平。单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统无误地复位，在设计复位电路时。通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。当RST从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。(2)复位电路单片机通常都采用上电自动复位和开关复位二种方式。复位电路的核心就是如前所述的必须保证RST引脚上出现2个机器周期以上稳定的高电平，这样就能可靠地复位。通常在实际复位电路中都保证出现10ms以上的高电平。因此，无论简单还是复杂的复位电路，都是为了保证这个10ms以上的稳定的高电平。复位电路原理图如图3.11所示：图3.11复位电路3.4.3时钟电路89S52的时钟可以由两种方式产生，一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路；另外一种为外部方式。本论文根据实际需要和简便，采用内部振荡方式。89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。89S52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟,必须外接元件所以实际构成的振荡时钟电路。外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路接在放大器的反馈回路中。对接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。晶体频率可在1.2MHz～12MHz之间任选，电容C1和C2的典型值在20pF～100pF之间选择，考虑到本系统对于外接晶体的频率稳定性要求不高，所以采取比较廉价的12MHz陶瓷谐振器。3.4.4JTAG软件H-JTAG是一款简单易用的调试代理软件，功能和流行的MULTI-ICE类似。H-JTAG包括两个工具软件：H-JTAGSERVER和H-FLASHER。其中，H-JTAGSERVER实现调试代理的功能，而H-FLASHER则实现了FLASH烧写的功能。H-JTAG的基本结构如下图所示。H-JTAG支持所有基于ARM7和ARM9的芯片的调试，并且支持大多数主流的ARM调试软件，如ADS、RVDS、IAR和KEIL。通过灵活的接口配置，H-JTAG可以支持WIGGLER，SDT-JTAG和用户自定义的各种JTAG调试小板。同时，附带H-FLASHER烧写软件还支持常用片内片外FLASH的烧写。使用H-JTAG，用户能够方便的搭建一个简单易用的ARM调试开发平台。H-JTAG的功能和特定总结如下：1.支持RDI1.5.0以及1.5.1；2.支持所有ARM7以及ARM9芯片；3.支持THUMB以及ARM指令；4.支持LITTLE-ENDIAN以及BIG-ENDIAN；5.支持SEMIHOSTING；6.支持WIGGLER,SDT-JTAG和用户自定义JTAG调试板；7.支持WINDOWS9.X/NT/2000/XP；8．支持常用FLASH芯片的编程烧写；9.支持LPC2000和AT91SAM片内FLASH的自动下载；JTAG芯片管脚图如图3.12所示：图3.12JTAG芯片管脚3.4.5单片机在系统中的应用在整个系统中，单片机的控制功能为：P0口用于给液晶显示1602输出数据及AD976的数据端。P1.3,P1.4，P1.5，P1.6用于接收键盘输入给单片机的信号。当按键按下时，此IO口为低电平，弹起时为高电平。P1.0用于1602的E使能信号。1时读取信息，当下降沿是读取指令。P1.1用于1602的读写信号。P1.2用于1602的RS信号。0时输入指令，1时输入数据。P2.0用于AD976的信号。P2.1用于AD976的信号。P2.2用于AD976的R/信号。P2.3用于AD976的BYTE信号。P3.0，P3.1，P3.2，P3.3用于引脚的第二功能。即通信和中断。单片机在系统中的具体应用如图3.13所示：图3.13单片机在系统中的应用3.5．A/D转换接口电路设计3.5.1AD转换器的分类及选择AD转换器可分为积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。1)积分型(如TLC7135)积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率),然后由定时器/计数器获得数字值.其优点是用简单电路就能获得高分辨率,但缺点是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低.初期的单片AD转换器大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步成为主流。

2)逐次比较型(如TLC0831)

逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成,从MSB开始,顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较,经n次比较而输出数字值.其电路规模属于中等.其优点是速度较高、功耗低,在低分辩率(<12位)时价格便宜,但高精度(>12位)时价格很高。

3)并行比较型/串并行比较型(如TLC5510)

并行比较型AD采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称FLash(快速)型.由于转换速率极高,n位的转换需要2n-1个比较器,因此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。

串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间,最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成,用两次比较实行转换,所以称为Halfflash(半快速)型.还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级(Multistep/Subrangling)型AD,而从转换时序角度又可称为流水线(Pipelined)型AD,现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能.这类AD速度比逐次比较型高,电路规模比并行型小。4)Σ-Δ(Sigma/FONT>delta)调制型(如AD7705)Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成.原理上近似于积分型,将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号,用数字滤波器处理后得到数字值.电路的数字部分基本上容易单片化,因此容易做到高分辨率.主要用于音频和测量。5)电容阵列逐次比较型电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式,也可称为电荷再分配型.一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致,在单芯片上生成高精度的电阻并不容易.如果用电容阵列取代电阻阵列,可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器.最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。

6)压频变换型(如AD650)压频变换型(Voltage-FrequencyConverter)是通过间接转换方式实现模数转换的.其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量.从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加,只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度.其优点是分辩率高、功耗低、价格低,但是需要外部计数电路共同完成AD转换。2.AD转换器的主要技术指标1)分辩率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,定义为满刻度与2n的比值.分辩率又称精度,通常以数字信号的位数来表示。

2)转换速率(ConversionRate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数.积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD,逐次比较型AD是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD可达到纳秒级.采样时间则是另外一个概念,是指两次转换的间隔.为了保证转换的正确完成,采样速率(SampleRate)必须小于或等于转换速率.因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的.常用单位是ksps和Msps,表示每秒采样千/百万次(kilo/MillionSamplesperSecond)。3)量化误差(QuantizingError)由于AD的有限分辩率而引起的误差,即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD(理想AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差.通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量,表示为1LSB、1/2LSB。4)偏移误差(OffsetError)输入信号为零时输出信号不为零的值,可外接电位器调至最小。5)满刻度误差(FullScaleError)满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。6)线性度(Linearity)实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移,不包括以上三种误差。其他指标还有:绝对精度(AbsoluteAccuracy),相对精度(RelativeAccuracy),微分非线性,单调性和无错码,总谐波失真(TotalHarmonicDistotortion缩写THD)和积分非线性。模拟信号经过放大滤波后要进行A/D转换变成数字量，计算机才能处理。AD的主要性能指标就是分辨率和转换时间。这两条取决于测试设备的精度要求和信号变化速率。综上所述，由于逐次比较型A/D速度较高、功耗低。而且系统称重范围为0-50t,分辨率为1Kg，所以采用了分辨率为16位的A/D转化器AD976。3.5.2AD976简介 AD976是美国模拟器件公司(AnalogDevicesCompany)生产的16位A/D转换器。AD976是一个+5V单电源供电的高速、低功耗16位逐次逼近式A/D转换器,转换速度为2000kSPS,功耗为100mW。AD976A的集成性好,内部包含2.5v参考电压源、高速并行接口和时钟。出厂前,芯片的所有线性误差都得到了补偿,并且,诸如SNR(信噪比)和THD(总谐波失真)等的交流参数及失调、增益和线性度都得到全面测试。AD976原理图如图3.14所示：图3.14AD976原理图3.5.3AD976的管脚说明AD976管脚排布如图3.15所示：图3.15AD976管脚排布图管脚说明如下：(1)VIN(1脚):模拟输入。该引脚和模拟信号源之间连接一个200Ω的电阻,满量程输入范围为±10V。(2)AGND1(2脚):模拟地。作为REF引脚的参考地。(3)REF(3脚):基准输入/输出。该引脚为内部+2.5V基准的输出或从该引脚输入一个外部基准。两种情况下,均应在该引脚和REF引脚之间接入一个2.2μF的钽电容。(4)CAP(4脚):基准缓冲器输出。该引脚和AGND2引脚之间接入一个2.2μF的钽电容。(5)AGND2(5脚):模拟地。(6)D15(MSB)(6脚):数据位15。(7)D14-D8(7脚-13脚):数据位14-18。(8)DGND(14脚):数字地。(9)D7-D1(15脚-21脚):数据位7-1。(10)D0(LSB)(22脚):数据位0。(11)BYTE(23脚):字节选择。BYTE为低时,数据按上面所述方式输出;6脚(D15)为MSB,22脚(D0)为LSB。BYTE为高时,高低8位数据交换输出;D15-D8在15脚-22脚输出,D7-D0在6脚-13脚输出。(12)R/C(24脚):读/转换输入。当CS为低时,R/C的下降沿使芯片内部的采样/保持进入保持状态并开始一次转换;R/C的上升沿允许输出数据位。(13)CS(25脚):片选输入。内部与R/C相或。R/C为低时,CS下降沿初始化一次转换。R/C为高时,CS下降沿允许输出数据位。CS为高时,输出数据位呈高阻状态。(14)BUSY(26脚):忙输出。一次转换开始时,BUSY变低并维持到该次转换结束,数据锁入输出锁存器。CS为低、R/C为高时,BUSY变高,输出数据有效。(15)VANA(27脚):模拟电源,一般为+5V。(16)VDIG(28脚):数字电源,一般为+5V。3.5.4工作过程及转换结果AD976要开始一次转换,首先需要将信号置低,之后R/信号的下降沿使得内部采样保持单元进入保持状态并开始次转换;信号在开始一次转换时变为低；且在转换结束前保持为低。信号变高时说明转换已经结束，的上升沿可以用来锁存输出数据。此时,将R/置高,即可把转换结果输出到数据总线上,数据有效可用。BYTE为低时高八位从D15-D8输出,低八位从D7-D0输出,BYTE为高时相反高八位从D7-D0输出,低八位从D15-D8输出。AD转换时序如图3.16所示:图3.16AD转换时序图为了节省I/O口资源，将16位转换结果分两次读入,BYTE信号的存在使得AD976可以很方便地与51等8位微处理器接口使用。AD976的转换结果以二进制补码形式输出,与计算机内数据处理、存储格式相同,因而对采样结果的后续处理非常方便。数据输出时序如图3.17所示：图3.17数据输出时序图3.5.5与AT89C51单片机硬件接口设计本设计中AD976与AT89S52接口如下图所示：P0口接收来自AD976输出的数字信号，进入单片机后，经过单片机处理，经LCD1604处理显示汽车重量信息，且P0口也作为LCD1604的数据传输接口。P2.0接AD976的,一次转换开始时,P2.0变低并维持到该次转换结束,数据锁入输出锁存器。AD976的片选为低、R/为高,P2.0变高,输出数据有效,从而实现对AD976转换过程的控制。当P2.3接AD976的BYTE