基于單片機SPCE061A電子秤控制電路畢業(yè)設(shè)計

1、黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書課題名稱 電子秤控制電路的設(shè)計 系 別 起訖時間：2010年9月1日2010年11月1日（共8 周）目錄摘 要2abstract3一、緒論3（一）電子秤概述4（二）電子秤的發(fā)展41、電子技術(shù)滲入衡器制造業(yè)42、電子秤步入社會4（三）電子衡器簡介51、電子衡器的分類52、電子衡器的發(fā)展動態(tài)5二、系統(tǒng)方案的選擇與設(shè)計6（一） 方案的選擇6（二）系統(tǒng)整體設(shè)計方案8三、硬件電路設(shè)計9（一）61板硬件電路91、spce061a內(nèi)部結(jié)構(gòu)112、spce061a芯片的引腳排列和說明123、spce061aspce061a單片機封裝144、spce061a

2、單片機的最小系統(tǒng)15(二）電源電路設(shè)計18（三） 數(shù)據(jù)采集部分電路設(shè)計191、 傳感器和其外圍以及放大電路設(shè)計19（四）顯示和語音輸出模塊的設(shè)計32（五）低電壓報警及睡眠喚醒32四、系統(tǒng)軟件設(shè)計33（一）主程序設(shè)計34（二）子程序設(shè)計351、 a/d轉(zhuǎn)換啟動及數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計352、數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計353、顯示子程序設(shè)計364、鍵盤掃描子程序的設(shè)計375、報警子程序的設(shè)計38設(shè)計總結(jié)39致 謝40參考文獻41附 錄42附錄1 系統(tǒng)總圖42附錄2 程序清單44摘 要本系統(tǒng)采用單片機spce061a 為控制核心，實現(xiàn)電子秤的基本控制功能。系統(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng)板，數(shù)據(jù)采集、人機交互界面三大部

3、分。最小系統(tǒng)部分主要是擴展了外部數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、超聲波傳感器、信號的前級處理和 a/d 轉(zhuǎn)換部分組成。人機界面部分為鍵盤輸入 ， 128 64 點陣式液晶顯示，可以直觀的顯示中文，使用方便。軟件部分應(yīng)用單片機 c 語言實現(xiàn)了本設(shè)計的全部控制功能，包括基本的測量身高體重功能、語音播報測量結(jié)果的功能，還具有低電壓報警功能?？梢哉f,此設(shè)計所完成的電子秤很大程度上滿足了應(yīng)用需求。實現(xiàn)了電子秤的智能化。關(guān)鍵詞 spce061a，電子秤abstractthis system uses monolithic integrated circuit spce061a is the cont

4、rol core, realizes electronic scales basic control function. systems hardware part including smallest system board, data acquisition, man-machine interaction contact surface three major parts. the smallest system part mainly expanded the exterior data-carrier storage, the data acquisition part befor

5、e the pressure transmitter, the ultrasonic sensor, signal level processing and a/d conversion fraction is composed. the man-machine contact surface part is the keyboard entry, 128 64 lattice type liquid crystal display, may direct-viewing demonstration chinese, the easy to operate. the software part

6、 has realized this design complete control function using the monolithic integrated circuit c language, including the basic survey height body weight function, the pronunciation disseminates news the measurement result the function, but also has the low voltage warning function. it can be said that

7、this design completes the electronic scale has met the application need to a great extent. has realized electronic scales intellectualization. key word spce061a, electronic scale 一、緒論（一）電子秤概述稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個領(lǐng)域，與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺

8、少的計量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的提高。因此，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國都非常重視。下面簡單介紹電子秤或電子衡器的有關(guān)知識。（二）電子秤的發(fā)展1、電子技術(shù)滲入衡器制造業(yè)隨著第二次世界大戰(zhàn)后的經(jīng)濟繁榮，為了把稱重技術(shù)引入生產(chǎn)工藝過程中去，對稱重技術(shù)提出了新的要求，希望稱重過程自動化，為此電子技術(shù)不斷滲入衡器制造業(yè)。在1954年使用了帶新式打印機的傾斜杠桿式秤，其輸出信號能控制商用結(jié)算器，并且用電磁鐵機構(gòu)與代替人工操作的按鍵與辦公機器聯(lián)用。在1960年開發(fā)出了與衡器相聯(lián)的專門稱重值打印機。當時的帶電子裝置的衡器其稱量工作是機械式的，但與稱量

9、有關(guān)的顯示、記錄、遠傳式控制器等功能是電子方式的。2、電子秤步入社會電子秤的發(fā)展過程與其它事物一樣，也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、由粗糙到精密、由機械到機電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程。特別是近30年以來，工藝流程中的現(xiàn)場稱重、配料定量稱重、以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測等工作，都離不開能輸出電信號的電子衡器。這是由于電子衡器不僅能給出質(zhì)量或重量信號，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個單元承擔著控制和檢驗功能，從而推進工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動化和合理化。近年來，電子秤已愈來愈多地參與到數(shù)據(jù)處理和過程控制中?，F(xiàn)代稱重技術(shù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝技術(shù)、儲運技術(shù)、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)及商業(yè)銷售領(lǐng)域中不可缺少的組成部

10、分。隨著稱重傳感器各項性能的不斷突破，為電子秤的發(fā)展奠定了其礎(chǔ)，國外如美國、西歐等一些國家在20世紀60年代就出現(xiàn)了0 .1 %稱量準確度的電子秤，并在70年代中期約對75 %的機械秤進行了機電結(jié)合式的電子化改造。我國的衡器在20世紀40年代以前還全是機械式的，40年代開始發(fā)展了機電結(jié)合式的衡器。50年代開始出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子衡器。80年代以來， 我國通過自行研制、引進消化吸收和技術(shù)改造，已由傳統(tǒng)的機械式衡器步入集傳感器、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)于一體的電子衡器發(fā)展階段。目前，由于電子衡器具有稱量快、讀數(shù)方便、能在惡劣環(huán)境下工作、便于與計算機技術(shù)相結(jié)合而實現(xiàn)稱重技術(shù)和過程控制的自動化等

11、特點，已被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、能源交通、商業(yè)貿(mào)易和科學(xué)技術(shù)等各個部門。隨著稱重傳感器技術(shù)以及超大規(guī)模集成電路和微處理器的進一步發(fā)展，電子稱重技術(shù)及其應(yīng)用范圍將更進一步的發(fā)展，并被人們越來越重視。（三）電子衡器簡介1、電子衡器的分類電子衡器實際上由兩個測量部分組成，即“力電”轉(zhuǎn)換元件（稱重傳感器）以及顯示儀表。電子衡器大致可以分為兩大類，一類是在杠桿式機械衡器的基礎(chǔ)上增加一套“位移數(shù)字”轉(zhuǎn)換及測量裝置，將被稱物體的重量直接用數(shù)字顯示出來。這類衡器，通常采用碼盤、光柵、電磁平衡力矩器、同步感應(yīng)器或陀螺傳感器等。這種電子衡器人們通常稱其為光柵電子秤、碼盤電子秤、電子磁力電子秤、同步感應(yīng)電子秤或陀螺電

12、子秤。另一類電子衡器是通過稱重傳感器，將被稱物體的重量直接轉(zhuǎn)換為與被測重量成正比的電量信號，再由電子測量裝置計量其大小，并直接顯示其重量數(shù)據(jù)，這類電子衡器一般稱為傳感器式電子衡器，我們本講所學(xué)的就是此類電子衡器。2、電子衡器的發(fā)展動態(tài)電子衡器產(chǎn)品量大面廣、種類繁多，從通用的各種規(guī)格的電子秤到大型的電子稱重系統(tǒng)，從單純的稱重、計價到生產(chǎn)過程檢測系統(tǒng)的一個測量控制單元，其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷地擴大。根據(jù)近年來電子稱重技術(shù)和電子衡器的發(fā)展情況及電子衡器市場的需求，電子衡器總的發(fā)展動向為：小型化、模塊化、智能化、集成化；其技術(shù)性能趨向于速率高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其應(yīng)用性趨向于綜合性、組合性。小型

13、化：體積小、高度低、重量輕，即小薄輕。為使電子衡器的承載器達到小、薄、輕，開始采用重量輕且剛度大的空心波紋銅板和方形閉合截面的薄壁型材。模塊化：電子衡器的承載器采用模塊式一體組合或分體組合，產(chǎn)生新的品種和規(guī)格。這種模塊化組合不但提高了產(chǎn)品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。智能化：與電子計算機組合或開發(fā)稱重用計算機，利用計算機的智能來增加稱重顯示控制的功能，使其在原有功能的基礎(chǔ)上增加推理、判斷、自診斷、自適應(yīng)、自組織等功能。集成化：對于某些品種和結(jié)構(gòu)的電子衡器，可以實現(xiàn)承載器與稱重傳感器一體化或承載器、稱重傳感器與稱重顯示控制器一體化。綜合性：電子稱重技術(shù)和電子衡器產(chǎn)品的應(yīng)

14、用范圍不斷擴大，它已滲透到一些學(xué)科和工業(yè)自動控制領(lǐng)域。對某些商用電子計價秤而言，只具備稱重、計價、顯示、打印功能還遠遠不夠，現(xiàn)代商業(yè)系統(tǒng)還要求它能提供各種銷售信息，把稱重與管理自動化緊密結(jié)合，使稱重、計價、進庫、銷售管理一體化，實現(xiàn)管理自動化。這就要求電子計價秤能與電子計算機聯(lián)網(wǎng)，把稱重系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)組成一個完整的綜合控制系統(tǒng)。組合性：在工業(yè)生產(chǎn)過程或工藝流程中，不少稱重系統(tǒng)還應(yīng)具有可組合性，即：測量范圍可以任意設(shè)定；硬件能夠依據(jù)不定的程序進行修改和擴展；輸入輸出數(shù)據(jù)與指令可使用不同的語言，并能與外部的控制和數(shù)據(jù)處理設(shè)備進行通信。二、系統(tǒng)方案的選擇與設(shè)計（一） 方案的選擇方案一：用52單片機

15、實現(xiàn)電子秤控制電路的設(shè)計，設(shè)計思路框圖如圖2-1所示。壓力、超聲波傳感器波傳感器a/d轉(zhuǎn)換器放大電路at89s52單片機鍵盤lcd顯示語音顯示圖2-1設(shè)計思路框圖數(shù)據(jù)采集部分由壓力和超聲波傳感器采集，得到微弱的電信號（本設(shè)計為電壓信號），而后經(jīng)處理電路（如濾波電路，差動放大電路，）處理后，送a/d轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出?？刂破鞑糠纸邮軄碜詀/d轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過復(fù)雜的運算，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為物體的實際重量信號，并將其存儲到存儲單元中?？刂破鬟€可以通過對擴展i/o的控制，對鍵盤進行掃描，而后通過鍵盤散轉(zhuǎn)程序，對整個系統(tǒng)進行控制。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實現(xiàn)顯示功能。方案二：用spce

16、061a實現(xiàn)電子秤控制電路的設(shè)計，設(shè)計思路框圖如圖2-2所示。圖2-2設(shè)計思路框圖本設(shè)計由于要求語音播報數(shù)據(jù)，所以我們選擇了spce061a這款芯片，該芯片具有8路10位精度的adc，其中就有一條通道為音頻轉(zhuǎn)換通道，并且內(nèi)置有自動增益電路。這為實現(xiàn)語音播報提供了方便的硬件條件。綜上所述：我們最終選擇了用spce061a來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。選用spce061a ，它不但能夠滿足我們的需要，而且不用外接擴展電路?。ǘ┫到y(tǒng)整體設(shè)計方案本電子秤控制電路的整體設(shè)計方案如圖 2-3所示，此系統(tǒng)采用 61板為控制核心。由電阻應(yīng)變式傳感器、壓電超聲波傳感器、splc501等組成。圖2-3系統(tǒng)整體設(shè)計框圖三

17、、硬件電路設(shè)計（一）61板硬件電路61板是一個完整的16位單片機開發(fā)系統(tǒng)，板上包含了模擬電子線路、數(shù)字電子電路和 spce061a單片機系統(tǒng)電路。具體內(nèi)容可分為4個部分介紹： spce061a單片機系統(tǒng)、電源電路、音頻輸入輸出電路和程序下載區(qū)電路。 “61板”上一共有4片集成電路，各集成電路的簡要描述如表3.1所列。表3.1集成電路說明芯片編號芯片型號芯片名稱芯片封裝引腳數(shù)目數(shù)量u1spce061a凌陽16位單片機plcc84841u3spy00293.3v三端集成穩(wěn)壓電路sot-89貼片1u2spy0030功率放大集成電路dip881u474hc244八通道三態(tài)緩沖器dip20201spce

18、061a是凌陽科技推出的一款16位單片機，片內(nèi)采用的nsp核心具有較高的處理速度，能夠更快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號。spce061a的主要性能特點：16位nsp微處理器；工作電壓(cpu) vdd為3.03.6v (i/o) vddh為3.05.5v ；cpu時鐘：0.32mhz49.152mhz ；內(nèi)置2k字sram；內(nèi)置32k flash；可編程音頻處理；晶體振蕩器;系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止狀態(tài))，耗電僅為2a（3.6v）；2個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值)；2個10位dac(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道；32位通用可編程輸入/輸出端口；14個中斷源可來自定時器a / b

19、，時基，2個外部時鐘源和按鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽音頻編碼sacm_s240方式(2.4k位/秒)，能容納210秒的語音數(shù)據(jù)；鎖相環(huán)pll振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號；32768hz實時時鐘；7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動增益控制(agc)功能；具備串行設(shè)備接口；具有低電壓復(fù)位(lvr)功能和低電壓監(jiān)測(lvd)功能；內(nèi)置在線仿真電路ice（in- circuit emulator）接口；具有保密能力；具有watchdog功能。1、spce061a內(nèi)部結(jié)構(gòu)spce061a單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3.2從圖中可知s

20、pce061a單片機內(nèi)部主要包括16位nsp微 處理核心、ice在線仿真電路接口、32k字閃存器、2k字sram數(shù)據(jù)存儲器、實時時鐘、鎖相環(huán)振蕩器和cpu時鐘、32位通用io端口、2個16位定時/計數(shù)器、中斷控制、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、通用異步串行輸入輸出接口uart、串行設(shè)備輸入輸出接口sio、低電壓監(jiān)測和復(fù)位等部分。圖3.2 spce061a的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2、spce061a芯片的引腳排列和說明61板上spce061a的封裝形式為pllcc84，引腳排列如圖3.3所示。其中有15個未用引腳，其余引腳可以分為工作條件類，控制類引腳和輸入輸出引腳類，其中引腳最多的是輸入輸出類引腳。工作條件類

21、引腳說明如下：工作條件類引腳電源和地線：vdd-36腳 模擬電路（a/d、d/a和2v穩(wěn)壓源）vdd參考電壓。vss-24腳 模擬電路（a/d、d/a和2v穩(wěn)壓源）gnd參考電壓。vdd-7、15腳 邏輯電路的vdd參考電壓。vss-9、19、38腳 邏輯電路與io端口的gnd參考電壓。vddh-51、52、75腳 io端口的vdd參考電壓。該點輸入一個5v的參考電壓，則io輸入輸出高電平為5v.vss-49、50、62腳 io端口的gnd參考電壓。時鐘輸入輸出osc32i-13 腳 32 768hz 晶體振蕩器輸入；osc32o-12 腳 32 768hz 晶體振蕩器輸出；vcp(vcoin

22、)-8腳 pll鎖相環(huán)壓控振蕩器rc輸入引腳。3、spce061aspce061a單片機封裝如圖所示為spce061a的封裝實物圖。spce061a有2種封裝形式：一種為84個引腳，即plcc84封裝（見圖3.4 ）；另一種為80個引腳，即lqfp80封裝。61板采用的是plcc84封裝形式的芯片。4、spce061a單片機的最小系統(tǒng)61板的spce061a單片機系統(tǒng)包括spce061a最小系統(tǒng)（含晶體振蕩器電路）、復(fù)位電路、io輸入輸出接口、按鍵輸入部分、以及a/d、d/a轉(zhuǎn)換部分。(1)spce061a單片機的最小系統(tǒng)spce061a單片機的最小系統(tǒng)接線如圖 3.5所示。（2）時鐘電路ns

23、p時鐘電路采用晶體振蕩器電路。圖3.6 是spce061a單片機時鐘電路接線圖。y1是石英晶體，晶體頻率是32 768 hz，c14(20pf)和c15(20pf)是諧振電容。 圖3.6 晶體振蕩器電路(3)復(fù)位電路通過某種方式，使單片機內(nèi)部各寄存器值變?yōu)槌跏嫉牟僮鞣Q為復(fù)位。spce061a芯片的復(fù)位就是對其內(nèi)部的硬件初始化，只要在spce061a的引腳6（即res_b端）外加一個低電平就可令其復(fù)位。spce061a的復(fù)位電路如圖 3.7 所示。圖3.7 spce061a的復(fù)位電路(4)61板按鍵電路按鍵是通過通斷控制來實現(xiàn)其功能，如圖 3.8 所示是61板的3只獨立式按鍵電路接線圖。61板設(shè)

24、置了3個按鍵：s1、s2、s3;而ioa0ioa2為擴展按鍵接口，可利用這些按鍵來實現(xiàn)簡單的人機交互功能。 圖3.8 61板上的鍵盤電路(5)32位輸入輸出io接口如圖 3.9 所示，spce061a的32個通用io端口引腳全部引出到61板上，共4排插針。16位ioa口的ioa0ioa15分別對應(yīng)插針j8、j9;16位iob口的iob0iob15分別對應(yīng)插針j6、j7。并標記端口號，方便開發(fā)使用。 圖3.9 32位輸入輸出io接口(6)a/d和d/a部分a/d部分的作用就是把外部輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供cpu處理。spce061a的a/d轉(zhuǎn)換內(nèi)置了8個通道：7個10位adc（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)

25、換器）line_in輸入通道，與ioa口的ioa0ioa6共享，作為外部模擬電壓信號輸入通道；另一個就是10位adc（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）min_in傳聲器輸入通道，內(nèi)置傳聲器放大電路和自動增益功能。d/a部分的作用就是把cpu內(nèi)部數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，spce061a內(nèi)置了2個10位電流型dac （數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）音頻輸出通道分別是dac1 和dac2。spce061a單片機內(nèi)置的音頻a/d、d/a，可編程音頻處理提供了硬件基礎(chǔ)，再利用凌陽科技開發(fā)的音頻處理庫函數(shù)，61板就能完成語音的錄制、播放及辨識。 (二）電源電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計需要，本系統(tǒng)中需要設(shè)計兩種不同級別的電源，即傳感器需要的電源，和

26、61板的電源?？紤]本次設(shè)計的實際要求，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，提高產(chǎn)品的性價比，電源電路的 設(shè)計決定采用如下方案：圖3.3 電源電路圖220v的交流電經(jīng)過變壓器后輸出15v的電壓，經(jīng)整流濾波電路后， 通過lm7812和lm7905進行dc/dc變換得到12v和+5v、-5v供器和系統(tǒng)的其他芯片使用。在變壓器的原邊加入熔斷保護裝置和mfc網(wǎng)絡(luò)，使得系統(tǒng)獲得的電源更穩(wěn)定，效果更好，且電路短路時，熔斷裝置會迅速切斷電源，保護其他電路元件不被損壞，供電電路如圖3.3所示。（三） 數(shù)據(jù)采集部分電路設(shè)計數(shù)據(jù)采集部分電路包括傳感器輸出信號放大電路、單片機接口電路。1、 傳感器和其外圍以及放大電路設(shè)計（1）稱重傳感器

27、的選擇根據(jù)系統(tǒng)要求，我們選擇了電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。應(yīng)用范圍：可測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。應(yīng)變式傳感器特點精度高，測量范圍廣；使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；頻率響應(yīng)較好，既可用于靜態(tài)測量又可用于動態(tài)測量；價格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。（2）應(yīng)變式傳感器的工作原理(1) 金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 公式推導(dǎo)：若金屬絲的長度為l，截面積為s，電阻率為，其

28、未受力時的電阻為r，則:(9.1)如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形，其長度l變化dl，截面積s變化ds，電阻率變化 ，因而引起電阻r變化dr。將式(9.1)微分，整理可得:(9.2)對于圓形截面有： (9.3)為金屬絲軸向相對伸長，即軸向應(yīng)變；而 則為電阻絲徑向相對伸長，即徑向應(yīng)變，兩者之比即為金屬絲材料的泊松系數(shù)，負號表示符號相反，有:(9.9)將式(9.9)代入(9.3)得:(9.5)將式(9.5)代入(9.2)，并整理得：(9.6)或(9.7)k0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。k0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。 公式簡化

29、過程：由式 可以明顯看出，金屬材料的靈敏系數(shù)受兩個因素影響：一個是受力后材料的幾何尺寸變化所引起的，即 項；另一個是受力后材料的電阻率變化所引起的，即 項。對于金屬材料 項比 項小得多。大量實驗表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對變化與其所受的軸向應(yīng)變是成正比的，即k0為常數(shù)，于是可以寫成：(9.8)通常金屬電阻絲的k0=1.74.6。通常金屬電阻絲的k0=1.74.6。(2) 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測量原理應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)l 稱為柵長(標距)，b稱為柵寬(基寬)， bl稱為應(yīng)變片的使用面積。應(yīng)變片的規(guī)格一般以使用面積和電阻值表示，如320mm2，120。結(jié)構(gòu)簡介電阻絲應(yīng)變片是用直徑為0.

30、025mm具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵狀，稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的基底上。電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護作用的覆蓋層。應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片粘貼于被測試件上。彈性體或試件的變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即可測量應(yīng)變。若通過彈性體或試件把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，則可測量上述各量，而做成各種應(yīng)變式傳感器。在設(shè)計中,傳感器是一個十分重要的元件,因此對傳感器的選擇也顯的特別的重要,不僅要注意其量程和參數(shù),還有考慮到與其相配置的各種電路的

31、設(shè)計的難以程度和設(shè)計性價比等等.傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最大偏載及動載等因素綜合評價來確定。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準確度就越高。但在實際使用時，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。傳感器量程的計算公式是在充分考慮到影響秤體的各個因素后，經(jīng)過大量的實驗而確定的。其公式如下：ck0k1k2k3(wmaxw)/n （2.1）c單個傳感器的額定量程；w秤體自重；wmax被稱物體凈重的最大值；n秤體所采

32、用支撐點的數(shù)量；k0保險系數(shù)，一般取值在1.21.3之間；k1沖擊系數(shù)；k2秤體的重心偏移系數(shù)；k3風(fēng)壓系數(shù)。本設(shè)計要求稱重范圍05kg，重量誤差不大于0.01kg，根據(jù)傳感器量程計算公式（2.1）可知：c1.2511.031（201.9）1 (2-1)9.01205為保證電子秤稱量結(jié)果的準確度，克服傳感器在低量程段線性度差的缺點。傳感器的量程應(yīng)根據(jù)皮帶秤的最大流量來選擇。在實際工作中，要求稱重傳感器的有效量程在20%80%之間，線性好，精度高。重量誤差應(yīng)控制在0.01kg，又考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，根據(jù)式2.1的計算結(jié)果，所以我們確定傳感器的額定載荷為7.5k

33、g，允許過載為150%f.s，精度為0.05%，最大量程時誤差0.01kg，可以滿足本系統(tǒng)的精度要求.綜合考慮,本設(shè)計采用sp20c-g501電阻應(yīng)變式傳感器,其最大量程為7.5 kg.稱重傳感器由組合式s型梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計構(gòu)成，具有過載保護裝置。由于惠斯登電橋具諸如抑制溫度變化的影響，抑制干擾，補償方便等優(yōu)點，所以該傳感器測量精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的動、靜態(tài)測量及各種電子秤的一次儀表。該稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，其工作原理如圖2.1所示：圖2.1稱重傳感器原理圖表一 壓力傳感器主要技術(shù)指標準確度等級 accuracy classc3

34、0.02 0.03額定載荷rated loadkg1、2.5、5、7.5、10、15靈敏度 sensitivitymv/v1.80.08非線性 nonlinearity%f.s.0.02滯后 hysteresis0.02重復(fù)性 repeatability0.02蠕變 creep%f.s./30min0.02蠕變恢復(fù) creep recovery零點輸出 zero balance%f.s.1零點溫度系數(shù) zero temperature coefficient%f.s./100.02額定輸出溫度系數(shù)rated output temperature coefficient輸入電阻 input re

35、sistance415445輸出電阻 output resistance349355絕緣電阻 insulation resistancem5000供橋電壓 supply voltagev12（dc/ac）溫度補償范圍 temperature compensation range-10+50允許溫度范圍 safe temperature range-20+60允許過負荷 safe overload%f.s.120極限過負荷 ultimate overload%f.s.200四角誤差 four corner error%f.s.0.03連接電纜connect cablemm3.8300接線方式 m

36、ethod of connecting wire輸入 input（+）: red 輸入 input（-）:white輸出output（+）:green 輸出output（-）:blue屏蔽 shield : yellow其測量原理：用應(yīng)變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。由于內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，輸出信號電壓可由下式給出： （2-2）（2）超聲波傳感器的選擇壓電超聲波傳感器壓電式超聲波傳感器測距原理 ：當電壓作用于雅典陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形；另一

37、方面，當振動作用于雅典陶瓷時，則會產(chǎn)生電荷。利用這一原理，由兩片雅典陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成振動器，稱為雙壓電晶片元件，當向雙壓電晶片元件施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn)生電信號?；谝陨献饔茫憧梢灾v壓電陶瓷用作超聲波傳感器。壓電式超聲波發(fā)生器是利用壓電晶體的諧振來工作的，它由兩個壓電晶片和一個共振板組成。當兩極外家脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為

38、超聲波接收器了。傳感器實際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境，這點對正確使用傳感器至關(guān)重要，它關(guān)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。因此傳感器外圍電路的抗干擾能力是數(shù)據(jù)采集部分電路設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?，由于惠斯登電橋具有很多?yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，又因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵消，所以在本設(shè)計中選用最終方案我們選擇的是上海開沐自動化有

39、限公司生產(chǎn)的ns-th1系列稱重傳感器，額定載荷20kg，該稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。由于傳感器輸出的電壓信號很小，是mv級的電壓信號，因此為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在傳感器外圍電路的設(shè)計過程中，增加了由普通運放設(shè)計的差動放大器增益調(diào)節(jié)電阻rg選用10k 電阻，是為了滿足系統(tǒng)抗干擾的要求而設(shè)計。其電路圖如3.2所示。圖3.2傳感器和其外圍電路圖這是一個電阻應(yīng)變片式稱重傳感器，將電阻應(yīng)變片貼在金屬的彈性體（即力敏感器）上，并連接成一差動全橋電路。電阻應(yīng)變片實心軸沿軸向線應(yīng)變?yōu)椋?（3-1）實心軸沿圓周向線應(yīng)變?yōu)椋?（3-2）金屬材料的電阻相對變化公式為： (3-3)把3-1、3-1代入3-

40、3可以得到其輸出電壓為： (3-4)其中f為壓力（即重物重量）a為受力面積e為彈性材料的彈性模量。如果在電阻的兩側(cè)都加入應(yīng)變片，則其輸出為 (3-5)sp20c-g501的輸出電壓為1-5v相應(yīng)壓力為1-50kpa。供電電流變動會直接影響傳感器的輸出電壓，因此希望電流變動要小。此外，增大或減小驅(qū)動電流可調(diào)整輸出電壓，但電流過小，輸出電壓降低同時抗噪聲能力減弱；電流過大，會使傳感器發(fā)熱等，將對傳感器特性影響加大。因此在電路中使用1ma的驅(qū)動電流。即使用的電流為1ma左右。電路中，采用通用運算放大器lm324，由穩(wěn)態(tài)二極管vs提供2.5v的輸出電壓經(jīng)電阻r2和r3分壓得到基準電壓，作為運放a1輸入

41、電壓，并供給1ma的電流。傳感器的驅(qū)動電流流過基準電阻r4，其上的壓降等于輸入電壓。r13和r14為失調(diào)電壓的溫度補償電阻，阻值選擇500k-1.5m。輸入采用高輸入阻抗的差動輸入方式，再有差動放大器電路進行放大，輸出1-5v的電壓。rp2用于調(diào)整電路輸入的靈敏度，rp1用于失調(diào)電壓的調(diào)整，調(diào)整時，壓力為0kpa時輸出電壓為1v，調(diào)整rp1，當壓力為達到20kg的力時，輸出電壓為5v即可。而有式(3-5)得三運放放大電路的輸出信號與輸入信號的關(guān)系式為： (3-6)通過上式可以看出，放大系數(shù)為 (3-7)代入數(shù)值可以計算出，其放大系數(shù)在70150之間，完全符合設(shè)計要求。有(3-6)可以得到電橋輸

42、入電壓u0與被測重量x成正比，即 （3-8）式中：電橋的電源電壓傳感器系數(shù)（3）放大電路選擇稱重傳感器輸出電壓振幅范圍020mv。而a/d轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求為02v，因此放大環(huán)節(jié)要有100倍左右的增益。對放大環(huán)節(jié)的要求是增益可調(diào)的（70150倍），根據(jù)本設(shè)計的實際情況增益設(shè)為100倍即可，零點和增益的溫度漂移和時間漂移極小。按照輸入電壓20mv，分辨率20000碼的情況，漂移要小于1v。由于其具有極低的失調(diào)電壓的溫漂和時漂（1v），從而保證了放大環(huán)節(jié)對零點漂移的要求。殘余的一點漂移依靠軟件的自動零點跟蹤來徹底解決。穩(wěn)定的增益量可以保證其負反饋回路的穩(wěn)定性，并且最好選用高阻值的電阻和多圈電位器。

43、由2.2.1中稱重傳感器的稱量原理可知，電阻應(yīng)變片組成的傳感器是把機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成r/r，而應(yīng)變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應(yīng)變片電阻值120，靈敏系數(shù) k=2，彈性體在額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000，應(yīng)變電阻相對變化量為：r/r = k= 21000106 =0.002 （2-3）由式2-3可以看出電阻變化只有0.24，其電阻變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變計的r/r變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，但是這個電壓或電流信號很小，需要增加增益放大電路來把這個電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成可以被a/d轉(zhuǎn)換芯片接收的信號。在前級處理電路

44、部分，我們考慮可以采用以下幾種方案：方案一、利用普通低溫漂運算放大器構(gòu)成前級處理電路；普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大器會引入大量噪聲。由于a/d轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此種方案不宜采用。方案二、主要由高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差動放大器，而構(gòu)成的前級處理電路；差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放(如op07)做成一個差動放大器。其設(shè)計電路如圖2-2所示：方案（三）：采用專用儀表放大器，如：ina126，ina121等構(gòu)成前級處理電路。下面舉例用ina128儀用儀表放大器來實現(xiàn)。圖2.2利用普通運放設(shè)計的差動放大器一般說來

45、，集成化儀用放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統(tǒng)的電路設(shè)計中都是把集成化儀器放大器作為前置放大器。然而，絕大多數(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：增益越高，共模抑制比越大。而集成化儀器放大器作為心電前置放大器時，由于極化電壓的存在，前置放大器的增益只能在幾十倍以內(nèi)，這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時的共模抑制比不可能很高。有學(xué)者試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進入飽和狀態(tài)，但由于信號源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴重地損害了放大

46、器的性能。 為了實現(xiàn)信號的放大，設(shè)計電路如下：圖2.3 采用ina128設(shè)計的放大電路1. 前級采用運放a1和a2組成并聯(lián)型差動放大器。理論上不難證明，在運算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大。更值得一提的是，在理論上并聯(lián)型差動放大器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無關(guān)。2 阻容耦合電路放在由并聯(lián)型差動放大器構(gòu)成的前級放大器和由儀器放大器構(gòu)成的后級放大器之間，這樣可為后級儀器放大器提高增益，進而提高電路的共模抑制比提供了條件。同時，由于前置放大器的輸出阻抗很低，同時又采用共模驅(qū)動技術(shù)，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對稱（匹配）導(dǎo)致的共

47、模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生。3. 后級電路采用廉價的儀器放大器，將雙端信號轉(zhuǎn)換為單端信號輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級的儀器放大器可以做到很高的增益，進而得到很高的共模抑制比。從理論上計算整個電路的共模抑制比為： (2-4)式中：cmrtotal或cmrrtotal放大器的總共模抑制比；cmr1第一級放大器的共模抑制比；cmr2或cmrr2第二級放大器的共模抑制比；a1d、a1c、a2d和a2c分別為第一級放大器和第二級放大器的差模增益和共模增益。經(jīng)過實際測量，圖2.4所示的電路采用圖中所給出的參數(shù)時，電路的共模抑制比在120db以上。有以上分析以及基于電子秤的要求精確度不是很高，

48、所以選擇由普通放大器所組成的差動放大器作為本設(shè)計的信號放大電路。1、測量算法a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果d與被測量x存在以下關(guān)系： （3-9）式中：s傳感器及其測量電路的靈敏度（即被測量x轉(zhuǎn)換成電壓u的轉(zhuǎn)換系數(shù)）k放大器的放大倍數(shù)a/d轉(zhuǎn)換器滿量程輸入電壓a/d轉(zhuǎn)換器滿量程輸出數(shù)字而被測量x總是以其測量數(shù)字n和測量單位x1表示 （3-10）將式（3-10）代入（3-9）得 （3-11）由上式可見只要滿足以下條件 （3-12）就可以使a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果d與被測量x的數(shù)值n相等，即d=n，在這種情況下將a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果作為被測量的數(shù)值傳送到顯示器顯示出來。（四）顯示和語音輸出模塊的設(shè)計數(shù)據(jù)顯示是電子秤的一項重要功能，

49、是人機交換的主要組成部分，它可以將測量電路測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過微處理器處理后直觀的顯示出來。數(shù)據(jù)顯示部分可以有以下兩種方案供選擇。的組成有以下兩種方案可供選擇：一是 led數(shù)碼管顯示,二是lcd液晶顯示兩種選擇. lcd液晶顯示器是一種極低功耗顯示器，從電子表到計算器，從袖珍時儀表到便攜式微型計算機以及一些文字處理機都廣泛利用了液晶顯示器。所以我們選擇splc501液晶模組，采用并行方式，占用ioa4-15共12根i/o線。語音輸出我們采用 spce061a 內(nèi)部的 dac1 輸出信號到語音電路。使用 a2000 格式放音。（五）低電壓報警及睡眠喚醒智能儀器一般都具有報警和通訊功能，報警主要用于系統(tǒng)

50、運行出錯、當測量的數(shù)據(jù)超過儀表量程或者是超過用戶設(shè)置的上下限壓為提醒用戶而設(shè)置。在本系統(tǒng)中，設(shè)置報警的目的就是在超出電子秤的最低工作電壓時，發(fā)出報警信號，提示用戶，防止損壞儀器。低電壓報警：它是 61板本身就具有的內(nèi)部功能，當電池電力不足的時候，系統(tǒng)會進行語音報警。我們利用 spce061a 內(nèi)部的 lvd 單元就可以完成低電壓檢測的功能，不需外接其它元器件。睡眠喚醒：61板系統(tǒng)有一個睡眠喚醒鍵，我們把這個鍵接在壓力傳感器上，這樣當有人站在電子秤上，系統(tǒng)就被喚醒了。spce061a 具有觸鍵喚醒的功能。為了節(jié)省能源，讓電池工作得更長久，系統(tǒng)平時都是處于睡眠狀態(tài)。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計程序設(shè)計是一件復(fù)

51、雜的工作，為了把復(fù)雜的工作條理化，就要有相應(yīng)的步驟和方法。其步驟可概括為以下三點： 分析系統(tǒng)控制要求，確定算法：對復(fù)雜的問題進行具體的分析，找出合理的計算方法及適當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而確定編寫程序的步驟。這是能否編制出高質(zhì)量程序的關(guān)鍵。 根據(jù)算法畫流程圖：畫程序框圖可以把算法和解題步驟逐步具體化，以減少出錯的可能性。編寫程序：根據(jù)程序框圖所表示的算法和步驟，選用適當?shù)闹噶钆帕衅饋恚瑯?gòu)成一個有機的整體，即程序。程序數(shù)據(jù)的一種理想方法是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計是對利用到的控制結(jié)構(gòu)類程序做適當?shù)南拗?，特別是限制轉(zhuǎn)向語句(或指令)的使用，從而控制了程序的復(fù)雜性，力求程序的上、下文順序與執(zhí)行流程保

52、持一致性，使程序易讀易理解，減少邏輯錯誤和易于修改、調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)的控制任務(wù)，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由主程序、初始化程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)采集子程序和延時程序等組成。（一）主程序設(shè)計圖4.1 系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)上電后，初始化程序?qū)?ram 的30h5fh內(nèi)存單元清零，p2.6引腳置成低電平，防止誤報警。主程序模塊主要完成編程芯片的初始化及按需要調(diào)用各模塊（子程序），在系統(tǒng)初始化過程中，將系統(tǒng)設(shè)置成5kg量程，并寫5kg量程標志。設(shè)計流程圖如圖4.1所示。（二）子程序設(shè)計系統(tǒng)子程序主要包括a/d轉(zhuǎn)換啟動及數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計、鍵盤輸入控制程序設(shè)計、顯示程序設(shè)計、以及中斷程序設(shè)計等。1、 a/d轉(zhuǎn)換啟

53、動及數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計a/d轉(zhuǎn)換子程序主要是指在系統(tǒng)開始運行時，把稱重傳感器傳遞過來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞到單片機所涉及到的程序設(shè)計。設(shè)計流程圖如圖4-2所示。4.2 a/d轉(zhuǎn)換啟動及數(shù)據(jù)讀取程序流程圖2、數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計在數(shù)制轉(zhuǎn)換前要進行系數(shù)調(diào)整, 在in0輸入的數(shù)最大為5v，要求的質(zhì)量500g對應(yīng)的是4.8v，為十六進制向十進制轉(zhuǎn)換方便，將系數(shù)放大100倍。并用小數(shù)點位置的變化體現(xiàn)這一過程。數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換：在二進制數(shù)制中，每向左移一位表示數(shù)乘二倍。以每四位作為一組對數(shù)分組，當?shù)谒奈幌虻谖逦贿M位時，數(shù)由8變到16，若按十進制數(shù)制規(guī)則讀數(shù)，則丟失6，所以應(yīng)進行加六調(diào)整。da指令可完成這

54、一調(diào)整?？梢姅?shù)制之間的轉(zhuǎn)換可以通過移位的方法實現(xiàn)。其中，移出數(shù)據(jù)的保存可以通過自乘再加進位的方法實現(xiàn)，因為乘二表示左移一位，左移后，低位進一，則需加一。否則，加零。而通過移位已將要移入的尾數(shù)保存在了進位位中，所以能實現(xiàn)。圖4.3 數(shù)據(jù)處理流程圖3、顯示子程序設(shè)計顯示子程序主要是來判斷是否需要顯示,以及如何去顯示,也是十分重要的程序之一。而顯示子程序是其他程序所需要調(diào)用的程序之一，因此，顯示子程序的設(shè)計就顯得舉足輕重，設(shè)計的時候也要十分的小心和賣力。設(shè)計顯示子程序的流程圖如下圖4-4所示：圖4.4顯示子程序流程圖4、鍵盤掃描子程序的設(shè)計如圖3.4.1所示：鍵盤電路設(shè)計成4x4矩陣式，由鍵盤編碼方式可以得出0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,a,b,c,d,e各鍵對應(yīng)的鍵值： 0d8h,0d0h,0d1h,0d2h,0c8h,0c9h,0cah,0c0h,0c1h, 0c2h， 0c3h,0cbh,0d3h,0dbh,0dah,0d9h 。在程序中可以先判斷按鍵編碼，然后根據(jù)編碼將鍵