畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的電子稱(chēng)設(shè)計(jì)1

1、河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文第1章 緒 論1.1引言在我們生活中經(jīng)常都需要測(cè)量物體的重量，于是就用到秤，但是隨著社會(huì)的進(jìn)步、科學(xué)的發(fā)展，我們對(duì)其要求操作方便、易于識(shí)別。隨著計(jì)量技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)純機(jī)械結(jié)構(gòu)的桿秤、臺(tái)秤、磅秤等稱(chēng)量裝置逐步被淘汰，電子稱(chēng)量裝置電子秤、電子天平等以其準(zhǔn)確、快速、方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞。電子秤向提高精度和降低成本方向發(fā)展的趨勢(shì)引起了對(duì)低成本、高性能模擬信號(hào)處理器件需求的增加。通過(guò)分析近年來(lái)電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其

2、功能趨向是稱(chēng)重計(jì)量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性。1.2 選題背景和意義稱(chēng)重技術(shù)自古以來(lái)就被人們所重視，作為一種計(jì)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(gè)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(guó)家法定計(jì)量器具，是國(guó)計(jì)民生、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計(jì)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提高。稱(chēng)重裝置不僅是提供重量數(shù)據(jù)的單體儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和管理的現(xiàn)代化，它起到了縮短作業(yè)時(shí)間、改善操作條件、降低能源和材料

3、的消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及加強(qiáng)企業(yè)管理、改善經(jīng)營(yíng)管理等多方面的作用。稱(chēng)重裝置的應(yīng)用已遍及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。電子秤是稱(chēng)重技術(shù)中的一種新型儀表，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。電子秤與機(jī)械秤比較有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、實(shí)用價(jià)值強(qiáng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，可在各種環(huán)境工作，重量信號(hào)可遠(yuǎn)傳，易于實(shí)現(xiàn)重量顯示數(shù)字化，易于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。例如標(biāo)簽秤在超市中的應(yīng)用已經(jīng)是耳聞目睹的了。一張小小的標(biāo)簽包含著：品名、價(jià)格、重量等，一一列表在這小小的電子標(biāo)簽上。標(biāo)簽機(jī)的使用大大加快了銷(xiāo)售速度，也方便了顧客。頂尖條碼標(biāo)簽稱(chēng)有著許多卓越的特點(diǎn)，以太網(wǎng)功能使管理更加方便。因此

4、，稱(chēng)重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國(guó)都非常重視。50年代中期電子技術(shù)的滲入推動(dòng)了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器以來(lái)，隨著時(shí)代科技的迅猛發(fā)展，微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來(lái)了巨大的沖擊和革命性的影響。經(jīng)過(guò)40多年的不斷改進(jìn)與完善，衡器技術(shù)也在不斷進(jìn)步和提高。從世界水平看，衡器技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)階段，從傳統(tǒng)的全部由機(jī)械元器件組成的機(jī)械稱(chēng)到用電子線路代替部分機(jī)械元器件的機(jī)電結(jié)合秤，再?gòu)募呻娐肥降侥壳暗膯纹瑱C(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電子計(jì)價(jià)秤。我國(guó)電子衡器從最初的機(jī)電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型?，F(xiàn)今電子衡器制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新發(fā)展：電子稱(chēng)重技術(shù)從

5、靜態(tài)稱(chēng)重向動(dòng)態(tài)稱(chēng)重發(fā)展；計(jì)量方法從模擬測(cè)量向數(shù)字測(cè)量發(fā)展；測(cè)量特點(diǎn)從單參數(shù)測(cè)量向多參數(shù)測(cè)量發(fā)展。常規(guī)的測(cè)試儀器儀表和控制裝置被更先進(jìn)的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在遠(yuǎn)離、功能、精度及自動(dòng)化水平定方面發(fā)生了巨大變化，并相應(yīng)的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)，使得科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用工程的自動(dòng)化程度得以顯著提高。1.3 國(guó)內(nèi)外電子稱(chēng)發(fā)展及成果隨著第二次世界大戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)繁榮，為了把稱(chēng)重技術(shù)引入到生產(chǎn)工藝過(guò)程中去，對(duì)稱(chēng)重技術(shù)提出了心動(dòng)要求，希望稱(chēng)重過(guò)程自動(dòng)化，為此電子技術(shù)滲入衡器制造業(yè)。在1954年使用了帶新式打印機(jī)的傾斜式秤，其輸出信號(hào)能控制商用結(jié)算器，并且用電磁鐵機(jī)構(gòu)與人工操作的按鍵與辦公機(jī)器

6、聯(lián)用。在1960年開(kāi)發(fā)出了與衡器相聯(lián)的專(zhuān)門(mén)稱(chēng)重值打印機(jī)。當(dāng)時(shí)帶電子裝置的衡器其稱(chēng)量工作是機(jī)械式的，但與稱(chēng)量有關(guān)的顯示、記錄、遠(yuǎn)傳式控制器等功能是電子方式的。電子稱(chēng)的發(fā)展過(guò)程與其他事物一樣，也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、又粗糙到精密、由機(jī)械到機(jī)電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過(guò)程。特別是近30年以來(lái)，工藝流程中的現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)重、配料定量稱(chēng)重、以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測(cè)等工作，都離不開(kāi)能輸出信號(hào)的電子衡器。這是由于電子衡器不僅給出質(zhì)量或重量信號(hào)，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個(gè)單元承擔(dān)著控制和檢驗(yàn)功能，從而推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動(dòng)化和合理化。近年來(lái)電子稱(chēng)已愈來(lái)愈多地參與到數(shù)據(jù)的處理和控制過(guò)程中?，F(xiàn)代稱(chēng)重技術(shù)和數(shù)據(jù)

7、系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝技術(shù)、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)及商業(yè)銷(xiāo)售領(lǐng)域中不可或缺的組成部分。隨著稱(chēng)重傳感器各項(xiàng)性能的不斷突破，為電子稱(chēng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，國(guó)外如美國(guó)、西歐等一些國(guó)家在20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)了0.1%稱(chēng)量準(zhǔn)確度的電子稱(chēng)，并在70年代中期約對(duì)75%的機(jī)械稱(chēng)進(jìn)行了機(jī)電結(jié)合式改造。我國(guó)的衡器在20世紀(jì)40年代以前還全是機(jī)械式的，40年代開(kāi)始發(fā)展了機(jī)電結(jié)合式的衡器。50年代開(kāi)始出現(xiàn)了以稱(chēng)重傳感器為主的電子衡器。80年代以來(lái)，我國(guó)通過(guò)自行研究引進(jìn)消化吸收和技術(shù)改造。已由傳統(tǒng)的機(jī)械式衡器步入集傳感器、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與一體化的電子衡器發(fā)展階段。目前，由于電子衡器具有稱(chēng)量快、讀數(shù)方便、能在惡劣

8、條件下工作、便于與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重技術(shù)和過(guò)程控制的自動(dòng)化特點(diǎn)，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(gè)部門(mén)、隨著稱(chēng)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(jìn)一步發(fā)展，電子稱(chēng)重技術(shù)及其應(yīng)用范圍將更進(jìn)一步的發(fā)展，并被人們?cè)絹?lái)越重視。電子衡器產(chǎn)品量大面廣、種類(lèi)繁多，從通用的各種規(guī)格的電子稱(chēng)到大型的電子稱(chēng)重系統(tǒng)，從單純的稱(chēng)重、計(jì)價(jià)到生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)測(cè)量控制單元，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地?cái)U(kuò)大。根據(jù)近些年來(lái)電子稱(chēng)重技術(shù)和電子衡器的發(fā)展情況及電子衡器市場(chǎng)的需求，電子稱(chēng)的發(fā)展動(dòng)向?yàn)椋盒⌒突?、模塊化、智能化、集成化；其技術(shù)性能趨向于速率高、準(zhǔn)確度高、可靠性高；其應(yīng)用性趨向綜合性、組

9、合性。1.4 本論文的研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排首先是通過(guò)壓力傳感器采集到被測(cè)物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。輸出電壓信號(hào)通常很小，需要通過(guò)前端信號(hào)處理電路進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大。放大后的模擬電壓信號(hào)經(jīng)v/f轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量被送入到主控電路的單片機(jī)中，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制譯碼顯示器，從而顯示出被測(cè)物體的重量。按照設(shè)計(jì)的基本要求，系統(tǒng)可分為三大模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊、人機(jī)交互界面模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、信號(hào)的前級(jí)處理和v/f轉(zhuǎn)換部分組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送給控制器處理，由控制器完成對(duì)該數(shù)字量的處理，驅(qū)動(dòng)顯示模塊完成人機(jī)間的信息交換。此部分對(duì)軟件的設(shè)計(jì)要求比較高，系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件

10、來(lái)控制。在擴(kuò)展功能上，本設(shè)計(jì)增加了一個(gè)過(guò)載報(bào)警提示。本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第1章緒論，簡(jiǎn)單介紹了本課題電子稱(chēng)的研究背景、研究目的、意義及國(guó)內(nèi)外的研究狀況。第2章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，本章主要內(nèi)容是電子稱(chēng)的方案設(shè)計(jì)，首先是對(duì)整體的方案進(jìn)行選擇與設(shè)計(jì)，再針對(duì)各個(gè)模塊（傳感器、放大模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、人機(jī)交界模塊）進(jìn)行具體的方案論證及設(shè)計(jì)。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，在選定各個(gè)模塊的方案中，對(duì)各方案的用到的主要芯片進(jìn)行簡(jiǎn)單功能介紹及應(yīng)用，并且給出了本次電路設(shè)計(jì)的具體電路圖。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，本章主要是介紹電子稱(chēng)的軟件設(shè)計(jì)，給出了本次設(shè)計(jì)的主程序流程圖及一些模塊的子程序圖。最后，對(duì)本次的研究課題的主要工作及

11、結(jié)果做出了總結(jié)與討論，并且指出了本次研究工作中存在的不足和發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題。 第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案比較與論證在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)設(shè)計(jì)電子秤的方案有以下幾種：方案一 數(shù)碼管顯示：返回結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.1所示。數(shù)據(jù)采集數(shù)碼顯示單片機(jī)圖2.1 數(shù)碼管顯示方案圖2.1 數(shù)碼顯示結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖此方案利用數(shù)碼管顯示物體重量，簡(jiǎn)單可行，可以采用內(nèi)部帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)。由此設(shè)計(jì)出的電子秤系統(tǒng)，硬件部分簡(jiǎn)單，接口電路易于實(shí)現(xiàn)，并且在編程時(shí)大大減少程序量，在電路結(jié)構(gòu)上只有簡(jiǎn)單的輸出輸入關(guān)系。缺點(diǎn)是：硬件部分簡(jiǎn)單，雖然可以實(shí)現(xiàn)電子稱(chēng)基本的稱(chēng)重功能，但是不能實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，無(wú)

12、法根據(jù)實(shí)際情況靈活地設(shè)定各種控制參數(shù)。由于數(shù)碼管只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)字和英文字符的顯示，不能顯示漢字以及其他的復(fù)雜字符，不能達(dá)到顯示購(gòu)物清單的要求。又因?yàn)椴捎昧司哂心?shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)，系統(tǒng)電路過(guò)于簡(jiǎn)單，系統(tǒng)硬件的擴(kuò)展必受到限制，電子秤的功能過(guò)于單一，達(dá)不到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。方案二 在前一種方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，增加一鍵盤(pán)輸入裝置，增加外界對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)設(shè)定，使電子稱(chēng)實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重計(jì)價(jià)的功能。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.2所示。數(shù)碼管顯示鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)采集單片機(jī)圖2.2 帶有鍵盤(pán)輸入的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖此方案設(shè)計(jì)的電子秤，可以實(shí)現(xiàn)稱(chēng)物計(jì)價(jià)功能，但是局限于數(shù)碼管的功能，在顯示時(shí)只能顯示單價(jià)、購(gòu)物總額以及簡(jiǎn)單的貨物代碼等。在顯示重量

13、時(shí)，如果數(shù)碼管沒(méi)有足夠的位數(shù)，那么稱(chēng)量物體重量的精度必受到限制，所以此方案需要較多的數(shù)碼管接入電路中。這樣在處理輸入輸出接口時(shí)需要另行擴(kuò)展足夠多的i/o接口供數(shù)碼管使用，比較麻煩。方案三 前端信號(hào)處理時(shí)，選用放大、信號(hào)轉(zhuǎn)換等措施，尤其在顯示方面采用具有字符圖文顯示功能的lcd顯示器。這種方案不僅加強(qiáng)了人機(jī)交換的能力，而且滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以顯示購(gòu)物清單、所稱(chēng)量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容。鍵盤(pán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.3所示。lcd顯示單片機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)放大壓力傳感器圖2.3 lcd顯示的方案目前單片機(jī)技術(shù)比較成熟，功能也比較強(qiáng)大，被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后送入單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系

14、譯碼顯示出被測(cè)物體的重量。單片機(jī)控制適合于功能比較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng),而且其具有成本低,功耗低,體積小算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng),技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是外圍電路比較復(fù)雜,編程復(fù)雜。使用這種方案會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的難度。方案四 采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fpga)為控制核心采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fpga)為控制核心，利用eda軟件編程，下載燒制實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)集成于一片xilinx公司的spartan系列xc2s100e芯片上，體積大大減小、邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路。采用fpga測(cè)頻測(cè)量精度高，測(cè)量頻率范圍大，而且編程靈活、調(diào)試方便，設(shè)計(jì)要求的精度較高，所以要求系

15、統(tǒng)的穩(wěn)定性要好，抗干擾能力要強(qiáng)。從下圖中可以看到系統(tǒng)的基本工作流程和各單元電路所用到的核心器件。其中控制器采用xilinx公司可編程器件fpga為核心，基于ise軟件平臺(tái)，采用vhdl編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、led和lcd驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘芯片的i2c通訊、鍵盤(pán)控制等模塊。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.4所示。圖2.4 電子稱(chēng)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖fpga的邏輯容量密度大，集成度高，可大大減少印刷電路板的空間，減低系統(tǒng)功耗，同時(shí)還可以提高設(shè)計(jì)的工藝性和產(chǎn)品的可靠性。雖然以fpga為核心的電子稱(chēng)系統(tǒng)很優(yōu)化，但只有在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中其高集成度才能更好得以體現(xiàn)。其主要在pc機(jī)接口卡的總線接口、程控交換機(jī)的信號(hào)處理與接口、雷

16、達(dá)聲納系統(tǒng)的成像控制與數(shù)字處理、數(shù)控機(jī)床的測(cè)試系統(tǒng)等方面有廣泛應(yīng)用。鑒于本電子稱(chēng)的設(shè)計(jì)并不太復(fù)雜，單片機(jī)完全能實(shí)現(xiàn)所需功能，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)，采用了第三種設(shè)計(jì)方案。2.2 硬件的方案設(shè)計(jì)與論證2.2.1 傳感器傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換部分指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵隽哭D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分?，F(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代，在信息時(shí)代人們的社會(huì)活動(dòng)將主要依靠對(duì)信息資源的開(kāi)發(fā)和獲取、傳輸和處理，而傳感器處于自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首，是感知獲

17、取與檢測(cè)信息的窗口；傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息，都要通過(guò)它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號(hào)。因此，傳感器的地位與作用特別重要。傳感器的作用是人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺(jué)器官。而單靠人們自身的感覺(jué)器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說(shuō)，傳感器是人類(lèi)五官的延長(zhǎng)，又稱(chēng)之為電五官。 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代

18、化項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。 傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫(huà)出的特性曲線來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。傳感器動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定

19、的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)表示。方案一 壓電傳感器壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱(chēng)自發(fā)電式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應(yīng)的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。壓電傳感器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，適用于動(dòng)態(tài)力學(xué)量的測(cè)量，不適合測(cè)頻率太低的被測(cè)量，更不能測(cè)靜態(tài)量。目前多用于加速度和動(dòng)態(tài)力或壓力的測(cè)量。壓電器件的弱點(diǎn)：高內(nèi)阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對(duì)外接電路要求很高。方案二 電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電

20、容變化的一種傳感器。它有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。電容傳感器可用來(lái)檢測(cè)壓力、力、位移以及振動(dòng)學(xué)非電參量。電容傳感器的基本工作原理可用最普通的平行極板電容器來(lái)說(shuō)明。兩塊相互平行的金屬極板，當(dāng)不考慮其邊緣效應(yīng)（兩個(gè)極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時(shí)，其電容量為 （2.1） 式（2.1）中兩極板間的距離； a兩平行極板相互覆蓋的有效面積；介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；真空中介電常數(shù)。若被測(cè)量的變化使式中、a、三個(gè)參量中任一個(gè)發(fā)生變化，都會(huì)引起電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。 雖然電容式傳感器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和良好動(dòng)態(tài)特性等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有不利因

21、素：（1）小功率、高阻抗。受幾何尺寸限制，電容傳感器的電容量都很小，一般僅幾皮法至幾十皮法。因c太小，故容抗=1/c很大，為高阻抗元件，負(fù)載能力差；又因其視在功率p=c ，c很小，則p也很小。故易受外界干擾，信號(hào)需經(jīng)放大，并采取抗干擾措施。（2）初始電容小，電纜電容、線路的雜散電路所構(gòu)成的寄生電容影響很大。方案三 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片即可單獨(dú)作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化

22、的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為r/r后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小，難以直接精確測(cè)量，且不便處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的r/r變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測(cè)量電橋。直流電橋的特點(diǎn)是信號(hào)不會(huì)受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號(hào)小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。直流供電的平衡電阻電橋，接直流電源e如圖2.5所示。圖2.5 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖當(dāng)電橋輸出端接無(wú)窮大負(fù)載電阻時(shí)，可視輸出端為開(kāi)路，此時(shí)直流電橋稱(chēng)為電壓橋，即只有電壓輸出。當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時(shí)，由分壓原理有：（2.2） 當(dāng)滿(mǎn)足條件r1r3=r2r4時(shí)

23、，即 （2.3）=0，即電橋平衡。式（2.3）稱(chēng)平衡條件。應(yīng)變片測(cè)量電橋在測(cè)量前使電橋平衡，從而使測(cè)量時(shí)電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。若差動(dòng)工作，即r1=r-r,r2=r+r,r3=r-r，r4=r+r,按式（2.2），則電橋輸出為 （2.4） 應(yīng)變片式傳感器有如下特點(diǎn)：（1）應(yīng)用和測(cè)量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感器。（2）分辨力和靈敏度高，精度較高。（3）結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)試件影響小， 對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。（4）商品化，使用方便，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測(cè)量。 通過(guò)以上對(duì)傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。題目要求

24、稱(chēng)重范圍05kg,滿(mǎn)量程量誤差不大于0.005kg，考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱(chēng)重5kg。我們選擇的是電阻應(yīng)變片壓力傳感器，量程為5kg，精度為0.01% ，滿(mǎn)足本系統(tǒng)的精度要求。2.2.2 前級(jí)放大器部分經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號(hào)一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號(hào)亦難以直接用來(lái)顯示、記錄、控制或進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。為此，測(cè)量電路中常設(shè)有模擬放大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運(yùn)算放大器的基本元件構(gòu)成具有各種特性的放大器來(lái)完成。放大器的輸入信號(hào)一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號(hào)不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此

25、，一般對(duì)放大器有如下一些要求：1、輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)使所測(cè)電壓造成偏差。2、抗共模電壓干擾能力強(qiáng)。3、在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準(zhǔn)確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。4、能附加一些適應(yīng)特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調(diào)整、方便準(zhǔn)確的量程切換、極性自動(dòng)變換等。我們考慮了以下幾種方案：方案一 由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器。差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放(如op07)做成一個(gè)差動(dòng)放大器，如圖2.6所示。 圖2.6 利用普通運(yùn)放構(gòu)成的放大器電阻r1、r2和電容c1、c2、c

26、3、c4用于濾除前級(jí)的噪聲，c1、c2為普通小電容，可以濾除高頻干擾，c3、c4為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。優(yōu)點(diǎn)：輸入級(jí)加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級(jí)為差動(dòng)放大電路，滑動(dòng)變阻器r6可以調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)，最后一級(jí)可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿(mǎn)足滿(mǎn)量程要求。輸出級(jí)為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合應(yīng)用要求。缺點(diǎn)：此電路要求r3、r4相等，誤差將會(huì)影響輸出精度，難度較大。實(shí)際測(cè)量，每一級(jí)運(yùn)放都會(huì)引入較大噪聲，對(duì)精度影響較大。方案二 采用專(zhuān)用儀表放大器，如：ad620，ina126等。此類(lèi)芯片內(nèi)部采用差動(dòng)輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡(jiǎn)單。

27、以ina126為例,接口如圖2.7所示。圖2.7 ina126儀表放大結(jié)構(gòu)圖放大器增益，通過(guò)改變r(jià)g的大小來(lái)改變放大器的增益。ina126 具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點(diǎn)。其最大輸入偏置電流為20na，這一參數(shù)反映了它的高輸入阻抗。ina126在外接電阻rg時(shí)，可實(shí)現(xiàn)11000范圍內(nèi)的任意增益；工作電源范圍為2.318v；最大電源電流為1.3ma；最大輸入失調(diào)電壓為125v；頻帶寬度為120khz（在g=100時(shí)）。基于以上分析，我決定采用制作方便而且精度很好的專(zhuān)用儀表放大器ina126。2.2.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換方案一 采用a/d轉(zhuǎn)換（一）a/d轉(zhuǎn)換原理：1、逐次逼近法逐

28、次逼近式a/d是比較常見(jiàn)的一種a/d轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級(jí)。采用逐次逼近法的a/d轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、d/a轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成?；驹硎菑母呶坏降臀恢鹞辉囂奖容^，好像用天平稱(chēng)物體，從重到輕逐級(jí)增減砝碼進(jìn)行試探。逐次逼近法轉(zhuǎn)換過(guò)程是：初始化時(shí)將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入d/a轉(zhuǎn)換器，經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱(chēng)為 o，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量i進(jìn)行比較，若oi，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送d/a轉(zhuǎn)換器，輸出的 o再與i比較，若oi，該位1被保留，否則被清除

29、。重復(fù)此過(guò)程，直至逼近寄存器最低位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。逐次逼近的操作過(guò)程是在一個(gè)控制電路的控制下進(jìn)行的。2、雙積分法采用雙積分法的a/d轉(zhuǎn)換器由電子開(kāi)關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成?；驹硎菍⑤斎腚妷鹤儞Q成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，再把此時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。雙積分法a/d轉(zhuǎn)換的過(guò)程是：先將開(kāi)關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量i，i采樣輸入到積分器，積分器從零開(kāi)始進(jìn)行固定時(shí)間的正向積分，時(shí)間到后，開(kāi)關(guān)再接通與i極性相反的基準(zhǔn)電壓f，將f輸入到積分器，進(jìn)行反向積分，直到輸出為0v時(shí)停止積分。i越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時(shí)間

30、也越長(zhǎng)。計(jì)數(shù)器在反向積分時(shí)間內(nèi)所計(jì)的數(shù)值，就是輸入模擬電壓i所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了a/d轉(zhuǎn)換。（二）a/d轉(zhuǎn)換器選用的原則：1、a/d 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。a/d 轉(zhuǎn)換器決定分辨率的高低。在系統(tǒng)中，a/d 轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)比系統(tǒng)允許引用誤差高一倍以上。2、a/d 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。不同類(lèi)型的a/d 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率大不相同。積分型的轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾豪秒到幾十毫秒，只能構(gòu)成低速a/d 轉(zhuǎn)換器，一般用于壓力、溫度及流量等緩慢變化的參數(shù)測(cè)試。逐次逼近型屬于中速a/d 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為納秒級(jí)，用于個(gè)通道過(guò)程控制和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。3、是否加采樣/保持器。4、a/d 轉(zhuǎn)換器的有關(guān)量程引腳。有的a/d

31、 轉(zhuǎn)換器提供兩個(gè)輸入引腳，不同量程范圍內(nèi)的模擬量可從不同引腳輸入。5、a/d 轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束。一般a/d 轉(zhuǎn)換器可由外部控制信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，這一啟動(dòng)信號(hào)可由cpu提供。轉(zhuǎn)換結(jié)束后a/d 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)觸發(fā)器置位，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志電平。通知微處理器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。6、a/d 轉(zhuǎn)換器的晶閘管現(xiàn)象。其現(xiàn)象是在正常使用時(shí)，a/d 轉(zhuǎn)換器芯片電流驟增，時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)燒壞芯片。為防止這種現(xiàn)象，可采取如下措施：（1）加強(qiáng)抗干擾措施，盡量避免較大的干擾電流進(jìn)入電路；（2）加強(qiáng)電源穩(wěn)壓濾波措施， 在a/d 轉(zhuǎn)換器電源入口處加退耦濾波電路，為防止窄脈沖波竄入在電解電容上再接一高頻濾波電容；（3）在

32、a/d 轉(zhuǎn)換器的電源端接一限流電阻，可在出現(xiàn)晶閘管現(xiàn)象時(shí)，有效地把電流限定在允許范圍內(nèi)，以防止燒壞器件。選擇a/d 轉(zhuǎn)換器除考慮上述要點(diǎn)外，為防止對(duì)a/d 轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)的影響，還要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）工作電源電壓是否穩(wěn)定；（2）外接時(shí)鐘信號(hào)的頻率是否合適；（3）工作環(huán)境溫度是否符合器件要求；（4）與其它器件是否匹配；（5）外接是否有強(qiáng)的電磁干擾；（6）印刷線路板布線是否合理。由上面對(duì)傳感器量程和精度的分析可知：a/d轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在3g以下。12位a/d精度：10kg/4096=2.44g；14位a/d精度：10kg/16384=0.61g；考慮到其他部分所帶來(lái)的干擾，12位a/d轉(zhuǎn)換器

33、無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)精度要求。所以我們需要選擇14位或者精度更高的a/d轉(zhuǎn)換器。方案二 采用v/f轉(zhuǎn)換v-f控制的原理是產(chǎn)生一個(gè)震蕩頻率的電路叫做壓控震蕩器，是一個(gè)壓敏電容，當(dāng)受到一個(gè)變化的電壓時(shí)候它的容量會(huì)變化，變化的電容引起震蕩頻率的變化，產(chǎn)生變頻。列如lm331 lm331是性能價(jià)格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、a/d轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長(zhǎng)時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。lm331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0v電源電壓下都有極高的精度。lm331的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100db；線性度好，最大非線性失真小于0.01，工作頻率低到0.1hz時(shí)尚有較好的

34、線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成v/f或f/v等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。由輸入比較器、定時(shí)比較器、rs觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)管、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開(kāi)關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成。輸出驅(qū)動(dòng)管采用集電極開(kāi)路形式，因而可以通過(guò)選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配ttl、dtl和cmos等不同的邏輯電路。lm331可采用雙電源或單電源供電，可工作在4.040v之間，輸出可高達(dá)40v，而且可以防止vcc短路。當(dāng)前，12位以上的a/d轉(zhuǎn)換器的價(jià)格仍較昂貴，用v/f變換器來(lái)代替a/d轉(zhuǎn)換器，在要求速度不太高

35、的場(chǎng)合是一種較好的選擇。從傳感器來(lái)的毫伏級(jí)的電壓信號(hào)經(jīng)低溫漂運(yùn)算放大器ina126放大到010v后加到v/f變換器lm331的輸入端，從頻率輸出端f0輸出的頻率信號(hào)加到單片機(jī)的輸入端t1上。根據(jù)分辨率的要求利用軟件處理，最后得到a/d轉(zhuǎn)換的結(jié)果。所以我決定采用lm331芯片v/f轉(zhuǎn)換作為信號(hào)轉(zhuǎn)換的方案。2.2.4 控制單片機(jī)的選型選擇單片機(jī)型號(hào)的出發(fā)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：1、市場(chǎng)貨源系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只能在市場(chǎng)上能夠提供的單片機(jī)中選擇，特別是作為產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)，所選的單片機(jī)型號(hào)必須有穩(wěn)定、充足的貨源。2、單片機(jī)性能應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和各種單片機(jī)的性能，選擇最容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的型號(hào)，而且能達(dá)

36、到較高的性能價(jià)格比。單片機(jī)性能包括片內(nèi)硬件資源、運(yùn)行速度、可靠性、指令系統(tǒng)功能、體積和封裝形式等方面。影響性能價(jià)格比的因素除單片機(jī)的性能價(jià)格外，還包括硬件和軟件設(shè)計(jì)的容易程度、相應(yīng)的工作量大小，以及開(kāi)發(fā)工具的性能價(jià)格比。3、研制周期在研制任務(wù)重、時(shí)間緊的情況下，還要考慮所選的單片機(jī)型號(hào)是否熟悉，是否能馬上著手進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與研制周期有關(guān)的另一個(gè)重要因素是開(kāi)發(fā)工具，性能優(yōu)良的開(kāi)發(fā)工具能加快系統(tǒng)地研制進(jìn)程。在眾多的51系列單片機(jī)中，要算 atmel 公司的at89c51、at89s51更實(shí)用，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4k程序存儲(chǔ)器是flash工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶(hù)

37、可以用電的方式瞬間擦除、改寫(xiě)，一般專(zhuān)為 atmel at89xx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見(jiàn)，這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了你的勞動(dòng)成果。再著，at89c51、at89s51目前的售價(jià)比8031還低，市場(chǎng)供應(yīng)也很充足。8051系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是各種邏輯單元及其之間的互連構(gòu)成的。其主要由中央處理器（cpu）、程序存儲(chǔ)器（rom）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram）、串行接口、并行i/0接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線組成。at89c51是一種帶4k字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（fper

38、omflash programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos 8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。at89c單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。at89c51單片機(jī)特點(diǎn)能

39、與mcs-51 兼容，有 4k字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器，壽命能夠達(dá)到1000寫(xiě)/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)可以保留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10年，全靜態(tài)工作：0hz-24mhz，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定，1288位內(nèi)部ram，32可編程i/o線，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。所以at89c51符合本次設(shè)計(jì)的主控芯片。2.2.5 顯示模塊方案一 led顯示 led就是light emitting diode ，發(fā)光二極管的英文縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)led。它是一種通過(guò)控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來(lái)顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)、行情、視頻、錄像信號(hào)等各種信息的顯示屏幕。led

40、顯示器結(jié)構(gòu)：基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七個(gè)條狀發(fā)光二極管芯片排列而成的?？蓪?shí)現(xiàn)09的顯示。其具體結(jié)構(gòu)有“反射罩式”、“條形七段式”及“單片集成式多位數(shù)字式”等led顯示器與顯示方式:led顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。通常使用的是七段led。這種顯示塊有共陰極與共陽(yáng)極兩種。共陰極led顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；共陽(yáng)極led顯示塊的發(fā)光二極管陽(yáng)極并接。在設(shè)計(jì)中使用led顯示塊構(gòu)成n位led顯示器。n位led顯示器有n根位選線和8*n根段選線。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮、暗。le

41、d顯示器有靜態(tài)顯示與動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。我們使用的為動(dòng)態(tài)顯示方式。在多位led顯示時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位i/o口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽(yáng)極點(diǎn)分別由響應(yīng)的i/o口線控制。其中兩片74ls244分別用于段信號(hào)和位信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，74ls273用于段信號(hào)的鎖存，其鎖存地址為7fffh。如圖2.8所示。 圖2.8 led數(shù)碼管顯示方式方案二 lcd顯示lcd 液晶顯示器是 liquid crystal display 的簡(jiǎn)稱(chēng)，lcd 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過(guò)通電與否來(lái)控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射

42、出來(lái)產(chǎn)生畫(huà)面。比led要好的多，但是價(jià)錢(qián)較其貴。在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過(guò)器件，如在計(jì)算器、萬(wàn)用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專(zhuān)用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、led數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和led數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡(jiǎn)單，在前面章節(jié)已經(jīng)介紹過(guò)，在此不作介紹，本章重點(diǎn)介紹字符型液晶顯示器的應(yīng)用。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（c

43、rt）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫(huà)質(zhì)高且不會(huì)閃爍。（2）數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。（3）體積小、重量輕：液晶顯示器通過(guò)顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來(lái)達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。（4）功耗低：相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)ic上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、

44、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、pda移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。液晶顯示器各種圖形的顯示原理（1）線段的顯示：點(diǎn)陣圖形式液晶由mn個(gè)顯示單元組成，假設(shè)lcd顯示屏有64行，每行有128列，每8列對(duì)應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共168=128個(gè)點(diǎn)組成，屏上6416個(gè)顯示單元與顯示ram區(qū)1024字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由ram區(qū)的000h00fh的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（000h）=ffh時(shí)，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長(zhǎng)度為8個(gè)點(diǎn)；當(dāng)（3ffh）=ffh時(shí)，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)（000h）=ffh，（001h）=00h，（002h）=00h，（

45、00eh）=00h，（00fh）=00h時(shí)，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是lcd顯示的基本原理。（2）字符的顯示：用lcd顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由68或88點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對(duì)應(yīng)的顯示ram區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點(diǎn)亮，為“0”的不亮。這樣一來(lái)就組成某個(gè)字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來(lái)說(shuō)，顯示字符就比較簡(jiǎn)單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在lcd上開(kāi)始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)找出顯示ram對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對(duì)應(yīng)的代碼即可。（3）漢字的顯示：漢字的顯示一般采用圖

46、形的方式，事先從微機(jī)中提取要顯示的漢字的點(diǎn)陣碼（一般用字模提取軟件），每個(gè)漢字占32b，分左右兩半，各占16b，左邊為1、3、5右邊為2、4、6根據(jù)在lcd上開(kāi)始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)可找出顯示ram對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加1，送第二個(gè)字節(jié)，換行按列對(duì)齊，送第三個(gè)字節(jié)直到32b顯示完就可以lcd上得到一個(gè)完整漢字。1602字符型lcd簡(jiǎn)介字符型液晶顯示模塊是一種專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式lcd，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。我們以1602lcd字符型液晶顯示器為例。1602lcd分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分

47、為hd44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無(wú)差別，1602lcd主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量:162個(gè)字符，芯片工作電壓:4.55.5v，工作電流:2.0ma(5.0v)，模塊最佳工作電壓:5.0v，字符尺寸:2.954.35(wh)mm。由于本次設(shè)計(jì)的顯示模塊需要顯示多位數(shù)字，如果采用數(shù)碼管顯示的話(huà)將會(huì)占用多個(gè)單片機(jī)i/o口,使得電路變得更為復(fù)雜。所以選用液晶顯示，1602lcd符合基本條件，能夠采用。2.2.6 鍵盤(pán)輸入鍵盤(pán)輸入是人機(jī)交互界面中重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶(hù)指令的直接途徑。操作者通過(guò)鍵盤(pán)向系統(tǒng)發(fā)送各種指令或置入必要的數(shù)據(jù)信息。因此鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系

48、到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。鍵盤(pán)是由若干個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)組成，鍵的多少根據(jù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的用途而定。鍵盤(pán)由許多鍵組成，每一個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，當(dāng)鍵按下時(shí)，觸點(diǎn)閉合，當(dāng)鍵松開(kāi)時(shí)，觸點(diǎn)斷開(kāi)。單片機(jī)接收到按鍵的觸點(diǎn)信號(hào)后作相應(yīng)的功能處理。因此，相對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)鍵盤(pán)接口信號(hào)是輸入信號(hào)。方案一 專(zhuān)用芯片式設(shè)計(jì)專(zhuān)用鍵盤(pán)處理芯片一般功能比較完善，芯片本身能完成對(duì)按鍵的編碼、掃描、消抖和重鍵等問(wèn)題的處理，甚至還集成了顯示接口功能。列如intel8279是一種為8位微處理器設(shè)計(jì)的比較成熟的通用鍵盤(pán)/顯示器接口芯片，其功能有：接收來(lái)自鍵盤(pán)的輸入數(shù)據(jù)，并作預(yù)處理；數(shù)據(jù)顯示的管理和數(shù)據(jù)顯示器的控制。專(zhuān)用鍵盤(pán)處理芯片

49、的優(yōu)點(diǎn)很明顯，可靠性高，口簡(jiǎn)單，使用方便，適合處理按鍵較多的情況。但在很多應(yīng)用場(chǎng)合，考慮成本因素，可能并不是最佳選擇。 方案二 矩陣式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)矩陣式鍵盤(pán)又叫行列式鍵盤(pán)。用i/o口線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。例如，用22的行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成4個(gè)鍵的鍵盤(pán)，44行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成16個(gè)鍵的鍵盤(pán)。因此，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，可以節(jié)省i/o口線。相對(duì)于專(zhuān)用芯片式可以節(jié)省成本，且更為靈活。缺點(diǎn)就是需要用軟件處理消抖、重鍵等問(wèn)題?？紤]到成本方面，我決定采用矩陣鍵盤(pán)。如圖2.9所示。 圖2.9 44矩陣鍵盤(pán)2.2.7 電源模塊系統(tǒng)需要多種電源，單片機(jī)需要5v電源，運(yùn)放需要5v，v/f轉(zhuǎn)換器需要12v，傳感器

50、需要5v以上的線性電源。穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓uo、輸出電流io、輸出紋波電壓uop-p等性能指標(biāo)要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來(lái)衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)、輸出電阻、溫度系數(shù)及紋波電壓等。此次設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分組成，如圖2.10所示。穩(wěn)壓電路濾波電路整流電路電源變壓器220v 圖2.10 穩(wěn)壓電源組成圖 方案一 采用l

51、m317、lm337共地可調(diào)式三端穩(wěn)壓器電源lm317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器電源能夠連續(xù)輸出可調(diào)的直流電壓，不過(guò)它只能允許可調(diào)的正電壓，穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過(guò)流，過(guò)熱保護(hù)電路；由一個(gè)電阻（r）和一個(gè)可變電位器(rp)組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路，輸出電壓為：vo=1.25(1+rp/r)。lm337輸出為負(fù)的可調(diào)電壓，采用兩個(gè)獨(dú)立的變壓器分別和lm317及l(fā)m337組裝，操作比較簡(jiǎn)單。電路圖如圖2.11所示。 圖2.11 lm317與lm337組裝電路 方案二 采用7805,7905，7812和7912組成穩(wěn)壓電路，7805，7905固定式三端穩(wěn)壓器可輸出5v,固定式三端可調(diào)穩(wěn)壓器7812和7812組裝電路可對(duì)稱(chēng)

52、輸出12v。方案一的電路由三端可調(diào)式穩(wěn)壓器lm317和lm337組裝而成,可輸出范圍為1.25 -12連續(xù)可調(diào),通過(guò)對(duì)滑動(dòng)變阻器的調(diào)整可輸出+5v,12,(3-9)v連續(xù)可調(diào).其電路組裝比較簡(jiǎn)單,但輸出所需電壓時(shí)需要調(diào)整可變電阻,不能直接輸出,因此使用時(shí)不方便.方案二由三端可調(diào)式穩(wěn)壓器和三端固定式穩(wěn)壓器共同組成,所用器件比方案一多,但電路組裝簡(jiǎn)單,不會(huì)增添麻煩,在方案二中可直接得到+5v和12的輸出電壓.使用時(shí)比較方便,綜上所述,方案二比方案一合理,因此選擇方案二。2.3 具體實(shí)施方案簡(jiǎn)介根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，硬件部分采用51系列單片機(jī)at89c51為控制核心部件，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。at8

53、9c51是一款8位的內(nèi)帶4k程序存儲(chǔ)器的微控制器，考慮到用軟件實(shí)現(xiàn)電子秤系統(tǒng)的各項(xiàng)功能時(shí)，所需的軟件量并不是很大，不需要太大的程序存儲(chǔ)空間，因此在對(duì)at89c51實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)不需要在片外再擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，這樣不僅節(jié)省了硬件資源，也優(yōu)化了電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的硬件部分不僅包括以單片機(jī)at89c51為核心的最小系統(tǒng)部分，而且還包括數(shù)據(jù)采集、人機(jī)接口界面、系統(tǒng)電源部分。數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號(hào)放大處理和v/f轉(zhuǎn)換部分組成。在具體選擇傳感器時(shí)，考慮到在稱(chēng)量物品時(shí)必要的精度、準(zhǔn)確性要求，所稱(chēng)物品的重量誤差必須要控制在一定的范圍之內(nèi)。另外由于秤臺(tái)的自身重量、振動(dòng)和沖擊分量，以及還要避免物體超重時(shí)對(duì)傳感器的

54、損壞，所以在選擇傳感器時(shí)要保證有一定的承重裕量，所選的傳感器量程應(yīng)該比系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的要大。一般選擇滿(mǎn)量程時(shí)候的誤差不能大于規(guī)定量。由于傳感器的輸出信號(hào)中含有一定的干擾噪聲，所以必須要對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，在濾波電路的設(shè)計(jì)時(shí)利用普通小電容濾除高頻干擾，利用大的電解電容濾除低頻干擾。傳感器輸出的電信號(hào)比較微弱，一般為毫伏級(jí)，必須采用適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行信號(hào)放大處理，這樣才能保證整個(gè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性能。這時(shí)需要共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度好，而且外部接口簡(jiǎn)單的專(zhuān)用儀表放大器ina126。在選擇v/f轉(zhuǎn)換器時(shí)根據(jù)系統(tǒng)精度的要求，選擇了具有很強(qiáng)抗干擾能力v/f轉(zhuǎn)換器lm331，雖然轉(zhuǎn)換速

55、度慢，但精度高，輸入阻抗高，可自動(dòng)調(diào)零，具有超量程信號(hào)，全部輸出的ttl電平信號(hào)兼容。作為電子秤，系統(tǒng)對(duì)v/f轉(zhuǎn)換的速度要求不高，而且lm331的轉(zhuǎn)換精度足以滿(mǎn)足系統(tǒng)的誤差要求。在這次設(shè)計(jì)中我們采用了44鍵盤(pán)控制。顯示用的lcd我們根據(jù)要求選用了字符點(diǎn)陣式液晶顯示器lcd1602，可以滿(mǎn)足電子秤在稱(chēng)物時(shí)的購(gòu)物清單顯示要求。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)可以分成以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊，前端信號(hào)采集、處理、轉(zhuǎn)換模塊，人機(jī)接口界面以及系統(tǒng)電源部分（為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)超量程與欠量程的報(bào)警功能，還擴(kuò)展了報(bào)警電路）。3.1 基于at89c51的主控電路3.1.1 at8

56、9c51簡(jiǎn)介at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，高性能cmos8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。此外，at89c51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，cpu停止工作。但ram，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存ram的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。3.1.2 引腳說(shuō)明at89c51芯片圖 如圖3.1所示。 圖3.1 at8