基于PSD電子秤電路設(shè)計(jì)-大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文

1、哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- -大學(xué)學(xué)士論文：基于PSD電子秤電路設(shè)計(jì)電子秤是日常生活中常用的電子衡器，是衡器的一種，是利用胡克 定律或力的杠桿平衡原理測(cè)定物體質(zhì)量的工具，廣泛應(yīng)用于超市、大 中型商場(chǎng)、物流配送中心。電子秤在結(jié)構(gòu)和原理上取代了以杠桿平衡為原 理的傳統(tǒng)機(jī)械式稱量工具。相比傳統(tǒng)的機(jī)械式稱量工具，電子秤具有稱量 精度高、裝機(jī)體積小、應(yīng)用范圍廣、易于操作使用等優(yōu)點(diǎn)，在外形布局、 工作原理、結(jié)構(gòu)和材料上都是全新的計(jì)量衡器。電子稱量裝置電子秤、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，所以電子秤替代機(jī)械秤是發(fā)展的趨勢(shì)。而目前市場(chǎng)上電子秤產(chǎn)品的整 體水平不高，部

2、分小型企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量差且技術(shù)力量薄弱，設(shè)備不全，缺乏 產(chǎn)品的開發(fā)能力，產(chǎn)品質(zhì)量在低水平徘徊。因此，有針對(duì)性地開發(fā)出一套 有實(shí)用價(jià)值的電子秤系統(tǒng)，從技術(shù)上要克服上述諸多缺點(diǎn)，改善電子秤系 統(tǒng)在應(yīng)用中的不足之處，具有現(xiàn)實(shí)意義。該設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能，并且以位 置敏感傳感器作為稱重傳感器的電子稱電路計(jì)。我們選用了TI公司的MSP430系列中的MSP430F135單片機(jī)（內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換器）用于完 成數(shù)據(jù)米集、運(yùn)算、顯示及控制等工作。關(guān)鍵詞 單片機(jī)；PSD;位置敏感傳感器；放大器；數(shù)模轉(zhuǎn)換ased on PSD Electronic Scale DesignAbstrac

3、tElectr onic scales is com monly used electr on weigh ing apparatusi n daily life, is a kind of instruments, is to use Hooker law or the lever principle of bala nce of force as determ in ati on of the quality of the object tools. widely used in supermarket, large and medium-sized stores, logistics d

4、istribution center, Electronic scales in the structure and principle of the substituted with the prin ciple of lever bala nce for traditi onal mecha ni cal weighi ng tools. Compared with the traditional mechanical weighing tools, electronic scales has to weigh the high precisi on, small volume, in s

5、talled the applicati on ran ge, easy to operate ,etc, and in shape layout, working principle, structure and material are new measuring instruments. Electronic weighing device electronic scale, electronic balance to its accurate, rapid and convenient, direct display a lot of adva ntage and get the fa

6、vour of people, so electr onic scales alter native mach inery scale is the trend of the developme nt. And on the market at prese nt the whole product micro-electronic level is not high, some small enterprise poor product quality and technical force is weak, the equipment is not complete, lack of pro

7、duct development ability, quality of products wander at a low level. So, have specific aim to develop a set of have the practical value of the electr on bala nce system, from tech no logy to overcome the disadva ntages the above, improve the electron balance system in the defects of the application,

8、 have realistic sig nifica nce.This design with Single-chip microcomputer as control core, realize the basic con trol function electr onic scales, and with displaceme nt sen sor sen sitive as weighi ng tran sducer electr onic scales circuit desig n.We select MSP430F135 mcu of TI s MSP430 family (12b

9、it A/D in side) to acquire in formatio n, calculate, display, con trol, etc.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文-iii -Keywords single-chip microcomputer； PSD； displacement sensorsensitive； amplifier ； analog-to-digital conversion哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- V -哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- IV -目錄 TOC o 1-5 h z 摘要IAbstractII HYPERLINK l bookmark4 o Cu

10、rrent Document 第1章緒論1. HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.1課題背景1. HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.2課題研究的目的和意義1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.3電子秤的組成2. HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 1.3.1電子秤的基本結(jié)構(gòu)2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1.3.2電子秤的工作原理3 HY

11、PERLINK l bookmark16 o Current Document 1.3.3電子秤的計(jì)量性能 3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.4設(shè)計(jì)思路4. HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第2章系統(tǒng)方案論證與選型5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.1控制器部分5. HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2.2數(shù)據(jù)采集部分 6. HYPERLINK l bookmark26 o Cur

12、rent Document 2.2.1傳感器的選擇 PSD光電位置傳感器 6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.2.2放大電路的介紹7. HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 2.3顯示電路部分的選擇1.1 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.4超量程報(bào)警部分選擇1.1 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 2.5本章小結(jié)11 HYPERLINK l bookmark36 o Current Doc

13、ument 第3章硬件電路設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3.1 TI公司MSP430單片機(jī)簡(jiǎn)介12 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 3.1選用MSP430的原因 13 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 3.1.1單片機(jī)與放大電路的接口 14 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3.1.2單片機(jī)與按鍵的接口 1.5 HYPERLINK l bookmark46 o Current Do

14、cument 3.1.3單片機(jī)與顯示電路的接口 16 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 3.1.4復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 16 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 3.2電源電路設(shè)計(jì)17 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3.3數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)18 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document PSD器件的工作機(jī)理1.8 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document MSP430F

15、135單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換1 9 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3.4報(bào)警電路的設(shè)計(jì)20 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3.5本章小結(jié)20 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 21 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 4.1主程序設(shè)計(jì) 21 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 4.2子程序設(shè)計(jì) 21421 A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)及數(shù)

16、據(jù)讀取程序設(shè)計(jì) 22 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 4.2.2顯示子程序設(shè)計(jì) 24 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 4.2.3報(bào)警子程序的設(shè)計(jì) 24 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 4.3本章小結(jié)25 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 結(jié)論26 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 致謝27 HYPERLINK l bookmark78 o C

17、urrent Document 參考文獻(xiàn)28 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 附錄A英文文獻(xiàn)29 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 附錄B中文翻譯3.4附錄C整體電路43哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- -第1章緒論1.1課題背景本課題研究的是基于PSD電子秤電路設(shè)計(jì)。物體重量是實(shí)際應(yīng)用中非 常重要的物理量，所以它的測(cè)量工具在工作和生活中經(jīng)常被使用。利用作用于物體上的重力來測(cè)量該物體質(zhì)量的計(jì)量?jī)x器稱做秤。物品稱量是市 場(chǎng)交易中很基本的活動(dòng)，是商業(yè)領(lǐng)域最基本的衡具。電子秤是衡器的一種，人類最早使用的

18、衡器是原史天平約在公元前 5000年，埃及就已使用等臂天平秤。它是在簡(jiǎn)易杠桿中點(diǎn)設(shè)一支點(diǎn)，在杠 桿一端的盤（鉤）上放置被測(cè)物，在另一端的盤上逐個(gè)放置形狀、質(zhì)量一 樣的物體，當(dāng)這種裝置平衡時(shí)，就意味著兩邊的質(zhì)量相等，并可從左端物 體的個(gè)數(shù)確定右端被測(cè)物的質(zhì)量，中國(guó)杠桿的應(yīng)用歷史也比較悠遠(yuǎn)。傳統(tǒng) 的量具是桿秤或盤秤，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)了電子秤。二十世紀(jì)初期外國(guó)人將金屬質(zhì)電子秤帶進(jìn)我國(guó)。據(jù)載，我 國(guó)于1918年出現(xiàn)了修理外國(guó)電子秤的作坊。當(dāng)時(shí)英國(guó)人到中國(guó)來進(jìn)行貿(mào) 易，貨船自帶電子秤，電子秤損壞了由中國(guó)工人為他們修理，但控制很嚴(yán) 格，不準(zhǔn)仿造。后來我們掌握了技術(shù)，于192

19、2年在上海開始仿造，首家廠名為“岑南德記臺(tái)秤修理廠”；1926年南洋華僑陶志祖先生在上海開辦“陶記磅臺(tái)秤修理制造廠”，修理并制造臺(tái)秤，秤的承重件都是鑄造的，標(biāo)尺是鑄銅件，承重轉(zhuǎn)換件為“球式”；1931年日本產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)，他們用的承重轉(zhuǎn)換件為“刀式”，由鑄刀改為鑲刀。早期的電子秤多通過模擬電路實(shí)現(xiàn)，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字芯片的價(jià)格下降， 模擬控制已經(jīng)逐步被數(shù)字控制所代替。在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，如何用簡(jiǎn)單便宜，性能良好的元器件制 造出對(duì)人類生活有用的產(chǎn)品，已經(jīng)成為人們研究的主要趨勢(shì)數(shù)字電子秤在 各種生產(chǎn)領(lǐng)域和人民日常生活中得到廣泛應(yīng)用。1.2課題研究的目的和意義衡器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商

20、業(yè)、科研、醫(yī)療衛(wèi)生等部門。衡器是利 用力的形變平衡原理（胡克原理）或力的杠桿平衡原理測(cè)定物體質(zhì)量 的。形變平衡根據(jù)被測(cè)物自身重量所引起的彈性體形變量來測(cè)定被測(cè)物質(zhì) 量，形變量隨著重力加速度的變化而變化；杠桿平衡根據(jù)標(biāo)定砝碼重量與 被測(cè)物重量在杠桿上的平衡來測(cè)定被測(cè)物質(zhì)量。杠桿平衡與重力加速度的 變化無關(guān)，但在重力加速度等于零時(shí)，衡量失效。衡器主要由承重系統(tǒng) （如秤盤）、傳力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（如杠桿傳力系統(tǒng)）和示值系統(tǒng)（如刻度盤） 三部分組成。衡器按照結(jié)構(gòu)和原理可分為三大類：機(jī)械秤、電子秤、機(jī)電 結(jié)合秤。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。稱重裝置的應(yīng)用已遍及到

21、國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，取得了 顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國(guó)都非常重 視。衡器發(fā)展的重點(diǎn)是電子衡器。60年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器以 來，經(jīng)過40多年的不斷改進(jìn)與完善，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。電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動(dòng)態(tài)稱重發(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，特別是對(duì) 快速稱重和動(dòng)態(tài)稱重的研究與應(yīng)用。通過分析近年來電子衡器產(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

22、、穩(wěn)定性高、可靠性 高；其功能趨向是稱重計(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。生產(chǎn)工藝，質(zhì)量保證，可靠性考 核等規(guī)模生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)與工藝，提高批量生產(chǎn)能力，使我國(guó)的民族衡 器工業(yè)走上健康持續(xù)發(fā)展的軌道。1.3電子秤的組成電子秤主要由承重系統(tǒng)（如秤盤、秤體）、傳力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（如杠桿傳力系統(tǒng)、傳感器）和示值系統(tǒng)（如刻度盤、電子顯示儀表）三部 分組成。1.3.1電子秤的基本結(jié)構(gòu)電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質(zhì)量（重量）的測(cè)量?jī)x器， 也可用來確定與質(zhì)量相關(guān)的其它量大小、參數(shù)、或特性。不管根據(jù)什么原 理制成的電子秤均由以下三部分組成：（1）承重、傳力復(fù)位

23、系統(tǒng)它是被稱物體與轉(zhuǎn)換元件之間的機(jī)械、傳力復(fù)位系統(tǒng)，又稱電子秤 的秤體，一般包括接受被稱物體載荷的承載器、秤橋結(jié)構(gòu)、吊掛連接部件 和限位減振機(jī)構(gòu)等。（2）光電位置傳感器高靈敏度光電位置傳感器 PSD（ Position Sensitive Detector ）是一種新 型的光電器件，或稱為坐標(biāo)光電池，它是一種非分割型器件，可將光敏面 上的光點(diǎn)位置轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。當(dāng)一束光射到 PSD的光敏面上時(shí)，在同一面 上的不同電極之間將會(huì)有電流流過，這種電壓或電流隨著光點(diǎn)位置變化而 變化的現(xiàn)象就是半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)。因此利用PSD的PN結(jié)上的橫向光電效應(yīng)可以來檢測(cè)入射光點(diǎn)的照射位置。它不像傳統(tǒng)的硅光電探測(cè)器

24、只能 作為光電轉(zhuǎn)換、光電耦合、光接收和光強(qiáng)測(cè)量等方面的應(yīng)用；而能直接用 來測(cè)量位置、距離、高度、角度和運(yùn)動(dòng)軌跡等。它與陣列式圖像傳感器也 不一樣，不像固態(tài)圖像傳感器的測(cè)量表面由于敏感單元有一定大小而存在 死區(qū)；PSD器件能連線檢測(cè)光點(diǎn)的位置，沒有死區(qū)，分辨力高，適配電路 簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；正日益引起人們的重視 。（3）測(cè)量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測(cè)量裝置即處理稱重傳感器信號(hào)的電子線路（包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電流源 或電壓源、調(diào)節(jié)器、補(bǔ)償元件、保護(hù)線路等）和指示部件（如顯示、打 印、數(shù)據(jù)傳輸和存貯器件等）。這部分習(xí)慣上稱載荷測(cè)量裝置或二次儀 表。在數(shù)字式的測(cè)量電路中，通常包括前置放大、濾濾、運(yùn)算、變換、計(jì)

25、 數(shù)、寄存、控制和驅(qū)動(dòng)顯示等環(huán)節(jié)。1.3.2電子秤的工作原理電子秤采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一體化的電子稱 量裝置，才能滿足并解決現(xiàn)實(shí)生活中提出的快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)稱量 要求，同時(shí)有效地消除人為誤差，使之更符合法制計(jì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過 程控制的應(yīng)用要求。首先是通過壓力傳感器采集到物體重量的變化，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) A/D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)過單片機(jī)控制譯碼顯示器，從而顯 示出被測(cè)物體的重量。1.3.3電子秤的計(jì)量性能電子秤的計(jì)量性能涉及的主要技術(shù)指

26、標(biāo)有：量程、分度值、分度 數(shù)、準(zhǔn)確度等級(jí)等。（1） 量程：電子衡器的最大稱量Max，即電子秤在正常工作情況 下，所能稱量的最大值。（2）分度值：電子秤的測(cè)量范圍被分成若干等份，每份值即為分度 值。用e或d來表示。（3）分度數(shù)：衡器的測(cè)量范圍被分成若干等份，總份數(shù)即為分度數(shù) 用n表示。電子衡器的最大稱量 Max可以用總分度數(shù)n與分度值d的乘積來表 示，即 Max = n ?c。（4）準(zhǔn)確度等級(jí)國(guó)際法制計(jì)量組織把電子秤按不同的分度數(shù)分成I、U、M、W四類 等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)不同準(zhǔn)確度的電子秤和分度數(shù) n的范圍，如下表1所示：表1電子秤等級(jí)分類標(biāo)志及等級(jí)電子秤種類分度數(shù)范圍特種準(zhǔn)確度基準(zhǔn)衡器n 100

27、000高準(zhǔn)確度精密衡器10 000 nw 100 000中準(zhǔn)確度商業(yè)衡器1 000 nw 10 000普通準(zhǔn)確度粗衡器100 n w 1 000電子稱技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍：0 1000g測(cè)量精度：1g1.4設(shè)計(jì)思路目前，臺(tái)式電子秤在商業(yè)貿(mào)易中的使用已相當(dāng)普遍，但存在較大的局 限性：體積大、成本高、需要工頻交流電源供應(yīng)、攜帶不便、應(yīng)用場(chǎng)所受 到制約?，F(xiàn)有的便攜秤為桿秤或以彈簧、拉伸變形來實(shí)現(xiàn)計(jì)量的彈簧秤， 居民用戶使用的基本是桿秤。彈簧盤秤制造工藝要求較高，彈簧的疲勞問 題無法徹底解決，一旦超過彈簧彈性限度，彈簧秤就會(huì)產(chǎn)生很大誤差，以 至損壞，影響到稱重的準(zhǔn)確性和可靠性，只是一種暫時(shí)的代用品，也被

28、列 入逐漸取消的行列。微控制器技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子產(chǎn) 品的更新速度達(dá)到了日新月異的地步。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)的微控 制器部分選擇了兼容性比較好的 MSP430系列單片機(jī)，在系統(tǒng)更新?lián)Q代的 時(shí)候，只需要增加很少的硬件電路，甚至僅僅刪改系統(tǒng)控制程序就能夠?qū)?現(xiàn)。另外由于實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，稱可以有一定量的過載，但不能超出要求的 范圍，為此我們還設(shè)計(jì)了過載提示和聲光報(bào)警功能。綜上所述，本課題的主要設(shè)計(jì)思路是：利用光電位置傳感器采集因位 移變化產(chǎn)生的電壓信號(hào)，經(jīng)過電壓放大電路放大，然后再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，最后把模擬信號(hào)送入單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)過相應(yīng)的處理 后，得出

29、當(dāng)前所稱物品的重量，然后再顯示出來。這種高精度智能電子秤體積小、計(jì)量準(zhǔn)確、攜帶方便，集質(zhì)量稱量功 能與價(jià)格計(jì)算功能于一體，能夠滿足商業(yè)貿(mào)易和居民家庭的使用需求。第2章系統(tǒng)方案論證與選型按照本設(shè)計(jì)功能的要求，系統(tǒng)由 6個(gè)部分組成：控制器部分、測(cè)量部 分、報(bào)警部分、數(shù)據(jù)顯示部分、和電路電源部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖 如圖2-1所示。圖2-1設(shè)計(jì)思路框圖測(cè)量部分是利用稱重傳感器檢測(cè)壓力信號(hào)，得到微弱的電信號(hào)（本設(shè) 計(jì)為電壓信號(hào)），而后經(jīng)處理電路（如濾波電路、差動(dòng)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。控制器部分接受來自 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換

30、為物體的 實(shí)際重量信號(hào)，并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元中。控制器還可以通過對(duì)擴(kuò)展I/O的控制，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)顯示功能。當(dāng) 超載時(shí)報(bào)警裝置報(bào)警。2.1控制器部分本設(shè)計(jì)由于要求必須使用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，而且以單片機(jī) 為主控制器的設(shè)計(jì)，可以容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一 起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測(cè)量控制 系統(tǒng)”這種新型的智能儀表在測(cè)量過程自動(dòng)化、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以 及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進(jìn)展。再則由于系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，又考慮到本設(shè)計(jì)中程序部分比 較大，根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)的分析，設(shè)計(jì)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的的系統(tǒng)，可以選用

31、 帶EPROM的單片機(jī)，由于應(yīng)用程序不大，應(yīng)用程序直接存儲(chǔ)在片內(nèi)，不 用在外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器，這樣電路也可簡(jiǎn)化。這些配置能夠很好地實(shí)現(xiàn)本儀 器的測(cè)量和控制要求。51系列單片機(jī)：由ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單 芯片上，擁有靈巧的 8位CPU和在線系統(tǒng)可編程 Flash,使得AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O

32、 口線，看門狗 定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷 結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路?？臻e模式下，CPU停止工作，允許 RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式 下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一 個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。而且，它還具有一個(gè)看門狗(WDT)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，如果程序沒有正常工作，就會(huì)強(qiáng)制整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，還可以在程序陷入 死循環(huán)的時(shí)候，讓單片機(jī)復(fù)位而不用整個(gè)系統(tǒng)斷電，從而保護(hù)你的硬件電 路3。430系列單片機(jī)：MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)特別強(qiáng)調(diào)超低功耗的單片機(jī)品種，很適合 應(yīng)用與電池供電的長(zhǎng)時(shí)間工作場(chǎng)合

33、。在這個(gè)系列中有很多個(gè)型號(hào)，它們是 由一些基本功能模塊按不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成。MSP430系列的CPU采用16位精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的 代碼效率。它采用數(shù)字控制振蕩器(DCO)，使得從低功耗模式到喚醒模 式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6g。其中MSP430 x41x系列微控制器設(shè)計(jì)有一個(gè)16位 定時(shí)器，一個(gè)比較器，96段LCD驅(qū)動(dòng)器和48個(gè)通用IO引腳。MSP430F1x系列具有以下一些共同特點(diǎn)：超低功耗。強(qiáng)大的處理能力。豐富的片上外圍模塊。方便高效的開發(fā)方式。多種存儲(chǔ)器形式。適應(yīng)工業(yè)及運(yùn)行環(huán)境。在本設(shè)計(jì)中選擇MSP430F135系列單片機(jī)14。2.2數(shù)據(jù)采集部分電子秤

34、的數(shù)據(jù)采集部分主要包括稱重傳感器、處理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，因此對(duì)于這部分的論證主要分三方面。2.2.1傳感器的選擇 PSD光電位置傳感器在設(shè)計(jì)中，傳感器是一個(gè)十分重要的元件，因此對(duì)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設(shè)計(jì)的難以程度和設(shè)計(jì)性價(jià)比等等。高靈敏度光電位置傳感器 PSD是一種新型的光電器件，或稱為坐標(biāo)光 電池，它是一種非分割型器件，可將光敏面上的光點(diǎn)位置轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。 當(dāng)一束光射到 PSD的光敏面上時(shí)，在同一面上的不同電極之間將會(huì)有電 流流過，這種電壓或電流隨著光點(diǎn)位置變化而變化的現(xiàn)象就是半導(dǎo)體的橫 向光電效應(yīng)。因此利用 PSD的p

35、n結(jié)上的橫向光電效應(yīng)可以來檢測(cè)入射光 點(diǎn)的照射位置。它不像傳統(tǒng)的硅光電探測(cè)器只能作為光電轉(zhuǎn)換、光電耦 合、光接收和光強(qiáng)測(cè)量等方面的應(yīng)用 ；而能直接用來測(cè)量位置、距離、高 度、角度和運(yùn)動(dòng)軌跡等。它與陣列式圖像傳感器也不一樣，不像固態(tài)圖像傳感器的測(cè)量表面由于敏感單元有一定大小而存在死區(qū)；PSD器件能連線檢測(cè)光點(diǎn)的位置，沒有死區(qū)分辨力高。適配電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；正日益引起 人們的重視。PSD應(yīng)用于位移測(cè)量基本原理如圖所示，由半導(dǎo)體激光器（LD）發(fā)射出的光束經(jīng)過透鏡1聚焦，光斑照射到待測(cè)物體上，部分反射光通過透鏡2會(huì)聚到PSD的光敏面上。當(dāng)激光光斑投射到被測(cè)物的某一位置時(shí)，會(huì)聚到 PSD的光斑恰好位于光敏

36、面的中央位置。此時(shí)，PSD兩電極輸出電流相同。由圖（2-2）可知光敏面上位置坐標(biāo)x = 0，以該位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)。圖中B 點(diǎn)表示待測(cè)物的基準(zhǔn)點(diǎn)，則其散射光斑會(huì)聚到 PSD光敏面中央b處，而待測(cè) 點(diǎn)A和C的散射光斑分別會(huì)聚到PSD光敏面a c兩處，分別測(cè)得兩電極的電 流信號(hào)，再經(jīng)過后續(xù)處理電路就可以精確測(cè)試出 A、C兩點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)B之間 的位移。圖2-2位移測(cè)試原理圖當(dāng)重力壓在位移敏感傳感器的重力盤上時(shí)，重力盤彈性元件的形變位 移在上圖中位置 A、B、C范圍內(nèi)變化，此時(shí)PSD的敏感表面上的光斑位 置發(fā)生變化，從而使PSD產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號(hào)，有電流信號(hào)的變化可以看 出重力大小的變化，再經(jīng)過后續(xù)一系列處

37、理使電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)顯示 出來。2.2.2放大電路的介紹經(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)亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進(jìn)行A/D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，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

38、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。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：方案一利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器。普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)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(hào)就會(huì)直接影響最后的測(cè)量精 度。所以，此種方案不宜采用。方案二由高精度低漂移運(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2-3所示：R1ViR3R6R2Vi -C1C3尸口R8R4rr丄 -J-C4LJ

39、C2R7R5C1、C2圖2-3利用普通運(yùn)放構(gòu)成的放大器電阻R1、R2和電容C1、C2、C3、C4用于濾除前級(jí)的噪聲,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)，使輸出滿足滿量程要求。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12。方案三采用專用儀表放大器，如：AD620，INA126等。此類芯

40、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。OUTPUTREF+ 12VR3U14 1K12V圖2-5AD620的接口圖接口如圖2-5所示:AD620由傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器發(fā)展而成，但一些主要性能卻優(yōu)于三運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計(jì)，如電源范圍寬（.38V）,設(shè)計(jì)體積小，功耗非常低（最大供電電流僅1.3mA），因而適用于低電壓、低功耗的 應(yīng)用場(chǎng)合。AD620的單片結(jié)構(gòu)和激光晶體調(diào)整，允許電路元件緊密匹配和跟蹤， 從而保證電路固有的高性能。AD620為三運(yùn)放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，為 保護(hù)增益控制的高精度，其輸入端的三極管提供簡(jiǎn)單的差分雙極輸入，并采

41、 用B工藝獲得更低的輸入偏置電流，通過輸入級(jí)內(nèi)部運(yùn)放的反饋，保持輸 入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻RG上。AD620的兩個(gè)內(nèi)部增益電阻為24.7k8，因而增益方程式為：G = 49. 4 / RG+ 1（2-1）對(duì)于所需的增益，貝U外部控制電阻值為：RG = 49. 4 /（ G - 1）K（2-2）AD620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。AD620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i2.3 8V ;最大電源電流為1.3mA;最大輸入失調(diào)電壓為

42、125V; 頻帶寬度為120kHz （在G=100時(shí)）。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)PSD原理選用相應(yīng)的放大電路，且先需要首先應(yīng)對(duì) PSD輸出的光電流進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換，在進(jìn)行放大，如圖2-6所示：圖2-6常用的PSD測(cè)量電路及相應(yīng)的放大電路2.3顯示電路部分的選擇數(shù)據(jù)顯示是電子秤的一項(xiàng)重要功能，是人機(jī)交換的主要組成部分，它 可以將測(cè)量電路測(cè)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(jì)算器，從袖珍時(shí)儀表到便攜式微型計(jì) 算機(jī)以及一些文字

43、處理機(jī)都廣泛利用了液晶顯示器。2.4超量程報(bào)警部分選擇智能儀器一般都具有報(bào)警和通訊功能，報(bào)警主要用于系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)、 當(dāng)測(cè)量的數(shù)據(jù)超過儀表量程或者是超過用戶設(shè)置的上下限時(shí)為提醒用戶而 設(shè)置。在本系統(tǒng)中，設(shè)置報(bào)警的目的就是在超出電子秤測(cè)量范圍時(shí)，發(fā)出 報(bào)警信號(hào)，提示用戶，防止損壞儀器。超限報(bào)警電路是由單片機(jī)的I/O 口來控制的，當(dāng)稱重物體重量超過系 統(tǒng)設(shè)計(jì)所允許的重量時(shí)，通過程序使單片機(jī)的 I/O值為高電平，從而三極 管導(dǎo)通，使蜂鳴器SPEAKER發(fā)出報(bào)警聲。2.5本章小結(jié)本章對(duì)電路設(shè)計(jì)所用元件進(jìn)行了比較和選型，并主要對(duì)控制器部分和數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行了進(jìn)行了分析。最后決定采用MSP430F135單片

44、機(jī)，內(nèi)含A/D轉(zhuǎn)換器；數(shù)據(jù)采集部分運(yùn)用 PSD常用的測(cè)量電路以及其相應(yīng)的放 大電路。第3章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 TI公司MSP430單片機(jī)簡(jiǎn)介MSP430系列是一個(gè)16位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合型 單片機(jī)，在1996年問世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方 便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星。MSP430系列單片機(jī)的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，主要取決于 以下的特點(diǎn)。強(qiáng)大的處理能力 MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了 精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的

45、模擬指令；大量的 寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指 令；有較高的處理速度，在 8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125ns。這些特 點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。在運(yùn)算速度方面，MSP430系列單片機(jī)能在8MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí) 現(xiàn)125ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125“的指令周期以及多功能的 硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 FFT 等）15。MSP430系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活 方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只用6M超低功耗MSP430單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档?/p>

46、芯片 的電源電壓及靈活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。首先，MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 1.83.6V電壓。因而 可使其在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在 200400A左右， 時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 0.1讓其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430系列中有兩個(gè)不同的系統(tǒng)時(shí) 鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（FLL和FLL+ ）時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振 蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。有的使用一個(gè)晶體振蕩器（32768Hz），有的使用兩個(gè)晶體 振蕩器）。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘 可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)

47、打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片 的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0LPM4 ）。在等待方式下，耗電為 0.7以在節(jié)電方式下， 最低可達(dá)0.1訃系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電復(fù)位后，首先由 DCOCLK啟動(dòng)CPU，以保證程序 從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間。然后 軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體 振蕩器在用做CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系 統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。豐富的片上外圍模塊：MSP430系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富 的片內(nèi)外設(shè)。它

48、們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器 A、定時(shí)器 A（Timer_A）、定時(shí)器 B（ Timer_B ）、串口 0、1（ USART0、1）、硬件乘法 器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、I2C總線直接數(shù)據(jù)存?。―MA ）、端 口 0 （P0）、端口 16（ P1P6）、基本定時(shí)器（Basic Timer）等的一些外圍 模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器 進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出A/D轉(zhuǎn)換器；16位定時(shí)器Timer_A和Timer_B ）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可 用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同

49、步 及多址訪問串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的I/O端口，最多達(dá)6-8條I/O 口線；P0、P1、P2端口能夠接收外部上升沿或下 降沿的中斷輸入；12/14位硬件A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps,能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá)160段；實(shí)現(xiàn)兩路的12位D/A轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò) 展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（DMA ）模塊。MSP430系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的 方便5。方便高效的開發(fā)環(huán)境目前 MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM 型三種類型的器件，這些

50、器件的開發(fā)手段不同。對(duì)于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后在燒寫或掩膜芯片；對(duì)于FLASH型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有電可擦寫的FLASH存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過 軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方 法進(jìn)行開發(fā)。這種方式只需要一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和 C語言。MSP430單片機(jī)目前主要以FLASH型為主。適應(yīng)工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)境MSP430系列器件均為工業(yè)級(jí)的，運(yùn)行環(huán)境溫度 為-40+85攝氏度，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適合用于工業(yè)環(huán)境下10。

51、3.1選用MSP430的原因?qū)τ谝粋€(gè)以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)來說，單片機(jī)的選擇至為重要。MSP430F135是一款功能強(qiáng)大的16位單片機(jī)，但我們選擇它還是基于系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的考慮。我們選擇 TI公司的MSP430F135的主要原因是：MSP430F135具有6-8個(gè)通用I/O 口，大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。所 以在顯示電路中，我們對(duì)8段LED的段選直接用了 8個(gè)I/O 口，而沒有使 用八段譯碼器（如74LS249等）；對(duì)5個(gè)LED的位選也直接用了 5個(gè)I/O 口。這樣大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也節(jié)省了成本。MSP430系列單片機(jī)一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有

52、豐富的尋址方式。在運(yùn)算速度方面，MSP430系列單片機(jī)能在8MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)125ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬 度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（F135無）相配合，能實(shí) 現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法，如平均值算法、折線或是多次曲線擬合算 法、濾波算法等。MSP430系列單片機(jī)具有豐富的片內(nèi)外設(shè)：12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC12可把測(cè)量電路的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，而無需外加獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換芯片。16位定時(shí)器可用來定時(shí)5個(gè)LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示時(shí)刷新的時(shí) 間間隔。MSP430系列單片機(jī)是一款超低功耗單片機(jī)，并有多種低功耗模 式。這樣一起可用電池供電，從而使儀器小型化。方便以后把儀器

53、改造成 便攜儀器。MSP430的F系列引入了 Flash和JTAG技術(shù)，使得在開發(fā)過程中 不需要仿真器和編程器，十分便于開發(fā)調(diào)試11。其它，如價(jià)格相對(duì)便宜，家族成員豐富，熔絲燒斷后可升級(jí)等。3.1.1單片機(jī)與放大電路的接口與放大電路的接口設(shè)計(jì) MSP430F135單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)12位的A/D 轉(zhuǎn)換器ADC12，并有8個(gè)外部輸入通道A0 - A7,我們把放大電路通道1 的輸出接至A0，放大電路通道2的輸出接至A2。為了使輸出電壓在單片 機(jī)I/O 口能承受的范圍之內(nèi)，我們?cè)诜糯箅娐泛蠹恿算Q位電路。單片機(jī)與 放大電路的接口如圖3-1所示：在放大電路與單片機(jī)內(nèi)部的 A/D轉(zhuǎn)換器之間加一個(gè)鉗位電路。鉗

54、位電 路的作用是：防止放大器輸出的電壓信號(hào)高于2.5V損壞A/D轉(zhuǎn)換器，破壞電路。放大電路鉗位電路MSP430F135圖3-1單片機(jī)與放大電路的接口示意圖3.1.2單片機(jī)與按鍵的接口除“復(fù)位”鍵外，“調(diào)零” （KEY1）與“測(cè)量” （KEY2）兩個(gè)按鍵。其 中，“調(diào)零”實(shí)現(xiàn)的功能是：測(cè)量當(dāng)前重量值，把測(cè)得值在 LED上顯示出 來，并把此值作為一個(gè)零點(diǎn)，成為測(cè)量的一個(gè)基準(zhǔn)；“測(cè)量”實(shí)現(xiàn)的功能是：測(cè)量當(dāng)前重量，減去零點(diǎn)值，完成相對(duì)測(cè)量，并在LED上顯示出來。與單片機(jī)的接口如圖3-2所示：圖3-2單片機(jī)與按鍵的接口示意圖3.1.3單片機(jī)與顯示電路的接口本次設(shè)計(jì)采用LED作為顯示元件，在顯示方法上用動(dòng)

55、態(tài)顯示的方法 實(shí)現(xiàn)5個(gè)LED數(shù)碼管的顯示，如圖3-3所示：圖3-3單片機(jī)與顯示電路的接口示意圖JfcomLLH.e dcomc h11 111B.e dcomc hh 11 r0.e d com c h 1111 B.e dcomc h11 11 He dcom c h位選段碼3.1.4復(fù)位電路的設(shè)計(jì)當(dāng)儀器出現(xiàn)異常故障時(shí)，可用“復(fù)位”鍵使其復(fù)位，其設(shè)計(jì)如圖3-4所示：MSP430系列單片機(jī)復(fù)位信號(hào)只在芯片上電或 PST/NMI設(shè)置成復(fù)位模 式，在RST/NMI引腳上出現(xiàn)低電平信號(hào)兩個(gè)事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生。復(fù)位信號(hào) 的發(fā)生總是會(huì)產(chǎn)生PUC信號(hào)，但是PUC信號(hào)的發(fā)生不會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。 產(chǎn)生PUC信號(hào)的事

56、件為：發(fā)生復(fù)位信號(hào)；處于看門狗模式下，看門狗定 時(shí)器時(shí)間到；看門狗定時(shí)器寫入錯(cuò)誤的安全鍵值；RST/NMI引腳上出現(xiàn)低電平信號(hào)；FLASH存儲(chǔ)器寫入錯(cuò)誤的安全鍵值13。圖3-4復(fù)位電路3.2電源電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)為單片機(jī)供電+3.3V。如圖3-5所示:圖3-5電源電路圖3.3數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集部分電路包括傳感器、輸出信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器。331 PSD器件的工作機(jī)理PSD （ Position Sensitive Detectors）器件是自本世紀(jì)70年代研制成功的 一種新型位置傳感器，由于該器件具有體積小、靈敏度高、線性范圍大、 噪聲低、響應(yīng)速度快、后續(xù)處理電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)

57、用于光電位 置測(cè)量、光學(xué)遙控、位移和振動(dòng)的檢測(cè)和監(jiān)控、方向探測(cè)、光學(xué)邊界判 別、醫(yī)用器械、三維位置測(cè)量系統(tǒng)以及機(jī)器人視覺等方面。PSD是一種獨(dú)特的半導(dǎo)體光電器件，他的 PN結(jié)結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、光 電轉(zhuǎn)換原理等與普通光電二極管類似，但他的工作原理與普通光電二極管 的完全不同，后者基于PN結(jié)或肖特基結(jié)的縱向光電效應(yīng)，普通光電二極 管通過光電流的大小反映入射光的強(qiáng)弱，是光電轉(zhuǎn)換器件和控制器件，而 位置敏感探測(cè)器不僅是光電轉(zhuǎn)換器，更重要的是光電流的分配器，通過合 理設(shè)置分流層和收集電流的電極，根據(jù)各電極上收集到的電流信號(hào)的比例 確定入射光的位置。PSD的主要特點(diǎn)如下：（1）響應(yīng)速度快。PSD的光電轉(zhuǎn)換響

58、應(yīng)速度和輸出電阻及結(jié)電容的 乘積成反比（約幾個(gè)微秒），與一般的光敏二極管相比，響應(yīng)速度要低一 點(diǎn)，但由于它是非掃描型的，因此比掃描型的光敏器件響應(yīng)速度要快的多。（2）位置分辨率高。CCD器件的分辨率取決于像素的間距，一般都 在十幾個(gè)微米左右，而PSD器件由于其敏感面十連續(xù)的，它的分辨率與外 部檢測(cè)電路的噪聲及入射光所產(chǎn)生的光電流大小有關(guān)，一般為零點(diǎn)幾個(gè)微 米。（3）可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)。因光強(qiáng)和總的光生電流有關(guān)，所以只 要加上一線路，把從信號(hào)電極輸出的電流相加得到總電流，就可以求出入 射光強(qiáng)。（4）位置輸出與光點(diǎn)強(qiáng)度及尺寸無關(guān)，只與光的重心位置相關(guān)。這 一特點(diǎn)使得PSD在應(yīng)用時(shí)無需苛求復(fù)雜得光

59、學(xué)聚焦系統(tǒng)【9】。當(dāng)有幾條光束分別照射在敏感面時(shí)，按X=L（l2-l1）/（l2+l1）計(jì)算出各光束的入射位置，然后 根據(jù)這些位置和入射光強(qiáng)所計(jì)算出來的“能量中 心”，與這幾條光束同時(shí)照射 PSD表面時(shí)，按上式計(jì)算出的位置，二者 是一致的。PSD敏感表面被未經(jīng)聚焦的光束照射時(shí)，輸出所反映的位置與經(jīng)聚焦 光束照射時(shí)輸出所反映的位置是一致的。光斑大小對(duì)PSD的非線性沒有影響，只有在內(nèi)部不均勻而光斑直徑較大時(shí)，由于平均效應(yīng)才可能降低非線性。（5）頻譜響應(yīng)寬，響應(yīng)范圍從 330到1100nm。（6）外圍電路簡(jiǎn)單，信號(hào)檢測(cè)方便，價(jià)格相對(duì)光電陣列器件要便宜 的多。在本設(shè)計(jì)中PSD作為稱重傳感元件應(yīng)用在電路

60、中。3.3.2 MSP430F135單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換因?yàn)镸SP430內(nèi)部有一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12，所以需要對(duì)其 進(jìn)行編程。我們采用了“序列通道單次轉(zhuǎn)換”的方式，裝換過程自動(dòng)完 成，無需軟件轉(zhuǎn)換，其流程圖如圖 3-6所示：入口1啟動(dòng)一次序列通 道單次轉(zhuǎn)換1轉(zhuǎn)換數(shù)值對(duì)應(yīng)RAM存儲(chǔ)區(qū)累加求和F子程序返回圖3-6 A/D轉(zhuǎn)換流程圖ADC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：ADC12有8個(gè)外部模擬信號(hào)采樣通道（a0a7）和4個(gè)內(nèi)部通道（a8a11），各個(gè)通道的參考電平可以由用戶根據(jù)需要編程選擇。ADC12的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘ADCI2CLK可選自多個(gè)時(shí)鐘源，如內(nèi)部振蕩器ADC12OSC或ACLK、MCLK和SMCLK，并可