一、綜合課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)方案

1．“智能電子秤”設(shè)計(jì)目標(biāo)

“智能電子秤”的設(shè)計(jì)這個(gè)項(xiàng)目雖然功能簡單，但涉及了從傳感器電路、信號(hào)處理電路到顯示電路的整個(gè)測量系統(tǒng)組建的相關(guān)知識(shí)。通過該項(xiàng)目使學(xué)生掌握智能儀器設(shè)計(jì)的總體思路和方法，將所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用，理論和實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。“智能電子秤”的設(shè)計(jì)目標(biāo)：量程0～6.0kg，準(zhǔn)確度1%，分辨力5g，輸出方式為4位LED顯示，并具有量程變換和超重報(bào)警功能。

2.總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，學(xué)生在查閱大量相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，采用模塊化的總體設(shè)計(jì)方案。把“智能電子秤”的總目標(biāo)分解為5個(gè)內(nèi)容相對(duì)單一的小目標(biāo)，包括了軟硬件兩大部分：查閱相關(guān)資料，確定智能電子秤總體方案；搭建活塞壓力計(jì)YS–6、壓阻式傳感器及供電電路組成的傳感器電路；使用protel對(duì)單片機(jī)C8051f020構(gòu)成的信號(hào)處理及數(shù)碼管顯示電路進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)；使用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并使用keilc51仿真；對(duì)電子秤進(jìn)行系統(tǒng)性能測試。智能電子秤組成框圖。測量系統(tǒng)的組建這部分內(nèi)容是已經(jīng)學(xué)習(xí)過的“電氣測量技術(shù)“課程的核心內(nèi)容，學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)，結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)，就可以很好地完成這部分設(shè)計(jì)。通過實(shí)踐驗(yàn)證了相關(guān)的理論知識(shí)，可以激發(fā)學(xué)生進(jìn)行探索的積極性。

3“.智能電子秤”硬件電路的設(shè)計(jì)

智能電子秤由壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、具有AD轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)和顯示等4個(gè)部分組成。（1）壓力傳感器電路：選擇的是實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的由活塞式壓力計(jì)YS–6、壓阻式傳感器及供電電路組成，其中壓力計(jì)和傳感器是集成到一起的，可直接使用。（2）調(diào)理電路：包括差動(dòng)全橋、放大電路和濾波電路三部分組成。與壓阻式壓力傳感器相配的調(diào)理電路采用恒流源供電的差動(dòng)全橋，其中供電電流為14mA。單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓是2.403V，而壓阻式傳感器的輸出信號(hào)為–5~55mV，這就需要對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理。根據(jù)計(jì)算可得放大器的放大倍數(shù)為25左右比較合適。傳感器的輸出阻抗很高，要求放大電路須有更高的輸入阻抗，不從傳感器輸出端吸收電流，以免破壞傳感器的工作狀態(tài)。學(xué)生選擇的AD620儀用放大器特點(diǎn)為：差動(dòng)輸入，單端輸出，電壓增益連續(xù)可調(diào)，并有效地解決了后級(jí)負(fù)載對(duì)地連接的問題。另外在AD620的輸入與地、輸出與地之間都接了10F的濾波電容，增強(qiáng)抗干擾能力。（3）AD轉(zhuǎn)換電路：電子秤設(shè)計(jì)要求的分辨力為5g，量程為0～6.0kg，即可算出需要12位的AD轉(zhuǎn)換，所以選擇單片機(jī)C8051f020的12位AD來完成。（4）顯示電路：將單片機(jī)分析處理的數(shù)據(jù)顯示出來，利用集成的四位共陽極數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管的位選是單片機(jī)的P0.0–P0.3端口，段選是單片機(jī)的P0.0–P0.7端口，采用的是動(dòng)態(tài)顯示。

4“.智能電子秤”軟件部分設(shè)計(jì)

智能電子稱是采用KeilC51單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行程序編寫，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)采集、12位AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及四位數(shù)碼管顯示等功能。同時(shí)也在程序中加進(jìn)了兩個(gè)智能化功能：超重顯示和量程變換。

二、電子秤的靜態(tài)性能評(píng)價(jià)

這一部分內(nèi)容對(duì)測控專業(yè)的學(xué)生來說是很重要的，它有助于學(xué)生判定所設(shè)計(jì)的儀器能否達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。通過分析可得，用于靜態(tài)稱重的電子秤主要誤差來源有：壓力傳感器、傳感器輸出信號(hào)的處理系統(tǒng)（包括前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和機(jī)械承重系統(tǒng)等）。其中機(jī)械承重系統(tǒng)的誤差、電源波動(dòng)引入的誤差以及稱重傳感器與測量線路引線帶來的等不易定量計(jì)算誤差可通過合理的設(shè)計(jì)、安裝來削弱，并在誤差分配時(shí)給予一定的冗余量來保證。

該電子秤的系統(tǒng)的量程為6.0kg，在滿量程范圍內(nèi)標(biāo)定點(diǎn)數(shù)l＝7，正反行程循環(huán)次數(shù)n＝4，標(biāo)準(zhǔn)砝碼提供的標(biāo)值，總計(jì)標(biāo)定值的個(gè)數(shù)N＝56，如表1所示。xj表示標(biāo)準(zhǔn)重量，mj表示顯示的重量，單位均為kg。最后通過計(jì)算可得該電子秤的各靜態(tài)性能指標(biāo)：擬合直線方程：采用最小二乘法得擬合直線方程，，可得測量系統(tǒng)零點(diǎn)為；獨(dú)立線性度：＝0.15%；滯后：＝0.30％；重復(fù)性：取置信因子K＝3，置信度為99.73％時(shí)的重復(fù)性＝0.27%；準(zhǔn)確度：在傳感器或含有傳感器的測量系統(tǒng)中，通常用精度A來表征準(zhǔn)確度，它由線性度、遲滯、與重復(fù)性之和得出，即A＝＋＋＝0.15％＋0.30％＋0.27％＝0.72％；最大引用誤差＝0.33％。由此可確定，智能電子秤滿足設(shè)計(jì)要求，其準(zhǔn)確度是0.72％，可評(píng)定為Ⅳ級(jí)。通過對(duì)“智能電子秤”的設(shè)計(jì)和制作，學(xué)生把學(xué)到的課本知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)所遇到的困難能夠積極解決，比如在發(fā)現(xiàn)測量誤差比較大時(shí)，找原因，了解誤差的來源。這一切都表明學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)，而不是等著老師來解決問題。學(xué)生一旦能自己找到問題并解決，就會(huì)提升自信心，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性。“智能電子秤”雖然是一套由傳感器和單片機(jī)構(gòu)成的簡單智能儀器，但也充分體現(xiàn)了智能儀器的普遍設(shè)計(jì)思路和方法，為以后復(fù)雜智能儀器的開發(fā)打下了基礎(chǔ)。

三、結(jié)論

測控技術(shù)與儀器專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)已開出了5屆，實(shí)踐表明該課程的開設(shè)是較為成功的，有效培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和工程意識(shí)，提升了學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同度和學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生根據(jù)自己的興趣和能力選擇課程設(shè)計(jì)的題目，更能激發(fā)自主學(xué)習(xí)的積極性，有助于學(xué)生有效地掌握所學(xué)知識(shí)，縮短從理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的過程，使學(xué)生得到了一次完整的系統(tǒng)性的工程實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，大大加強(qiáng)了對(duì)理論知識(shí)的融會(huì)貫通和對(duì)實(shí)踐動(dòng)手能力的鍛煉，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)以及為將來走入科研工作崗位打下了一定的基礎(chǔ)。

作者：白潔 單位：西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院