压力测量系统的设计

课程设计报告

题目：压力测量系统的设计

院系：信息与电气工程学院

姓名：

学号：12894040

专业：电气工程及其自动化

指导老师：

目录

1设计内容及要求…………………………………………………………………………2智能电子天平的总体设计分析………………………………………………………………

2.1 智能电子天平的基本结构

2.2智能电子天平系统的工作原理

2.3 智能电子天平设计的基本思路

3硬件设计…………………………………………………………………..

3.1 总体规划

3.2 主控制器电路

3.3 电源变换电路

3.4 信号放大电路

3.5信号变换电路

3.6 显示电路

4软件设计…………………………………………………………………

4.1 系统应用程序组成

4.2 主程序流程图

4.3 AD采样程序块

4.4 液晶显示程序块

5心得体会………………………………………………………………………………

1设计内容及要求

设计一个智能电子天平，可以同时测量两个物体的重量并进行比较。该系统应具有数码管显示、键盘设定、数据存储等功能。

设计要求：①测量范围：0~5kg

②测量精度：正负0.1kg

③测量通道：2通道（被测物体重量1通道，参照物体重量1通道）

④供电电源：220V AC

2 、智能电子天平设计总体分析

2.1智能电子天平的基本结构

所谓智能电子天平，即可以同时测量两个物体的重量并进行比较的装置。它和电子称的原理类似，都是是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）。智能电子天平可以说是电子称的改进装置，把原有的电子称压力传感器测量端换成两个，相继的数据处理等后续装置做一定的改进即可。

2.2 系统的工作原理

电子天平称重系统的工作原理。首先是通过两个压力传感器分别采集到两个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分别经A/D转换电路转换成数字量通过两个通道被送入到主控电路的单片机中，单片机通过程序结合按键控制译码显示器，从而显示出某个被测物体的重量或是比较结果。在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，还需要在传感器与A/D芯片之间加上信号调整电路。

2.3 系统设计基本思路

按照设计的基本要求，系统可分为四大模块，电源转换模块、数据采集模块、控制器模块、显示器模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D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。

3、硬件电路设计

3.1 总体规划

按照本设计功能的要求，系统由5个部分组成：控制器部分、两个相同的测量部分、

数据显示部分、键盘部分和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图1所示。

图一：系统总体框图

其中，本设计采用SP20C-G501电阻应变式传感器，其最大量程为5Kg.称重传感器由组合式S型梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置。由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，所以该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点，广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秆的一次仪表。该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，其工作原理如图3所示。

图3 称重传感器原理图

本设计的测量电路采用最常见的桥式测量电路，用到的是电阻应变传感器半桥式测量电路。它的两只应变片和两只电阻贴在弹性梁上，测量电阻随重力变化导致弹性梁应变而产生的变化。其测量原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，

应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。由于内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出：

上式说明电桥的输出电压V和四个桥臂的应变片感受的应变量的代数和成正比。

3.2主控器电路

本设计中主控制器采用AT89C51单片机，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

其中主控电路图如下：

3.3 电源转换电路设计：

由于本设计中要求用220V电源供电，而设计中用到的芯片大多工作电压为5V,因此需要将220V交流电变换为5V直流电。具体实现电路如下：

220V交流电变换成5V直流电电路图

3.4 信号放大电路

由于称重传感器输出电压振幅范围0～20mV。而A/D转换的输入电压要求为0～2V，因此需要一定的放大环节，且增益为100倍左右。这里采用专用仪表放大器，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

3.5 信号转换电路