模擬電子系統(tǒng)專題B

1、2012全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽TI杯模擬電子系統(tǒng)設(shè)計專題邀請賽報告簡易電子稱西安交通大學(xué)喬思祎魯潤道薛瓊簡易電子稱設(shè)計報告摘要：本系統(tǒng)以MSP430F5529單片機為控制核心，運用稱重傳感器、運 算放大器等器件，設(shè)計并實現(xiàn)了一個簡易電子秤，具有“稱重” “計價”“去 皮” “休眠”“喚醒”等功能。具體來說，采用電阻應(yīng)變片稱重傳感器將舷碼 重量變化轉(zhuǎn)換為電壓信號的變化，并用精密儀表放大器放大信號，再經(jīng)過進(jìn)一 步的放大與低通濾波以及A/D轉(zhuǎn)化，最終將信號送往單片機處理，得到物體重 量，同時，該系統(tǒng)還實現(xiàn)了通過觸摸按鍵對電子稱設(shè)置單價并計價與“去皮” 功能。關(guān)鍵字：MSP430F5529 稱重傳感器

2、 儀表放大器 簡易電子秤1. 系統(tǒng)方案該電子簡易稱重系統(tǒng)通過電阻傳感器采集山稱重引起的壓力變化，并轉(zhuǎn)化 為電壓信號的變化，并用放大器放大該信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換送往單片機進(jìn)行 處理，并對單片機輔以按鍵控制，以及液晶屏顯示結(jié)果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。 液品顯示信號采集=A/D轉(zhuǎn)換單片機按鍵控制圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖二.實現(xiàn)方案（一）傳感器模塊傳感器模塊實驗中已給定，為電阻應(yīng)變片稱重傳感器，電阻式傳感器是這 樣一些器件，它的阻值隨環(huán)境溫度而變化，如本系統(tǒng)中的受壓變形。將其接入 某一電路的某一部分，就有可能產(chǎn)生一個電信號，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)，這一電信號 便可用于監(jiān)測傳感器系統(tǒng)的物理過程，例如本例中將應(yīng)變片電阻

3、接入電橋中， 并對信號進(jìn)行適當(dāng)處理便可用以測量傳感器所承受的舷碼的重量進(jìn)而實現(xiàn)“計 價”等功能。（二）信號放大模塊方案一：采用一級集成儀表放大器實現(xiàn)。因為儀表放大器具有高對稱性、 高共模抑制比等優(yōu)點，因此常用于工業(yè)測量現(xiàn)場，因此適用于該電子稱系統(tǒng)。同 時TI公司提供的集成儀表放大器具有最高可至10000倍的增益，足以滿足系統(tǒng) 對放大倍數(shù)的要求。但根據(jù)實際測試，當(dāng)放大倍數(shù)很大時電路很不穩(wěn)定，系統(tǒng) 對于外界干擾十分墩感，因而不予采用。方案二：考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性，放大電路應(yīng)采用多級電路來實 現(xiàn)且第一級放大電路增益不宜過高。同時考慮到噪聲等干擾因素的存在放大電 路末級應(yīng)加入截止頻率接近直流信

4、號f二10Hz的低通濾波電路。綜上考慮，實驗 中采用此方案。（三）A/D轉(zhuǎn)換模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用低功耗、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1114。該模塊原理圖如圖22. 電路設(shè)計與原理圖（一）傳感器模塊本系統(tǒng)按此用橋式電阻應(yīng)變片稱重傳感器，即將應(yīng)變片粘固在彈性體上， 制作成惠斯登電橋的應(yīng)變電阻，當(dāng)彈性體受力變形時，應(yīng)變片電阻值也變化， 電橋輸出相應(yīng)的電信號。本系統(tǒng)的電橋式電阻應(yīng)變片稱重傳感器原理圖圖如圖 3所示。圖3電橋傳感器電路力（二）信號放大模塊信號放大模塊山三級組成：第一級III精密儀表放大器INA118對傳感器 傳來的電壓信號進(jìn)行適當(dāng)放大，放大倍數(shù)為50KH= 1 += 251第二級山微功耗精密

5、雙運放0PA734進(jìn)一步將信號放大至一定大小以便單片 機處理，放大倍數(shù)為G? = = 2.672 R6兩級放大的總增益為；G = GG = 670笫三級低通濾波濾除非直流分量，截止頻率為：15 = r9c其中 C=C1 + C2 4- C3經(jīng)過仿真與實際測試，選用電路原理圖如圖4所示。（三）模數(shù)轉(zhuǎn)換與程序流程圖模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用低功耗、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1114,并由單片機對 數(shù)字信號進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理部分程序流程圖如圖4所示圖4數(shù)據(jù)處理流程框圖（四）電源部分考慮到本系統(tǒng)為精確測量裝置，因而對系統(tǒng)電源穩(wěn)定性有較高要求。 系統(tǒng)中采用LM7905. LM7805對模擬電路系統(tǒng)的電源進(jìn)行穩(wěn)壓，同時

6、采用 穩(wěn)壓器LP2950-33對單片機的供電電源進(jìn)行穩(wěn)圧?？捎行p小電源電壓的 紋波變化引起得不穩(wěn)定現(xiàn)象。穩(wěn)壓電源電路原理圖分別如圖5,圖6所 示。圖5模擬電路穩(wěn)壓電源原理圖Unregulated DC圖6單片機穩(wěn)壓電源原理圖3. 系統(tǒng)校準(zhǔn)方法方案一：對于電阻應(yīng)變片，當(dāng)其阻值變化AR= 0時傳感器電橋應(yīng)平衡 在兩個抽頭之間得出零電壓差，但是，實際上由于器件及電路本身的誤 差，這個電橋可能不平衡，因而如圖7所示可用一個微調(diào)去平衡它以補償 電路的固有適配。另一方面，改變圖7中電阻R3可改變電橋電壓從而改變 傳感器電壓波動大小，進(jìn)而進(jìn)行靈敬度的校準(zhǔn)。但是本系統(tǒng)所給的橋式稱 重傳感器已封裝成形，因而無

7、法選用此法進(jìn)行固有失配的補償，同時，經(jīng)測試可知稱重傳感器輸出電壓值已經(jīng)很小，因而無法再串聯(lián)電阻進(jìn)行靈敬 度校準(zhǔn)。綜上所述，棄用此方案。圖7 方案一電橋校準(zhǔn)電路方案二：由于電橋傳感器存在固有失配，因而當(dāng)稱重為零時，橋式應(yīng) 變片電阻傳感器依然可能輸出電壓差，即固有電壓差。經(jīng)實際測量這一電 壓差經(jīng)放大電路放大后可達(dá)1V左右，為校準(zhǔn)該固有電壓差可在末級加一級 減法器，如圖8所示。通過調(diào)節(jié)電位器P1可實現(xiàn)對系統(tǒng)的校準(zhǔn)。另一方 面，對于橋式電阻應(yīng)變片稱重傳感器的非線性問題，系統(tǒng)中通過單片機建 立了分段補償因子機制，很好地解決了系統(tǒng)的非線性問題。VCCR111kix-.R10 1k圖8校準(zhǔn)電路4稱重測試數(shù)據(jù)

8、測試一：1）實驗方法：從0g200g每次增加十克舷碼，觀察穩(wěn)定后顯示屏顯示ADC 采集到的實際數(shù)據(jù)，共取21組觀測點。2)實驗結(jié)果：根據(jù)實驗所得的21組數(shù)據(jù)，借助mat lab對實驗測得數(shù)據(jù)與 實際稱重繪制如圖9所示曲線。由曲線易知，在題口要求范圍內(nèi)，該電 子稱測量結(jié)果與實際稱重有呈較好的線性關(guān)系。圖9稱重與AD采樣曲線測試二：1) 測試方法：直接測量簡易電子稱上的舷碼重量，山顯示屏讀取并記錄數(shù)據(jù)。2) 測試結(jié)果：磁碼實際質(zhì)量(g)20010050100測量質(zhì)量(g)200.01599.60949.21210.3330.000表1狂碼質(zhì)蚩:測量結(jié)果山結(jié)果易知該系統(tǒng)具有很高的測量精度，滿足題U中

9、要求的精確度優(yōu) 于1%的要求。測試三：1)測試方法：測量喚醒以及休眠模式下正負(fù)電源下的整機功耗以及單片機 及其開發(fā)板的功耗。2)測試結(jié)果:測試項目喚醒模式休眠模式電流(mA)功耗儷)電流(mA)功耗儷)+5V電源44.5222.538.8194-5V電源1.471. 17開發(fā)板20.06614. 748.51單片機5. 417. 820.20. 66橋式傳感器83- 3mW83. 3mW表2功耗測量結(jié)月1山測試結(jié)果易知，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式時，單片機及其開發(fā)板的功耗 很小。5.設(shè)計總結(jié)本設(shè)計以TI公司MSP430F5529為核心控制單元，采用電阻應(yīng)變片稱重 傳感器釆集璉碼重量變化，并采用工業(yè)測量中常用的儀表放大器放大電信 號，經(jīng)進(jìn)一步放大以及低通濾波后，用減法器對傳感器系統(tǒng)的固有壓差進(jìn) 行校正，最終經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送往單片機進(jìn)行處理?？紤]到稱重傳感器系統(tǒng)的 非線性，系統(tǒng)通過單片機對測量結(jié)果進(jìn)行分段比例因子補償，測試結(jié)果顯 示系統(tǒng)已很好地實現(xiàn)了線性測量以及優(yōu)于1%的稱重精度。另一方面，本設(shè) 計成功實現(xiàn)了 “休眠”及“喚醒”功能，以及按鍵設(shè)置單價與計價功能