课程设计---电子秤的设计.docx

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1、课程设计-电子秤的设计 课程设计 课程名称传感器与自动检测技术设计题目电子秤 专业电子科学与技术 班级 学号 学生姓名 实习成绩 指导教师 2022年5月1日 电子秤设计 目录 1、设计概述 2、总体设计 2.1电源电路 2.2金属箔式变片全桥电路 2.3放大电路 2.4模数转换电路 2.5控制电路 2.6显示电路 2.7VHDL描述 3、设计总结 附录 参考文献 1.概述 1)课程设计要求 基本要求：利用金属电阻应变片工作原理设计电子称，测量范围在0200g，有放大级，AD转换电路，显示电路，AD转换部分可以用单片机、CPLD、或基本数模电路。 提高：可以外加电源电路，对于用单片机、CPLD

2、等实现AD转换的还可以附加程序代码，可扩大测量范围等。 2)课程设计目的 理论联系实际，学习金属箔式应变片的简单应用，学会查芯片手册，巩固模拟电路、数字电路基础知识，了解设计过程，增强动手能力。 2.总体设计 1)电源 本次设计用的是220V交流市电，而本次设计用到的是020V之间的直流电压，需要设计一个直流电源。 2)核心原理部分 应变片直流电桥。根据金属式应变片的工作原理设计一个性能最优的电桥。根据理论课程的学习知道全桥性能最好。 3)放大电路 分为两级放大，第一级放大为差分放大电路，第二级放大为反比例放大电路，主要实现电压的放大作用。 4)AD转换电路 是放大电路输出信号（模拟量）转化成

3、数码管可以显示的数字量。 5)CPLD控制电路 控制ADC 的转换工作及数码管的输出 6) 显示电路及接口电路 实现数码管输出及相关功能 7) VHDL 描述 用VHDL 语言用状态机对AD 转换过程进行描述，对数码显示功能进行描述 2.1 电源电路 直流电源的组成：电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。 2.1.1 电源变压器 电源变压器需要把220V 市电变为5V 交流电，由公式： 21n n Uo Ui （2-1） 可以算出匝数比为44。 2.1.2 整流电路 此次设计采用单相桥式整流电路，电路中采用了四个二极管，接成电桥，故称为桥式整流电路。桥式输出电压为 Uo Uo t td U

4、o AV Uo 9.02 2)(sin 21 )(0 = =? （2-2） 脉动系数为 67.02 232 4=Uo Uo S （2-3） 1.1.1 滤波电路 采用电容滤波电路。 1.1.2 稳压电路 采用三端集成稳压器。理由：电路内部包括了串联型的直流稳压电路的各个部分，另外加上了保护电路和启动电路。用滑动变阻器使得输出电压可调。输出电压 11 11716181718 171618 17Uo R R R R R R R R R Uo Uo ? ?+=+- = （2-4） 可以算出1Uo 的变化范围为5.5到60V 。其中Uo 为W7805的输出电压如上图，有关资料见附录。 调节滑动变阻器使

5、1Uo 输出为15V V R R R R Uo R R R R R Uo 3.31224 232224 2120222120=+?+= （2-5） V Uo R R R R Uo 51321 202221 =+= （2-6） 这样就输出了多个直流电压。 2.2 金属箔式变片全桥电路 R1为保护电阻，R15为差分输入调零端，理论上当R15在中点时，由于接的两个正负电源两边压降相同，使得R1上没有电流流过。但实际上由于干扰等缘故，需要调节R15使R1上的电流为零。 电桥工作原理 当被测量无变化时，电桥输出为零，即电桥平衡,据此选择全桥上的四个电阻相等都为=350R 。当电桥电阻发生变化，即称重物使

6、应变片发生形变时，则相应的输出电压为： Ui R R Uo ?= （2-7） 其中，R ?为应变片发生形变时的电阻变化。Ui 为输入电压值，这里 V Ui 10=。要实现测量范围为500g 0,称重传感器的电灵敏度为满负荷 输出电压与激励电压的比值。使用 5mV/V 灵敏度和10V 激励电压的传感器时，其满度输出电压为50 mV 。通常，为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围，应当仅使用满度范围的三分之二。因此满度输出电压应当大约为30 mV 。当负载为500g 时要使传感器信号能 够实现1 g 的精度，总共需要500次计数，并显示在LCD 显示屏上。1 g 的重量转换为电压形式可等效为：

7、30 mV / 500g x1g = 0.06mV 。为了实现1 g 的测量精度，ADC 的LSB 电压应取0.06mV/0.4=0.15mV 。 即当放上1g 砝码时数码管显示为1g,ADC 转换的输入电压为0.02V 时转换得到00000001，当放上500g 砝码时数码显示为500g,ADC 的输入电压为 4.88V 时转换得到11110100。所以需要放大的倍数为 1633088.4=mV V 。 2.3 放大电路 差分放大电路 由于电路结构对称，他们的漂移和失调都有相互抵消的作用。由于对称性，先算出U3的输出电压，同理可以算的U2的输出电压，有下式： 2 323212133 R R

8、R R Ui Uo +=+= （2-8） 则 3)21(32 3 Ui R R Uo + = （2-9） 2)21(2)21(22 324 Ui R R Ui R R Uo +=+ = （2-10） 则差动放大倍数为 22 2113 =+ =R R Au （2-11） U4为差分输入比例放大电路，其放大倍数为 1025 8 -=- =R R Au （2-12） 所以总的放大倍数20)10(5-=-?=Au 经过放大之后Uo 的变化范围为600mV 3mV 。 反比例放大电路 10 14 R R Au - = （2-13） 当滑动变阻器滑到最左端时，Au=1，当滑动变阻器滑到最右端时Au=20。

9、 R9、R11、R13组成差分输入的调零端。 最终放大输出给AD 转换的电压为 2.9V 1.43mV 。 2.48位微处理器兼容模数转换器ADC0804 2.4.1封装 2.4.2ADC0804外围应用电路 转换控制由CPLD提供的时序控制，转换之后的数据通过ADC0 - ADC7送到CPLD的IO口上。由于ADC0804输出电平为5V TTL电平，MAXII系列提供IO设计是3.3V，但是它可以通过串接一个电阻来平衡电平。所以，不需要电压转换芯片，为系统设计节约了成本。 2.4.3ADC0804的时序图及其解释（译自Datasheet） The normal operation proce

10、eds as follows. On the high-to-low transition of the WR input, the internal SAR latches and the shift-register stages are reset, and the INTR output will be set high. As long as the CS input and WR input remain low, the A/D will remain in a reset state. Conversion will start from 1 to 8 clock period

11、s after at least one of these inputs makes a low-to-high transition. After the requisite number of clock pulses to complete the conversion, the INTR pin will make a high-to-low transition. This can be used to interrupt a processor, or otherwise signal the availability of a new conversion. A RD opera

12、tion (with CS low) will clear the INTR line high again. 一般的转换过程描述如下。在输入端WR（Write写）由高电平到低电平的变化后，内部的SAR锁存器和移位寄存器的状态被复位，同时输出端INTR（Interrupt中断）会被置为高电平。只要输入端CS（Chip Select片选）和WR保持低电平，ADC会保持一个复位的状态。当这两个输入端中的任何一个从低电平跳变到高电平时，转换会在1到8个时钟周期后开始。当经过数个周期，转换过程结束后，输出端INTR会发生从高电平到低电平的跳变，可用来给处理器产生一个中断，或用来标志可以开始新的转换过程

13、。RD（Read 读）低电平且CS也为低电平时，会将INTR重新置为高电平。 The device may be operated in the free-running mode by connecting INTR to the WR input with CS = 0. To ensure startup under all possible conditions, an external WR pulse is required during the first power-up cycle. A conversion-in-process can be interrupted by

14、issuing a second start command. 将输出端INTR与输入端WR连接在一起（同时CS为低电平），ADC会处在自运行模式。为确保能够在任何可能出现的情况下启动转换，在第一次上电的时候需要加一个外部的WR脉冲。正在转换的进程会被之后发出的启动转换命令打断。 The digital control inputs (CS, RD, and WR) meet standard TTL logic voltage levels. These signals are essentially equivalent to the standard A/D Start and Outp

15、ut Enable control signals, and are active low to allow an easy interface to microprocessor control busses. For non-microprocessor based applications, the CS input (pin 1) can be grounded and the standard A/D Start function obtained by an active low pulse at the WR input (pin 3). The Output Enable fu

16、nction is achieved by an active low pulse at the RD input (pin 2). 逻辑电平输入信号（CS，RD和WR）符合TTL逻辑电平标准。这些输入信号相当于ADC 开始转换和输出使能的控制信号，并且为了使得微处理器控制简便，这些输入端都采用低电平有效。在没有微处理器参与的应用中，输入端CS（1管脚）可以接地，并且当输入端WR（3管脚）为低电平时，AD转换启动。输入端RD（2管脚）的低电平信号可以激活输出端的使能功能。 2.4.4状态转换过程 根据Datasheet中上面节选的对于时序转换的描述，总结出的ADC0804的状态转换过程，以便使

17、用VHDL语言编写状态机来完成模数转换的过程。 ST0（启动）：CS=0，WR=0，RD=1，此时中断INTR：1 ST1（转换）：CS=1，WR=1，RD=1，此时中断INTR：10（0时结束转换并输出到锁存中） ST2（输出）：CS=0，WR=1，RD=0，此时中断INTR：1 ST3（结束）：CS=1，WR=1，RD=1，此时中断INTR：1 2.5Altera公司MAXII系列CPLDEPM570T100C5 2.5.1选用Altera公司目前市场性价比较高的MAXII系列CPLD Altera推出的MAX II器件系列是一款革命性的CPLD产品。它基于突破性的CPLD架构，提供业界所有CPLD系列中单个I/O管脚最低成本和最小功耗。这些器件采用新的查表(LUT)体系，采用TSMC的0.18m嵌入Flash工艺，使其裸片尺寸仅为同样工艺器件的1/4。 MAX II系列和上一代MAX产品相比，成本降低了一半，功耗只有其1/10，同时保持MAX系列原有的瞬态启动、单芯片、非易失性和易用性。新的系列器件容量翻了两番，性能是上一代MAX CPLD的两倍多，使消费类、通信、工业和计算机产品的设计者能够采用MAX II系列器件代替昂贵和不够灵活的小型ASIC和ASSP。 2.5.2MAX II系列器件的主要特征