畢業(yè)論文--質心檢測方案總體設計

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p>　　題目：質心檢測方案總體設計</p><p>　　系 別： 光電信息系 </p><p>　　專 業(yè)： 光電信息工程 </p><p>　　班 級： </p><p><b>　　20

2、14年05月</b></p><p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　系別 光電信息系專業(yè) 光電信息工程 班B100104姓名 程斯琦 學號 B10010402 </p><p>　　1.畢業(yè)設計（論文）題目： 質心檢測方案總體設計 </p><p&

3、gt;　　2.題目背景和意義：經加工(組裝)完畢后的工件(部件)，如果質量呈不對稱分布，一般很難確定質心位置，即使外輪廓為對稱圖形的工件(部件)，質心一般也不在其幾何中心。為了滿足動力學要求，往往需要知道工件質心的準確位置，尤其是新型武器的研制對質心測量精度的要求不斷提高。由于很多產品一般從理論計算很難準確地確定其質心的幾何位置，特別是對動能攔截等精確制導武器，必須較精確確定其質心位置，因此必須進行實際的質心位置測量。

4、 </p><p>　　3.設計(論文)的主要內容（理工科含技術指標）： 1）查閱國內外相關文獻以了解質心測量原理；2）比較、選擇質心檢測原理方法；3）設計質心檢測系統(tǒng)；4）分析檢測誤差。 </p>&

5、lt;p>　　4.設計的基本要求及進度安排（含起始時間、設計地點）：2013.11.4～2013.11.30：查找有關資料， 了解質心檢測技術的原理及方法，總結各方法優(yōu)缺點，撰寫開題報告。2013.12.1～2014.1.5：設計質心測量系統(tǒng)原理圖，選擇測試系統(tǒng)所需的器件，壓力傳感器，數據采集卡等。2014.1.6～2014.2.21：完成總體設計，分析系統(tǒng)誤差及可能的解決辦法，對整個設計進行總結。2014.2.24～2014.3

6、.21：針對畢業(yè)設計要求，完成畢業(yè)論文的撰寫，準備畢業(yè)答辯。 </p><p>　　5.畢業(yè)設計（論文）的工作量要求 15000字 </p><p>　　① 實驗（時數）*或實

7、習（天數）： </p><p>　?、?圖紙（幅面和張數）*： </p><p>　　③ 其他要求： 查閱文獻資料不少于15篇

8、 </p><p>　　指導教師簽名： 年 月 日</p><p>　　學生簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任審批： 年 月 日</

9、p><p>　　質心檢測方案總體設計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在機械制造和軍事方面，質心檢測是很重要的測試項目，對于準度、精度、速度的要求越來越高。本文利用傳感器技術設計了一種基于三點支撐法的質心檢測系統(tǒng)。</p><p>　　本系統(tǒng)采用目前使用最廣泛、技術較為成熟的SOC單片機C805

10、1F350作為控制核心，實現了自動采樣、處理功能，通過異步串行口與上位機通信，通過C語言計算程序算出質心坐標。其中測量功能由以MAVIN足立NA2型稱重傳感器為核心的傳感器電路、以OPA27為核心的放大電路和單片機內部的24位A/D轉換實現。</p><p>　　整個系統(tǒng)具有精確、快捷、方便、實用的顯著特點。</p><p>　　關鍵詞：質心；三點支撐法；單片機；稱重傳感器；A/D轉換；C

11、語言</p><p>　　The Overall Design of the Centroid Detection Scheme </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In the machinery and military aspects, centroid detection is very impo

12、rtant test project.For accuracy, precision and speed have become increasingly demanding.In this paper, the use of sensor technology designed a centroid detection system method based on three-point support. </p>&l

13、t;p>　　The system uses the most widely used, the technology is more mature SOC MCU C8051F350 As a control center.Achieve the automatic sampling, processing, via an asynchronous serial port communications with the host

14、computer,Computer program calculates the coordinates of the center of mass by C language.Thereinto the measure is completed by sensor circuit based on MAVIN NA2 sensor, amplification circuit based on OPA27 and A/D conver

15、ter in C8051F350.</p><p>　　The whole system has precise, fast, convenient and practical notable features.  </p><p>　　Keywords: centroid; point support method; SCM; weighing sensor,A/D

16、conversion; c language</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.2問題的提出1</p><p>　　1.3國內外研究現狀1</p><p>　　1.4研究的內容2<

17、;/p><p>　　1.4.1目的和要求2</p><p>　　1.4.2系統(tǒng)的工作原理2</p><p>　　2 系統(tǒng)方案論證4</p><p>　　2.1稱重傳感器選擇4</p><p>　　2.1.1傳感器分類4</p><p>　　2.1.2最終選擇方案4</p>

18、<p>　　2.2編程語言選擇方案5</p><p>　　2.2.1匯編語言選擇方案5</p><p>　　2.2.2C語言選擇方案6</p><p>　　2.2.3最終選擇方案8</p><p>　　2.3主要部件介紹8</p><p><b>　　3 硬件設計13</b>

19、</p><p>　　3.1儀器功能介紹13</p><p>　　3.2系統(tǒng)原理框圖13</p><p>　　3.3檢測裝置結構設計13</p><p>　　3.3.1工件質心檢測基本方法14</p><p>　　3.4壓力傳感器電路設計15</p><p>　　3.5數據處理電路設計

20、16</p><p>　　3.5.1單片機電路16</p><p>　　3.5.2A/D放大電路17</p><p>　　3.5.3電源電路設計18</p><p>　　3.5.4串口通信電路19</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設計20</p><p>　　4.1主程序的設計20

21、</p><p>　　4.2子程序的設計21</p><p>　　4.2.1 A/D轉換軟件設計21</p><p>　　4.2.2 數據傳輸軟件設計22</p><p>　　4.2.3 質心坐標計算軟件22</p><p>　　5 誤差分析與補償25</p><p>　　5.1質量誤

22、差25</p><p>　　5.2質心誤差25</p><p><b>　　6 軟件仿真27</b></p><p>　　6.1仿真軟件的介紹27</p><p>　　6.2仿真畫面的介紹27</p><p>　　6.3計算程序運行30</p><p><

23、b>　　7 結論31</b></p><p><b>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　致 謝33</b></p><p>　　畢業(yè)設計（論文）知識產權聲明34</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明35</p><p&g

24、t;　　附錄1系統(tǒng)硬件電路圖36</p><p>　　附錄2系統(tǒng)源程序代碼37</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　質心指物質系統(tǒng)上被認為質量集中于此的一個假想點，它同作用于質點系上的力無關。在質點組中恒存在一個特殊點，它的運動很容易被確定，如果以這個特殊點作為參照點，又常常能使問題簡化。這個特殊點即質點組成的

25、質量中心，簡稱質心。經加工(組裝)完畢后的工件(部件)，如果質量呈不對稱分布，一般很難確定質心位置，即使外輪廓為對稱圖形的工件(部件)，質心一般也不在其幾何中心。為了滿足動力學要求，往往需要知道工件質心的準確位置[1]。</p><p>　　1.1研究的目的和意義</p><p>　　質心測量對于很多產品的使用至關重要，尤其是新型武器的研制對質心測量精度的要求不斷提高。由于很多產品一般從理

26、論計算很難準確地確定其質心的幾何位置，特別是對動能攔截等精確制導武器，必須較精確確定其質心位置，因此必須進行實際的質心位置測量[2]。本課題研究的目的就是用利用傳感器技術，設計了一種質心測量機構，提出了一種能夠質心測量精度的測量方法。</p><p><b>　　1.2問題的提出</b></p><p>　　在過去，工件的質心是通過工程技術人員的大量計算獲得的，多余復

27、雜形體的零件只能進行近似計算。當組成組件的零件數量比較多，而且質量分布不均勻時，計算就非常困難，即便借助一些計算分析軟件，一般也達不到要求的精度。為此，專門設計制造了相應的自動檢測裝置取代人工計算。</p><p>　　1.3國內外研究現狀</p><p>　　在機械工程領域，質心測量是一個應用十分廣泛的測量項目，如通用汽車的動力總成、汽車總裝質心高度的測量，裝甲車輛和車體上武器系統(tǒng)的質心

28、分布，火箭、飛機等各類飛行器的質心測量等，都屬于質心測量的范疇[3]。</p><p>　　軍事方面，郭志成[4]從質心測量原理入手，提出了采用智能傳感器技術的戰(zhàn)術導彈質心定位系統(tǒng)的組成及技術指標。利用誤差理論，對戰(zhàn)術導彈質心定位系統(tǒng)進行了誤差分析，消除了誤差并提高了系統(tǒng)的測量精度。潘文松，王昌明[5]等人介紹了彈丸質量、質心以及質偏心的三點支承測量方法，論述了各個參數的測量原理，對各參數產生誤差的因素以及各個誤

29、差的大小進行了定量分析，并提出了相應的誤差補償方式。騫永博，吳斌[6]詳細介紹了彈丸質心測量</p><p>　　的多支點稱重法工作原理、系統(tǒng)組成和計算公式，針對小型彈丸，提出了提高其軸向、徑向質心測量精度的改進方法。首都航天機械公司曾對大型運載火箭質量與橫向質心的四點測定方法進行過研究，所研制的設備為分體式結構具有可移動性，但設備調整比較復雜。</p><p>　　車輛測量方面，趙新通等

30、[7]采用液壓驅動的二自由度運動平臺測量車輛的質心坐標。張立彬[8]在原有拖拉機做復擺運動時周期與質心高度之間關系的理論模型基礎上，提出了實用測量模型，通過測量擺動周期和改變擺長，計算拖拉機質心高度。</p><p>　　在國外，有關本項目研究的文獻較少。Fabbir等[9]和Molari等[10-11]采用平臺側傾試驗法測量拖拉機質心高度，將拖拉機放在擺動平臺上，依靠平臺側面的鋼絲滑輪機構，使平臺與拖拉機一起旋

31、轉一定角度，測量鋼絲繩的拉力，通過靜態(tài)平衡原理計算出拖拉機的質心高度。</p><p><b>　　1.4研究的內容</b></p><p>　　利用傳感器技術，設計一種質心測量機構，提出一種測量方法、具體測量機構的主體結構，給出了機構的測量原理、測量方法，測定100kg內任意不規(guī)則物體的質心。</p><p>　　1.4.1目的和要求<

32、/p><p>　　本次設計是利用傳感器技術設計和實現一種質心系統(tǒng)，實現系統(tǒng)軟硬件的組成和實現。實時、可靠的聯動控制，使系統(tǒng)可靠性高、靈活性強、人機界面友好。通過設計熟悉51單片機的使用方法、傳感器等芯片的工作原理及其使用，并通過Keil編程向單片機上下載程序，根據設計要求編寫計算程序，達到設計的最優(yōu)化和理想化、實用化。</p><p>　　1.4.2系統(tǒng)的工作原理</p><

33、;p>　　根據測量原理的不同，質心測量方法通常分為兩類：懸掛法和質量反應法[12]。 </p><p>　　懸掛法是利用自由懸掛時質心必然通過懸掛點垂直面的原理來確定質心位置的方法，如圖1.1，該方法只適用于小型設備且精度不高； </p><p>　　圖1.1 懸掛法測量不規(guī)則物體重心</p><p>　　質量反應法是利用力矩平衡的原理進行

34、質心測量的方法，該方法試驗過程相對簡單，普及率較高。</p><p>　　三點支撐法[13]是質量反應法的一種，是目前應用比較廣泛的一種質心測量方法，即在測量平臺下方的同一圓周上均布三個測力支承點，支承下置有測力傳感器，被測件安裝在平臺上，并且使被測件的中心軸通過平臺的中心，而且又垂直平臺的工作臺面，讀出三個測力傳感器的輸出，通過運算可方便地求出被測件的質量和質心位置坐標。該方法結構簡單，可以根據實際情況更換傳感

35、器以調整測量范圍，并且不受樣件形狀和大小的影響。通過合理選擇傳感器和分布位置，其測量準確度最高可達0.01mm。</p><p>　　根據本設計的要求，最終選擇三點支撐法測量質心，應為相比懸掛法，三點支撐法精度更高，測量更方便，更容易通過計算機顯示出測量結果。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)方案論證</b></p><p>　　2.1稱重

36、傳感器選擇</p><p>　　2.1.1傳感器分類</p><p>　　稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。用傳感器茵先要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境，這點對正確選用稱重傳感器至關重要，它關系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個衡器的可靠性和安全性。在稱重傳感器主要技術指標的基本概念和評價方法上，新舊國標有質的差異。</p>&l

37、t;p>　　分類：稱重傳感器按轉換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應變式等8類，以電阻應變式使用最廣。</p><p>　　電阻應變式傳感器利用電阻應變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作。主要由彈性元件、電阻應變片、測量電路和傳輸電纜4部分組成。電阻應變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，其上的應變片隨之變形，并導致電阻改變。測量電路測出應變片電阻的變化并變換為

38、與外力大小成比例的電信號輸出。電信號經處理后以數字形式顯示出被測物的質量。 </p><p>　　2.1.2最終選擇方案</p><p>　　電阻應變式傳感器的稱量范圍為300g至數千kg，計量準確度達1/1000～1/10000，結構較簡單，可靠性較好。大部分電子衡器均使用此傳感器。</p><p>　　被測件的質量在100kg左右，工作臺設計重量為50kg，共重

39、150kg。設計中共使用三個稱重傳感器，每個傳感器載重約為50kg。由此可選用電阻式傳感器型號臺灣MAVIN足立NA2-100稱重傳感器。</p><p>　　圖2.1 MAVIN足立NA稱重傳感器</p><p>　　產品參數： 額定輸出 2mv/V±5%綜合誤差 0.02% F.S.重復性、線性、滯后性 0.02% F.S.蠕變（20分鐘） 0.02% F.S.

40、零點復歸（20分鐘） 0.02% F.S.靈敏度溫漂 0.003% F.S./℃零點溫漂 0.003% F.S./℃溫補范圍 -10℃~+50℃容許范圍 -20℃~+60℃零點平衡 ±0.0200mv/V輸入阻抗 410Ω±15Ω輸出阻抗 350Ω±5Ω絕緣阻抗 ≥5000MΩ推薦激勵電壓 5~12VDC最大激勵電壓 15VDC安全超載 150%終極超載 200%材質 鋁合金防護

41、等級 IP65、IP66電纜 Φ6×2m推薦臺面尺寸 400×400mm </p><p>　　2.2編程語言選擇方案</p><p>　　2.2.1匯編語言選擇方案</p><p>　　匯編語言（英語：Assembly language）是一種用于電子計算機、微處理器、單片機或其他可編程器件的低級語言，在不同的設備中，匯編語言對應著不同的機

42、器語言指令集。一種匯編語言專用于某種計算機系統(tǒng)結構，而不像許多高級語言，可以在不同系統(tǒng)平臺之間移植。使用匯編語言編寫的源代碼，需要通過使用相應的匯編程序將它們轉換成可執(zhí)行的機器代碼。這一過程被稱為匯編過程。</p><p>　　匯編語言是面向機器的程序設計語言。在匯編語合中，用助記符代替操作碼，用地址符號或標號代替地址碼。這樣用符號代替機器語言的二進制碼，就把機器語言變成了匯編語言。于是匯編語言亦稱為符號語言。&

43、lt;/p><p>　　使用匯編語言編寫的程序，機器不能直接識別，要由一種程序將匯編語言翻譯成機器語言，這種起翻譯作用的程序叫匯編程序，匯編程序是系統(tǒng)軟件中語言處理系統(tǒng)軟件。匯編程序把匯編語言翻譯成機器語言的過程稱為匯編。</p><p><b>　　其主要特點：</b></p><p>　　(1) 面向機器的低級語言，通常是為特定的計算機或系列計

44、算機專門設計的。</p><p>　　(2) 保持了機器語言的優(yōu)點，具有直接和簡捷的特點。</p><p>　　(3) 可有效地訪問、控制計算機的各種硬件設備，如磁盤、存儲器、CPU、I/O端口等。</p><p>　　(4) 目標代碼簡短，占用內存少，執(zhí)行速度快，是高效的程序設計語言。</p><p>　　(5) 經常與高級語言配合使用，應

45、用十分廣泛。</p><p>　　匯編語言由于采用了助記符號來編寫程序，比用機器語言的二進制代碼編程要方便些，在一定程度上簡化了編程過程。匯編語言的特點是用符號代替了機器指令代碼，而且助記符與指令代碼一一對應，基本保留了機器語言的靈活性。使用匯編語言能面向機器并較好地發(fā)揮機器的特性，得到質量較高的程序。</p><p>　　用匯編語言編制的程序輸入計算機，計算機不能象用機器語言編寫的程序一

46、樣直接識別和執(zhí)行，必須通過預先放入計算機的"匯編程序"中進行加工和翻譯，才能變成能夠被計算機直接識別和處理的二進制代碼程序。用匯編語言等非機器語言書寫好的符號程序稱為源程序，運行時匯編程序要將源程序翻譯成目標程序。目標程序是機器語言程序，當它被安置在內存的預定位置上，就能被計算機的CPU處理和執(zhí)行。</p><p>　　匯編語言是面向具體機型的，它離不開具體計算機的指令系統(tǒng)，因此，對于不同型號

47、的計算機，有著不同的結構的匯編語言，而且，對于同一問題所編制的匯編語言程序在不同種類的計算機間是互不相通的。</p><p><b>　　其優(yōu)點如下：</b></p><p>　　(1) 面向機器的低級語言，通常是為特定的計算機或系列計算機專門設計的。</p><p>　　(2) 保持了機器語言的優(yōu)點，具有直接和簡捷的特點。</p>

48、<p>　　(3) 可有效地訪問、控制計算機的各種硬件設備，如磁盤、存儲器、CPU、I/O端口等。</p><p>　　(4) 目標代碼簡短，占用內存少，執(zhí)行速度快，是高效的程序設計語言。</p><p>　　(5) 經常與高級語言配合使用，應用十分廣泛。</p><p>　　2.2.2C語言選擇方案</p><p>　　C語言

49、是一種計算機程序設計語言。它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它可以作為工作系統(tǒng)設計語言，編寫系統(tǒng)應用程序，也可以作為應用程序設計語言，編寫不依賴計算機硬件的應用程序。</p><p>　　C語言，是一種通用的、過程式的編程語言，廣泛用于系統(tǒng)與應用軟件的開發(fā)。具有高效、靈活、功能豐富、表達力強和較高的移植性等特點，在程序員中備受青睞。最近25年是使用最為廣泛的編程語言。</p><p

50、>　　C語言是由UNIX的研制者丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）于1970年由肯·湯普遜（Ken Thompson）所研制出的B語言的基礎上發(fā)展和完善起來的。目前，C語言編譯器普遍存在于各種不同的操作系統(tǒng)中，例如UNIX、MS-DOS、Microsoft Windows及Linux等。C語言的設計影響了許多后來的編程語言，例如C++、Objective-C、Java、C#等。</p>

51、<p>　　C語言是世界上最流行、使用最廣泛的高級程序設計語言之一。</p><p>　　在操作系統(tǒng)和系統(tǒng)使用程序以及需要對硬件進行操作的場合，用C語言明顯優(yōu)于其它高級語言，許多大型應用軟件都是用C語言編寫的。</p><p><b>　　其優(yōu)點如下：</b></p><p>　　(1) 簡潔緊湊、靈活方便</p>&l

52、t;p>　　C語言一共只有40個關鍵字，9種控制語句，程序書寫形式自由，區(qū)分大小寫。把高級語言的基本結構和語句與低級語言的實用性結合起來。C 語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元。</p><p><b>　　(2) 運算符豐富</b></p><p>　　C語言的運算符包含的范圍很廣泛，共有34種運算符。C語言把括號

53、、賦值、強制類型轉換等都作為運算符處理。從而使C語言的運算類型極其豐富，表達式類型多樣化。靈活使用各種運算符可以實現在其它高級語言中難以實現的運算。</p><p>　　(3) 數據類型豐富</p><p>　　C語言的數據類型有：整型、實型、字符型、數組類型、指針類型、結構體類型、共用體類型等。能用來實現各種復雜的數據結構的運算。并引入了指針概念，使程序效率更高。</p>

54、<p>　　(4) 表達方式靈活實用</p><p>　　C語言提供多種運算符和表達式值的方法，對問題的表達可通過多種途徑獲得，其程序設計更主動、靈活。它語法限制不太嚴格，程序設計自由度大，如對整型量與字符型數據及邏輯型數據可以通用等。</p><p>　　(5) 允許直接訪問物理地址，對硬件進行操作</p><p>　　由于C語言允許直接訪問物理地址，可

55、以直接對硬件進行操作，因此它既具有高級語言的功能，又具有低級語言的許多功能，能夠像匯編語言一樣對位（bit）、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元，可用來寫系統(tǒng)軟件。</p><p>　　(6) 生成目標代碼質量高，程序執(zhí)行效率高</p><p>　　C語言描述問題比匯編語言迅速，工作量小、可讀性好，易于調試、修改和移植，而代碼質量與匯編語言相當。C語言一般只比匯編程序生成

56、的目標代碼效率低10%～20%。</p><p><b>　　(7) 可移植性好</b></p><p>　　C語言在不同機器上的C編譯程序，86%的代碼是公共的，所以C語言的編譯程序便于移植。在一個環(huán)境上用C語言編寫的程序，不改動或稍加改動，就可移植到另一個完全不同的環(huán)境中運行。</p><p><b>　　(8) 表達力強<

57、/b></p><p>　　C語言有豐富的數據結構和運算符。包含了各種數據結構，如整型、數組類型、指針類型和聯合類型等，用來實現各種數據結構的運算。C語言的運算符有34種，范圍很寬，靈活使用各種運算符可以實現難度極大的運算。</p><p>　　C語言能直接訪問硬件的物理地址，能進行位（bit）操作。兼有高級語言和低級語言的許多優(yōu)點。</p><p>　　它既

58、可用來編寫系統(tǒng)軟件，又可用來開發(fā)應用軟件，已成為一種通用程序設計語言。</p><p>　　另外C語言具有強大的圖形功能，支持多種顯示器和驅動器。且計算功能、邏輯判斷功能強大。</p><p>　　2.2.3最終選擇方案</p><p>　　根據本設計的要求，最終選擇C語言編寫程序。因為匯編語言編寫的代碼非常難懂，不好維護；很容易產生bug，難于調試；只能針對特定的

59、體系結構和處理器進行優(yōu)化；開發(fā)效率很低，時間長且單調。</p><p><b>　　2.3主要部件介紹</b></p><p>　　C8051F350單片機器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。其主要特性如下：</p><p>　　高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核（可達50MIPS）</p><p>

60、　　全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試接口（片內）</p><p>　　24或16位單端/差分ADC，帶模擬多路器</p><p>　　兩個8位電流輸出DAC</p><p>　　高精度可編程的24.5MHz內部振蕩器</p><p>　　8KB在片FLASH存儲器</p><p>　　768字節(jié)片內RAM</p>

61、<p>　　硬件實現的SMBus/I2C、增強型UART和SPI串行接口</p><p>　　4個通用的16位定位器</p><p>　　具有3個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數器/定時器陣列（PCA）</p><p>　　片內上電復位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器</p><p><b>　　片內電壓比較器&

62、lt;/b></p><p>　　17個端口I/O（容許5V輸入）</p><p>　　具有片內上電復位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F350是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。用戶軟件對所有外設具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設以節(jié)省功耗。</p>&l

63、t;p>　　片內SiliconLabs二線（C2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統(tǒng)調試。調試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。兩個C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調試功能不占用封裝引腳。</p><p>　　每種器件都可在工業(yè)溫度范圍（-45℃到+85

64、℃）內用2.7V-3.6V的電壓工作。端口I/O和/RST引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F350采用28腳QFN（也稱為MLP或MLF）封裝或32腳LQFP封裝。</p><p>　　圖2.2 C8051F350引腳圖</p><p>　　引腳類型及功能介紹：</p><p>　　表2.1 引腳類型及功能</p><p><b

65、>　　3 硬件設計</b></p><p><b>　　3.1儀器功能介紹</b></p><p>　　本質心檢測系統(tǒng)操作方便，人機間互動主要依靠計算機。操作過程如下：上電后系統(tǒng)復位，放上被測件，此時三個點的重力顯示在計算機屏上，通過計算程序輸出質心坐標。</p><p><b>　　3.2系統(tǒng)原理框圖</b

66、></p><p>　　硬件電路按照模塊化設計方法設計,主要包括檢測裝置，單片機電路、傳感器電路、A/D放大電路、電源穩(wěn)壓電路、串口通信電路等。系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　3.3檢測裝置結構設計</p><p>　　本文采用了三點支撐稱重法。三點支撐稱重法的重量和質心測量

67、是通過三個稱重傳感器共同完成的，圖3.2為三點支撐稱重法示意圖，檢測裝置主要由測試臺面，支撐軸，稱重傳感器，底主要座等部分組成</p><p>　　圖3.2 三點支撐稱重法示意圖</p><p>　　稱重傳感器在測量平臺上的投影如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3測量平臺俯視圖</p><p>　　3.3.1工件質心檢測基本方法&l

68、t;/p><p>　　質量和質心測量是通過3個稱重傳感器共同完成的。稱重傳感器在測量平臺上的垂直投影如圖2所示。其中點s1，s2，s3分別表示三個稱重傳感器和測量平臺的接觸點，OX，OY為裝置參考軸，原點O為裝置的定位中心[14]。設三個傳感器測出了力分別為f1，f2，f3。</p><p>　　則根據傳感器測得的值可得被測件的重量為：</p><p><b>

69、;　?。?.1）</b></p><p>　　式中：g為重力加速度</p><p>　　根據力矩平衡原理在平面oxy內對OX取矩，被測件在oxy平面內的徑向質心yc為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　對OY取矩，被測件的軸向質心xc為：</p><p&

70、gt;<b>　?。?.3）</b></p><p>　　將被測件繞x軸旋轉90°，重復上式，即可測試出z軸方向的質心坐標[15]。</p><p>　　3.4壓力傳感器電路設計</p><p>　　傳感器采用電阻應變片，利用電橋平衡原理進行壓差的采樣，因為電橋測量不僅可以提高檢測靈敏度，還能獲得較為理想的溫度補償效果，減小和克服非線

71、性誤差。</p><p>　　直流電橋電路如下圖所示：</p><p>　　圖3.4 直流電橋電路圖</p><p>　　四個電阻兩兩串聯，接點A和B接直流電源E。根據串聯電路電阻分壓關系，得C、D兩點的電壓分別為：</p><p>　　， （3.4）</p><p

72、>　　電橋的輸出電壓為： （3.5）</p><p>　　電橋的平衡條件是：。當電橋平衡時，輸出電壓為零。</p><p>　　根據本儀器的設計要求，我們選擇臺灣MAVIN足立NA2稱重傳感器。</p><p>　　惠斯登電橋具有很多優(yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，所以惠斯

73、登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。又因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數一致，各種干擾的影響容易相互抵消，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。</p><p>　　圖3.5 惠斯登電橋</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　　若，，則：</b></p><p&

74、gt;<b>　?。?.7）</b></p><p>　　3.5數據處理電路設計</p><p>　　3.5.1單片機電路</p><p>　　本設計采用SOC單片機C8051F350，芯片的各主要引腳分配如下：</p><p>　　表3.1 C8051F350主要使用引腳</p><p>　　3

75、.5.2A/D放大電路</p><p>　　圖3.6 A/D放大電路</p><p>　　傳感器測量的電壓信號經常含有干擾信號，所以當差分電壓輸出時，在其前面加一個LC濾波電路，抑制了電源對傳感器的噪聲干擾，得到比較穩(wěn)定的差分信號。再通過一個2通道模擬多路分配器接入運放的同相輸入端放大。由于系統(tǒng)連續(xù)工作電壓信號會隨著溫度的變化而發(fā)生漂移，為了防止溫漂導致的電壓失真，在差分信號的兩端加接通道

76、多路器74HC4053，當電壓隨溫度往上變化時，74HC4053就把其信號變反，這樣電壓信號就會成鋸齒形穩(wěn)定在其真實電壓值附近，從而保證了信號的準確。如圖3.6所示，R8、R9、R10電阻使用了精度高、溫度系數穩(wěn)定的精密電阻，從而減小因為放大產生的干擾。</p><p>　　電阻應變片式傳感器輸出電壓為mv數量級，因此必須加放大電路。根據差分電路的原理：</p><p><b>

77、　?。?.8）</b></p><p>　　傳感器稱重量程100Kg，靈敏2mv/v，供橋電壓為5v，滿量程輸出就為10mv。現測量物體最重50Kg，則最多輸出5mv電壓。ADC的參考電壓為2.5v，50Kg</p><p>　　對應2v，所以要使輸出電壓從0-10mv放大到0-2v，放大倍數為。</p><p>　　本系統(tǒng)的放大電路用了專用的儀表放大器

78、，其優(yōu)點是：</p><p>　　單片機內部的運放不是很穩(wěn)定，容易造成偏差。</p><p>　　內部的運放最大增益為128，而現在所需求的放大倍數要達到200，不能滿足放大的要求。故采用外部的運算放大器。</p><p>　　傳感器滿量程輸出=傳感器額定輸出×激勵電壓=2mV/V×5V=10mV=10000V。</p><p

79、>　　查靈敏度表，對應于5000分度數，其靈敏度允許范圍為0.6-5.2，符合靈敏度要求。</p><p>　　3.5.3電源電路設計</p><p><b>　　圖3.7 電源電路</b></p><p>　　本設計采用的芯片需要的供電電壓有2.5V，3.3V和5V三種，主要采用小功率電源調整芯片MIC5205產生2.5V和5V電壓，3

80、.3V低壓降調節(jié)器LP2981產生3.3V電壓。</p><p>　　5V電壓用MIC5205芯片產生，輸出電壓有波動時，為了使電路能穩(wěn)定工作，在輸入和輸出部分分別接入電容C5，C8。C5為輸入穩(wěn)定電容，當穩(wěn)壓器輸入阻抗降低時，防止發(fā)生震蕩。C8為輸出穩(wěn)壓電容，對于降低輸出紋波、輸出噪音及負載電流變化的影響有好的效果，C8的最大值為2.2μF太大的值會增加調節(jié)器的過度反應。C7作為濾波電容，C6的作用是減少相位失

81、真，減小輸出噪聲。2.5V電壓采用電阻分壓的方式從MIC5205的輸出得到，其中R1、R2電阻用1ppm的高精度電阻，這樣能得到穩(wěn)定的電壓。3.3V電壓用LP2981芯片產生，其工作原理與MIC5205相似。</p><p>　　3.5.4串口通信電路</p><p>　　圖3.8 串口通信電路</p><p>　　該稱重系統(tǒng)與上位機通信，這樣系統(tǒng)可以擴展功能，由上

82、位機直接完成監(jiān)控任務。與上位機的通信接口采用芯片MAX3221。MAX3221是3V至5.5V單通道RS-232線驅動器/接收器。該器件可滿足TIA/EIA-232-F要求并在一個異步通信控制器和串行端口連接器之間提供接口電荷汞和四個小型外接電容器可在單路3V至5.5V電源電壓下工作，這些器件在數據信號率達到250kbit/s且最大的30-V/s驅動輸出回轉率時工作。</p><p>　　當串行端口失效時，可以對

83、電壓管理進行靈活的控制選擇。在FORCCEON為低且FORCEOFF為高時自動掉電功能起作用。在這種工作方式中，若器件未感應到接收器輸入端上的一個有效的RS-232信號，則驅動器輸出端被禁止。若FORCEOFF置為低且EN為高，則驅動器和接收器均被切斷，電源電流降至1μA。斷開串行端口或關閉外圍驅動器將會導致自動掉電。當FORCEON和FORCEOFF為高時，自動掉電被禁止，當自動掉電被使能且在接收器輸入端加一個有效信號時器件被激活。無

84、效INVALID輸出告知用戶查看RS-232信號是否加在接收器輸入端。如果接收器輸入端電壓高于2.7V或低于-2.7V或在+0.3V之間并持續(xù)少于30μs，INVALID為高數據有效；如果接收器輸入端電壓在+0.3V之間并持續(xù)超過30μs，則INVALID低數據無效。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設計</b></p><p><b>　　4.1

85、主程序的設計</b></p><p>　　本設計的主程序是由各個子程序模塊構成的。系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)進行初始化，由于C8051F350是SOC單片機，它較MCS51單片機的一大特點是將很多外設或功能部件都嵌入其中，如本設計用到的24位ADC、增強型UART、時鐘振蕩器等。完成初始化后，放上被測件，系統(tǒng)開始采集數據，采集完一定的數據后取平均值，對數據進行處理即將A/D轉換得來的數字量通過串口通訊進入

86、計算機，通過計算程序算出質心坐標。</p><p><b>　　主程序流程圖如下：</b></p><p>　　圖4.1 主程序流程圖</p><p><b>　　4.2子程序的設計</b></p><p>　　系統(tǒng)控制程序設計是按照結構化的程序設計方法設計,將整個程序主要分為3部分，A/D轉換軟件

87、設計，數據傳輸和數據計算軟件設計。</p><p>　　4.2.1 A/D轉換軟件設計</p><p>　　該程序用于完成采樣、校準、轉換的工作，為輸出做好準備。</p><p>　　圖4.2 A/D轉換模塊流程圖</p><p>　　A/D處理的任務一是將A/D轉換而來的數據轉換為對應的重量值，二是將重量值轉變?yōu)榭晒╋@示的字符，以便查表輸出

88、顯示。</p><p>　　硬件部分已經提到50Kg重量經傳感器輸出并放大400倍后對應A/D輸入的2V，而24位A/D的參考電壓為2.5V，由得X=62.5Kg，留有了一定余量。由解得Y=0A7CH，即0.01Kg對應的十六進制數為0A7CH,同理可知0.02Kg 時對應數值為14F8H，50Kg時數值為CCCCCCH。由此可知從0.01Kg到0.02Kg的數字量變化較大，這樣不僅滿足了轉換精度的要求，而且由于

89、AD采樣誤差或外部干擾引起的數字量的變化不會影響到輸出結果的穩(wěn)定，提高了顯示的準確度。</p><p>　　4.2.2 數據傳輸軟件設計</p><p>　　該程序將A/D轉換后得到的重力數字量經過RS232串口發(fā)送到上位機（計算機），經過轉化顯示為10進制字符，方便接下來的計算，流程圖如下：</p><p>　　圖4.3 數據傳輸軟件設計</p>&

90、lt;p>　　4.2.3 質心坐標計算軟件</p><p>　　利用C語言編寫計算程序，將A/D轉換后測得的結果利用計算公式算出質心坐標，并在計算機中顯示出來。</p><p>　　已知三個傳感器坐標，，，測得結果，，，根據以下計算公式編寫程序：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>&l

91、t;b>　?。?.2）</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　　流程圖如下：</b></p><p>　　圖4.4 計算軟件流程圖</p><p><b>　　計算程序如下：</b></p><p

92、>　　#include<stdio.h>int main(){ int i=0,buf[3]='0'; int X1=x1; int X2=x2; int X3=x3; int Y1=y1; int Y2=y2; int Y3=y3; int Xc=0; int Yc=0; int G=0; for(i=1;i++;i<4){ printf(&

93、quot;輸入第%d個f值\n",i); scanf("%d",&buf[i-1]);} G=buf[0]+buf[1]+buf[2]; Xc=(buf[0]*X1+buf[1]*X2+buf[2]*X3)/G; Yc=(buf[0]*Y1+buf[1]*Y2+buf[2]*Y3)/G; printf("Xc的值=%d\nYc的值=%d\n",Xc,Yc

94、);return 0;}</p><p>　　5 誤差分析與補償 </p><p>　　分析可知，質量誤差主要來自傳感器測量誤差；質心誤差主要來自傳感器重量測量誤差、傳感器的定位誤差。 </p><p>　　傳感器的測量誤差可通過采用高精度傳感器來提高測量精度；傳感器的定位誤差主要有傳感器的安裝誤差、傳感器頂點的不確定，其最終都會使傳感器頂點位置坐標產生位置

95、誤差，可通過測量方法的改進進行補償，抵消一定的誤差。文中分析某單一誤差時都是在假設其他誤差為零的情況下進行的。</p><p><b>　　5.1質量誤差 </b></p><p>　　根據隨機誤差傳遞公式得重量誤差為： </p><p>　　（5.1） </p>&

96、lt;p><b>　　5.2質心誤差 </b></p><p>　　設傳感器綜合極限誤差。</p><p>　　( 1 )由傳感器測量誤差引起的x的質心誤差為： </p><p>　?。?.2） </p><p>　　( 2 )由定位誤差引起的x的質心誤差為：</p><p&g

97、t;<b>　?。?.3）</b></p><p>　　（5.3）式中：、、分別為位置誤差。 </p><p>　　( 3 ) 由傳感器測量誤差引起的的誤差為：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　( 4 ) 由定位誤差引起的誤差為：</p><

98、p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　式中： 、、 分別為位置誤差。 </p><p>　　綜合以上公式推導以及誤差分析可知：提高傳感器的測量精度可減小各參數的誤差；通過測量方法補償可大大減小各參數的誤差；通過機械結構的改進減小了人為操作引起的誤差。通過合理選擇傳感器，改進機械結構，使用合理補償方法可提高質量、質心的測量精度。</p>

99、;<p><b>　　6 軟件仿真</b></p><p>　　6.1仿真軟件的介紹</p><p>　　KeilC51uVision2集成開發(fā)環(huán)境是Keil Software,Inc/Keil Elektronik GmbH 開發(fā)的基于80C51內核的微處理軟件開發(fā)平臺，內嵌多種符合當前工業(yè)標準的開發(fā)工具，可以完成從工程建立和管理、編譯、鏈接、目標代

100、碼的生成、軟件仿真及硬件仿真等完整的開發(fā)流程。尤其是C編譯工具在產生代碼的準確性和效率方面達到了較高的水平，而且可以附加靈活控制選項，在開發(fā)大型項目時非常理想。</p><p>　　在Keil C51集成開發(fā)環(huán)境下是使用工程的方式來管理文件的，而不是單一文件的模式。所有的文件包括源程序（包括C程序和匯編程序）、頭文件以及說明性的技術文檔，它們都可以放在工程文件里統(tǒng)一管理。使用該軟件時，首先創(chuàng)建一個自己的應用程序，

101、然后進行程序文件的編譯、連接。</p><p>　　6.2仿真畫面的介紹</p><p>　　圖6.1 主程序仿真圖</p><p>　　將源文件程序添加到項目后，接下來開始編譯連接。先選擇Project菜單中的Options for Target‘Target 1’進行工程詳細設置，設置為軟件模式，</p><p>　　然后選擇Projec

102、t菜單中的Build target命令對源程序進行編譯。</p><p>　　圖6.2 程序編譯錯誤</p><p>　　如圖6.2所示，程序在編譯時發(fā)現語法錯誤，系統(tǒng)會給出錯誤所在的行和該錯誤提示信息。如有錯誤則可以根據下面窗口的提示進行修改，更正程序中出現的語法錯誤，重新編譯直至完全正確為止，如圖6.3所示：</p><p>　　編譯連接正確后獲得目標代碼，但這

103、僅僅代表源程序沒有語法錯誤，至于源程序中存在的其他錯誤必須通過調試才能發(fā)現并解決。</p><p>　　使用菜單Debug中的Start/Stop Debug Session進入調試狀態(tài)。使用Step或Step Over可以單步執(zhí)行程序，使用Insert/Remove BreakPoint可以設置/移除除斷點等。通過對各子程序模塊的設置斷點和單步執(zhí)行可以發(fā)現在編譯時不能發(fā)現的功能執(zhí)行上的錯誤。</p>

104、<p>　　圖6.4 單步執(zhí)行程序至斷點</p><p>　　在調試程序時可以通過菜單View下的相應命令打開輸出窗口（Output Windows）、觀察窗口（Watch&Call Statck Windows）、存儲器窗口（Memory Window）、反匯編窗口（Dissambly Window）、串行窗口（Serial Window）等。</p><p>　　

105、存儲器窗口中可以顯示系統(tǒng)中各種內存中的值，通過在Address后的編緝框內輸入“字母：數字”即可顯示相應內存值，其中字母可以是C、D、I、X，分別代表代碼存儲空間、直接尋址的片內存儲空間、間接尋址的片內存儲空間、擴展的外部RAM 空間，數字代表想要查看的地址。在軟件設計中使用的寄存器都有相應的地址被定義在C語言的.h頭文件中，例如要查看時鐘乘法器控制寄存器CLKMUL中的值，就可以輸入該特殊寄存器的地址D:0xBE便可查看到，如圖6.5

106、所示：</p><p>　　圖6.5 用存儲器窗口查看寄存器的值</p><p><b>　　6.3計算程序運行</b></p><p>　　計算程序采用C語言編程，當依次輸入三個傳感器測得的力f1，f2，f3，時，程序自動計算出質心坐標Xc和Yc。圖6.6為linux系統(tǒng)下計算程序運行結果。</p><p>　　圖6.

107、6 計算程序運行圖</p><p><b>　　7 結論</b></p><p>　　本課題研究的質心檢測系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的測量基礎上開發(fā)設計的。涉及到傳感器原理、A/D轉換技術、模擬電子技術、單片機技術、信息顯示技術以及穩(wěn)壓電源技術等眾多學科。本檢測從單片機選型、傳感器選型、濾波放大電路設計、電源設計、功能擴展等諸多方面全面考慮，進行了合理的改進和完善,提高了性能，增

108、加了功能，降低了成本，簡化了操作。傳感器電路采用電橋電路并增加了濾波有效地防止了干擾；A/D放大電路利用通道多路器有效地防止了溫漂；選擇內置24位精確A/D型SOC單片機C8051F350作為控制核心，有效地提高了測量精度，利用異步串行接口與上位機通信，通過C語言計算出質心坐標。硬件結構較一般質心檢測儀器更加合理,采用C語言模塊化編程使得控制程序更加精煉、靈活、易懂，儀器性能穩(wěn)定,檢測方便、快捷、準確。</p><p

109、><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 孫銘.非均勻工件(部件)質心檢測方法的研究[J]. 機械設計與制造,2001(6).</p><p>　　[2] 顧強,李波,彈體質量、質心及質偏的新三點測量法[J].彈箭與制導學報,2003,25(6).</p><p>　　[3] 王保貴,張洪偉.質心測量平臺實現方法及精度分

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