智能電子秤設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)電子秤的組成結(jié)構(gòu)電子秤的根本結(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〕的測量儀器，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局部組成：〔1〕承重、傳力復(fù)位系統(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)稱重傳感器 即由非電量〔質(zhì)量或重量〕轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它是把支承力變換成電的或其它形式的適合于計(jì)量求值的信號所用的一種輔助手段。按照稱重傳感器的結(jié)構(gòu)型式不同，可以分直接位移傳感器〔電容式、電感式、電位計(jì)式、振弦式、空腔諧振器式等〕和應(yīng)變傳感器〔電阻應(yīng)變式、聲外表諧振式〕或是利用磁彈性、壓電和壓阻等物理效應(yīng)的傳感器。對稱重傳感器的根本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應(yīng)，并有良好的線性關(guān)系；有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態(tài)的影響要小；能在較差的工作條件下工作；有較好的頻響特性；穩(wěn)定可靠。(3)測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置即處理稱重傳感器信號的電子線路〔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)嘗元件、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〕。這局部習(xí)慣上稱載荷測量裝置或二次儀表。在數(shù)字式的測量電路中，通常包括前置放大、濾濾、運(yùn)算、變換、計(jì)數(shù)、存放、控制和驅(qū)動(dòng)顯示等環(huán)節(jié)。電子秤的工作原理當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺(tái)上時(shí)，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力－電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系(一般成正比關(guān)系)的電信號(電壓或電流等)。此信號由放大電路進(jìn)行放大、經(jīng)濾波后再由模/數(shù)〔A/D〕器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號再送到微處器的CPU處理，CPU不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果送到內(nèi)存貯器，需要顯示時(shí)，CPU發(fā)出指令，從內(nèi)存貯器中讀出送到顯示器顯示，或送打印機(jī)打印。一般地信號的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換以及信號各種運(yùn)算處理都在儀表中完成。電子秤設(shè)計(jì)的要求及根本思路電子秤設(shè)計(jì)的要求測量精度：≤顯示方式：LCD顯示所稱量的物品重量，同時(shí)還可顯示物品的名稱，數(shù)量，單價(jià)，金額和所有物品的總金額。使用操作：鍵盤輸入數(shù)據(jù)，操作簡單方便。特殊功能：具有去皮功能以及能將金額累加計(jì)算；當(dāng)物品重量超過電子秤量程，即過載情況或者是物品重量小于A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換的最小精度，即欠量程的時(shí)候，具有超重報(bào)警功能。電子秤設(shè)計(jì)的根本思路將電子秤大致能劃分為三大局部，數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊和人機(jī)交互界面模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、信號的前級處理和A/D轉(zhuǎn)換局部組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送給控制器處理，由控制器完成對該數(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。此外添加了一個(gè)過載、欠量報(bào)警提示的特殊功能。圖1-1〔上圖為本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖〕單片機(jī)的選型AT89S52單片機(jī)是AT89S系列中的增強(qiáng)型高檔機(jī)產(chǎn)品，它片內(nèi)存儲(chǔ)器容量是AT89S51的一倍，即片內(nèi)8KB的Flash程序存儲(chǔ)器和256B的RAM。另外，它還增加了一個(gè)功能極強(qiáng)的、具有獨(dú)特應(yīng)用的16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器2等多種功能。在工程應(yīng)用中AT89S52有一顯著的優(yōu)勢：不需要燒寫器，只借助PC機(jī)的并口輸出和極為簡單的下載電路，便可將程序通過串行方式寫入單片機(jī)。并且下載電路可設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，可以隨時(shí)修改單片機(jī)的軟件而不對硬件做任何改動(dòng)。由此，通過對目前主流型號的比擬，我們最終選擇了AT89S52通用的普通單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。AT89S52是一種兼容MCS51微控制器，工作電壓4.0V到5.5V，全靜態(tài)時(shí)鐘0Hz到33MHz，三級程序加密，32個(gè)可編程I/O口，2/3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，6/8個(gè)中斷源，全雙工串行通訊口，低功耗支持Idle和Power-down模式，Powerdown模式支持中斷喚醒,看門狗定時(shí)器，雙數(shù)據(jù)指針，上電復(fù)位標(biāo)志。另外在外擴(kuò)展了32K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以滿足系統(tǒng)要求。數(shù)據(jù)采集模塊傳感器傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的局部，轉(zhuǎn)換元件指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號局部。此外傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。稱重傳感器在電子秤中占有十分重要的位置，被喻為電子秤的心臟部件，它的性能好壞很大程度上決定了電子秤的精確度和穩(wěn)定性。通常稱重傳感器產(chǎn)生的誤差約占電子秤整機(jī)誤差的50%~70%。假設(shè)在環(huán)境惡劣的條件下〔如上下溫、濕熱〕，傳感器所占的誤差比例就更大，因此，在人們設(shè)計(jì)電子秤時(shí)，正確地選用稱重傳感器非常重要。稱重傳感器的種類很多，根據(jù)工作原理來分常用的有以下幾種：電阻應(yīng)變式、電容式、壓磁式、壓電式、諧振式等。〔本設(shè)計(jì)采用的是電阻應(yīng)變式〕電阻應(yīng)變式稱重傳感器包括兩個(gè)主要局部，一個(gè)是彈性敏感元件：利用它將被測的重量轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個(gè)是電阻應(yīng)變計(jì)：它作為傳感元件將彈性體的應(yīng)變，同步地轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。電阻應(yīng)變片所感受的機(jī)械應(yīng)變量一般為10-6~10-2，隨之而產(chǎn)生的電阻變化率也大約在10-6~10-2數(shù)量級之間。這樣小的電阻變化用一般測量電阻的儀表很難測出，必須采用一定形式的測量電路將微小的電阻變化率轉(zhuǎn)變成電壓或電流的變化，才能用二次儀表顯示出來。在電阻應(yīng)變式稱重傳感器中通過橋式電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。電阻應(yīng)變式稱重傳感器工作原理框圖如圖2-1所示：載荷P應(yīng)變電阻變化R輸出電壓敏感元件敏感元件應(yīng)變片測量電橋如1-2電阻應(yīng)變式稱重傳感器工作原理框圖當(dāng)傳感器不受載荷時(shí)，彈性敏感元件不產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在其上的應(yīng)變片不發(fā)生變形，阻值不變，電橋平衡，輸出電壓為零；當(dāng)傳感器受力時(shí)，即彈性敏感元件受載荷P時(shí)，應(yīng)變片就會(huì)發(fā)生變形，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，有輸出電壓。圖1-3橋式測量電路R1、R2、R3、R4為4個(gè)應(yīng)變片電阻，組成了橋式測量電路，Rm為溫度補(bǔ)償電阻，e為鼓勵(lì)電壓，V為輸出電壓。假設(shè)不考慮Rm，在應(yīng)變片電阻變化以前，電橋的輸出電壓為：V=由于橋臂的起始電阻全等，即R1=R2=R3=R4=R，所以V=0。當(dāng)應(yīng)變片的電阻R1、R2、R3、R4變成R+△R1、R+△R2、R+△R3、R+△R4時(shí)，電橋的輸出電壓變?yōu)椋篤=通過化簡，上式那么變?yōu)椋篤=也就是說，電橋輸出電壓的變化與各臂電阻變化率的代數(shù)和成正比。如果四個(gè)橋臂應(yīng)變片的靈敏系數(shù)相同，且=Kε，那么上式又可寫成：V=ε1-ε2+ε3-ε4〕式中K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)，ε為應(yīng)變量。上式說明，電橋的輸出電壓和四個(gè)轎臂的應(yīng)變片所感受的應(yīng)變量的代數(shù)和成正比。在電阻應(yīng)變式稱重傳感器中，4個(gè)應(yīng)變片分別貼在彈性梁的4個(gè)敏感部位，傳感器受力作用后發(fā)生變形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，△R1、△R3正值，R2、R4被壓縮，阻值減小，△R2、△R4為負(fù)值。再加之應(yīng)變片阻值變化的絕對值相同，即△R1=△R3=+△R或ε1=ε3=+ε△R2=△R4=-△R或ε2=ε4=-ε因此，V=×4ε=eKε。假設(shè)考慮Rm，那么電橋的輸出電壓變成：V===Kεe令SU=，那么SU=KεSU稱為傳感器系數(shù)或傳感器輸出靈敏度。對于一個(gè)高精度的應(yīng)變傳感器來說，僅僅靠4個(gè)應(yīng)變片組成橋式測量電路還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。由于彈性梁材料金相組織的不均勻性及熱處理工藝、應(yīng)變片性能及粘貼工藝、溫度變化等因素的影響，傳感器勢必產(chǎn)生一定的誤差。為了減少傳感器隨溫度變化產(chǎn)生的誤差，提高其精度和穩(wěn)定性，需要在橋路兩端和橋臂中串入一些補(bǔ)償元件。如：初始不平衡值的補(bǔ)償、零載輸出溫度補(bǔ)償、輸出靈敏度溫度補(bǔ)償?shù)?。前級放大器由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低而由電橋等電路變換后的信號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)算放大器的根本元件構(gòu)成具有各種特性的放大器來完成。放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對放大器有如下一些要求：輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源內(nèi)阻。否那么，放大器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)使所測電壓造成偏差?？构材ｋ妷焊蓴_能力強(qiáng)。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。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?；谝陨戏治觯覀冏罱K決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器AD620。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)1~1000范圍內(nèi)的任意增益；工作電源范圍為±2.3~±18V；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)〕。AD620的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下列圖所示：圖1-4AD620的內(nèi)部等效圖AD620的接口如下列圖所示圖1-5AD620的接口圖電路的工作原理：A1、A2工作在負(fù)反應(yīng)狀態(tài)，其反向輸入端的電壓與同相輸入端的電壓相等。即Rg兩端的電壓分別為Vin+、Vin-。因此設(shè)圖〔2-4〕中電阻R1=R2=R，那么A1、A2兩輸出端的電壓差U12為將上式代入第一個(gè)式子得放大器的增益Av為可見，僅需調(diào)整一個(gè)電阻Rg，就能方便的調(diào)整放大器的增益。由于整個(gè)電路對稱，調(diào)整時(shí)不會(huì)造成共模抑制比的降低。在接口圖〔2-5〕中，通過改變可變電阻R3的阻值大小來改變放大器的增益，放大器增益計(jì)算公式如下：A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器是一種能把輸入模擬電壓或電流-成與它成正比的數(shù)字量，也就是說能把被控對象的各種模擬信息變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信息。A/D轉(zhuǎn)換器種類較多，從原理上可分為四種：雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、并行A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器式A/D轉(zhuǎn)換器及△－∑型A/D轉(zhuǎn)換器。在電子秤的設(shè)計(jì)中用的比擬多的是雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和△－∑型A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分ADC的根本原理是對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。如圖2-6所示是電子秤中常用的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換電路，它由積分器、比擬器、模擬電子開關(guān)，積分電阻、積分電容、自動(dòng)回零電阻、電容組成。其中VG是模擬地，VFR是基準(zhǔn)電壓〔相對于VG為負(fù)值〕，VX是檢測電壓。圖1-6雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路其次雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。對正負(fù)對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50HZ的工頻干擾抑制能力特強(qiáng)，對高于工頻干擾〔例如噪聲電壓〕也具有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對濾波電路的要求。作為電子秤，系統(tǒng)對AD的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上14位的AD足以滿足要求。另外雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器較強(qiáng)的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價(jià)格。最終選擇了精度為10Kg/20000=0.5g的ICL7135。人機(jī)交互界面模塊鍵盤輸入鍵盤輸入是人機(jī)交互界面中重要的組成局部，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。鍵盤是由假設(shè)干個(gè)按鍵開關(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。鍵盤由許多鍵組成，每一個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)，當(dāng)鍵按下時(shí)，觸點(diǎn)閉合，當(dāng)鍵松開時(shí)，觸點(diǎn)斷開。單片機(jī)接收到按鍵的觸點(diǎn)信號后作相應(yīng)的功能處理。因此，相對于單片機(jī)系統(tǒng)來說鍵盤接口信號是輸入信號。ZLG7289是周立功單片機(jī)公司設(shè)計(jì)的串行輸入輸出可編程鍵盤顯示芯片，有強(qiáng)大的鍵盤顯示功能，支持64鍵控制，可以比擬方便地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)。另外ZLG7289內(nèi)部有譯碼電路，大大簡化了程序。最終選擇ZLG7289作為鍵盤掃描顯示芯片。輸出顯示采用可以設(shè)置顯示單價(jià)，金額，中文，購物日期等的LCD，它具有低功耗、可視面大、畫面友好及抗干擾能力強(qiáng)等功能，其顯示技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。LCD顯示器的工作原理：液晶顯示器的主要材料是液態(tài)晶體。它在特定的溫度范圍內(nèi)，既具有液體的流動(dòng)性，又具有晶體的某些光學(xué)特性，其透明度和顏色隨電場、磁場、光照度等外界條件變化而變化。因此，用液晶做成顯示器件，就可以把上訴外界條件的變化反映出來從而形成現(xiàn)實(shí)的效果。雖然ZLG7289具有控制數(shù)碼管顯示的功能，但考慮到此題目要求中文顯示，數(shù)碼管無法滿足，只能考慮用帶有中文字庫的液晶顯示器。由于可以分頁顯示，無需太大屏幕，最終選擇點(diǎn)陣式128×64型LCD—OCM4x8C。電子秤硬件的設(shè)計(jì)與制作AT89S52的主控電路AT89S52芯片AT89S52單片機(jī)是ATMEL公司新近推出的高檔型AT89S系列單片機(jī)中的增強(qiáng)型產(chǎn)品。ATMEL公司是美國20世紀(jì)80年代中期成立并開展起來的半導(dǎo)體公司。該公司的技術(shù)優(yōu)勢在于推出Flash存儲(chǔ)器技術(shù)和高質(zhì)量、高可靠性的生產(chǎn)技術(shù)，它率先將獨(dú)特的Flash存儲(chǔ)技術(shù)注入于單片機(jī)產(chǎn)品中。其推出的AT89系列單片機(jī)，在世界電子技術(shù)行業(yè)中引起了極大的反響，在國內(nèi)也受到廣闊用戶歡送。AT89S52是一個(gè)低功耗,高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S52具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8kBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔RAM〕，32個(gè)外部雙向輸入/輸出〔I/O〕口，5個(gè)中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗〔WDT〕電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz，并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。主要功能特性見下表：如表2-1AT89S52功能·兼容MCS-51指令系統(tǒng)·8k可反復(fù)擦寫(>1000次〕ISPFlashROM·32個(gè)雙向I/O口··3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器·時(shí)鐘頻率0-33MHz·全雙工UART串行中斷口線·256x8bit內(nèi)部RAM·2個(gè)外部中斷源·低功耗空閑和省電模式·中斷喚醒省電模式·3級加密位·看門狗〔WDT〕電路·軟件設(shè)置空閑和省電功能·靈活的ISP字節(jié)和分頁編程·雙數(shù)據(jù)存放器指針引腳封裝如下列圖所示：圖2-1AT89S52的引腳圖主控電路的設(shè)計(jì)P1口和P2.0～P2.6口作為地址總線，其中P1口作為低地址線和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，P2.0～P2.6口做高地址線。P2.7作為62256的片選控制總線，ALE接鎖存器74LS373的使能端。P3.6和P3.7作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫/讀選通信號輸出端分別接62256的/WE和/OE端。主控電路圖如下：圖2-2主控電路設(shè)計(jì)圖電子秤的信號處理流程稱重?cái)?shù)據(jù)處理測量精度和可靠性是電子秤設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，引入軟件數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以克服或彌補(bǔ)包括傳感器在內(nèi)的各測量環(huán)節(jié)硬件本身的缺陷或弱點(diǎn)，使原來靠硬件電路難以實(shí)現(xiàn)的信號處理可以得到解決，提高電子秤的綜合性能。在電子稱重系統(tǒng)中，主要的數(shù)據(jù)處理技術(shù)有：無效物理量的消除、零漂處理、標(biāo)度變換技術(shù)、非線性補(bǔ)償技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)等?！?〕無效物理量的消除在稱重系統(tǒng)中，稱重傳感器輸出的信號是秤臺(tái)、支架和被測物之和的轉(zhuǎn)換信號，實(shí)際所要測的是被測物的重量，因此，秤臺(tái)、支架等是無效的物理量，在信號處理過程中要用軟件方法來消除?！?〕零漂處理零位穩(wěn)定是影響電子秤精度非常重要的因素，因受溫度或其它因素影響將引起零位不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象稱為零漂。由于零漂的影響，零輸入信號時(shí)，輸出可能不為零，為消除這個(gè)零位漂移值，采用零位補(bǔ)償技術(shù)，零位補(bǔ)償就是把這個(gè)零位漂移值儲(chǔ)存起來，每一數(shù)據(jù)采集時(shí)減去這個(gè)數(shù)值，得到的數(shù)值就是消除零漂的有效信號。〔3〕標(biāo)度變換在實(shí)際測量中，被測模擬信號被檢測出來并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，需要轉(zhuǎn)換成操作人員所熟悉的工程量。因?yàn)?，被測對象經(jīng)傳感器、A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量是一系列的數(shù)碼，這些數(shù)碼值并不等于原來帶有量綱的參數(shù)值，它僅僅對應(yīng)于參數(shù)的大小，因此，必須把它轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才能顯示或打印輸出，這種轉(zhuǎn)換就是工程量變換，又稱標(biāo)度變換。對一般的線性系統(tǒng)，其標(biāo)度變換公式如下：Ax=A0+〔Am—A0〕〔Nx—N0〕/〔Nm—N0〕A0：測量范圍最小值A(chǔ)m：測量范圍最大值N0：A0所對應(yīng)的數(shù)字量Nm：Am所對應(yīng)的數(shù)字量Nx：Ax所對應(yīng)的數(shù)字量其中，A0、Am、N0和Nm對于某一固定的被測參數(shù)來說它們是常數(shù)，不同的參數(shù)有著不同的值。對于測重系統(tǒng)而言，標(biāo)度變換實(shí)質(zhì)是建立重量W與A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)N關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。假設(shè)秤臺(tái)和支架重量為W0相應(yīng)的A/D為N0，稱量物體時(shí)，物體、秤臺(tái)和支架總重為W，相應(yīng)的A/D為N，最大量程范圍為Wm，相應(yīng)的A/D為Nm，物體凈重為Wc=W-W0，它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：Wc=W-W0=〔N-N0〕〔Wm-W0〕/〔Nm-N0〕上式標(biāo)度變換中，只考慮了凈重與A/D轉(zhuǎn)換之間的數(shù)學(xué)量的關(guān)系，還沒考慮儀器儀表的精確度等級和分辨率問題。在實(shí)際的稱重系統(tǒng)中，根據(jù)國家計(jì)量法規(guī)要求，系統(tǒng)的分辨率、精確度等級都有明確要求，在硬件配置條件滿足的情況下，分辨率、精確度等級通常通過軟件設(shè)置分度值d、分度數(shù)n來解決。它們與上式的關(guān)系為：Wm-W0=nd=〔Nm-N0〕Kdn=〔Nm-N0〕KK=n/〔Nm-N0〕K稱為標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)〔倍率〕，在軟件設(shè)計(jì)中通常通過一個(gè)調(diào)校子程序來確定，然后存放在一個(gè)能長期保存的存儲(chǔ)器中。測量時(shí)物體的凈重Wc=W-W0=〔N-N0〕Kd〔4〕非線性補(bǔ)償在檢測中，由于檢測傳感器的輸入輸出特性往往只在一定范圍內(nèi)近似呈線性，而在某些范圍內(nèi)那么明顯呈非線性，同時(shí)，傳感器具有離散性，還可能有溫漂、滯后等。在信號處理過程中也常用軟件處理方法來補(bǔ)償和校正以上誤差。常用的非線性補(bǔ)償處理的方法有三種：分段線性插值法、曲線擬合法、查表法。對于不太彎曲的輸入輸出曲線，可采用線性插值法，對于很彎曲的輸入輸出曲線，可采用二次拋物線插值法，對于不規(guī)那么的輸入輸出曲線，可采用分段曲線擬合法。對于用應(yīng)變稱重傳感器的稱重系統(tǒng)來說，由于其非線性度不是很大，所以常采用分段線性插值法?！?〕數(shù)字濾波技術(shù)實(shí)際測量中，由于被測對象的環(huán)境比擬惡劣，干擾源比擬多，各種電子秤在稱量過程中，來自傳感器的有用信號往往混雜有各種頻率的干擾信號。為了抑制某些干擾信號，通常在稱重儀表的信號入口處采用RC低通濾波器，該種濾波器能抵抗高頻干擾信號，但對低頻干擾信號的濾波效果差，而數(shù)字濾波卻可以對極低頻率的干擾信號進(jìn)行濾波。數(shù)字濾波就是在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用一定的計(jì)算方法對輸入的信號進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，減少干擾信號在有用信號中的比重，提高信號的真實(shí)性，它不需要增加硬件，只需根據(jù)預(yù)定的濾波算法編制相應(yīng)的程序，即可到達(dá)信號濾波的目的。數(shù)字濾波可以對各種干擾信號進(jìn)行濾波，其穩(wěn)定性高，濾波參數(shù)修改方便，一種濾波程序可供多個(gè)通道共用。在稱重系統(tǒng)中常用的數(shù)濾波技術(shù)有：程序判斷濾波法、平滑濾波法、中位值濾波法等。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)情況選擇其中一種或幾種濾波方法的組合，對采集信號實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。信號處理電路以下為濾波放大電路圖：圖2-3信號濾波放大圖上圖中電容C5、C6用來濾除采樣信號電壓中的高頻噪聲，選用0.1uF的普通獨(dú)石電容；電容C7、C84用來濾除采樣信號電壓中的低頻噪聲，選用22uF的普通獨(dú)石電容。電阻R3、R4選用較小的阻值，因?yàn)椴蓸有盘栯妷褐抵挥泻练墸云渥柚挡灰颂?，否那么?dǎo)致放大器由于輸入電流太小而放大效果不明顯。微弱信號Vi1和Vi2被分別放大后從AD620的第6腳輸出。A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135的輸入電壓變化范圍是-2V～+2V，傳感器的輸出電壓信號在0～20mv左右，因此放大器的放大倍數(shù)在200～300左右，可將R9接成1K的滑動(dòng)變阻器。由于ICL7135對高頻干擾不敏感，所以濾波電路主要針對工頻及其低次諧波引入的干擾。因?yàn)閴毫π盘栕兓志徛詾V波電路可以把頻率做得很低。圖中的LM741的輸出端與AD620的地端相連，LM741的2腳與6腳相連構(gòu)成電壓跟隨器，R15與正負(fù)電源相接，通過改變R15的阻值可使VO與RET之間的壓差變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)零、去皮的功能。ICL7135與單片機(jī)的接口在讀取A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果時(shí)，選用數(shù)據(jù)選擇器作為數(shù)據(jù)讀取的控制器，這樣簡化了ICL7135與單片機(jī)的接口電路，便于硬件設(shè)計(jì)與軟件編程的實(shí)現(xiàn)。在ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后輸出的/STRB負(fù)脈沖引起AT89S52中斷。同時(shí)在第一個(gè)/STB負(fù)脈沖時(shí)由軟件將P1.7口置0，因而使S=0，使74LS157的Y〔1Y，2Y，3Y，4Y〕=A〔4A，3A，2A，1A〕。AT89S52讀P1.0～P1.3口便讀得BCD碼，此時(shí)D5=1。此后，D4，D3，D2，D1輪流為“1”，即可讀得千位、百位、十位和個(gè)位的BCD碼。前端信號處理電路設(shè)計(jì)如下列圖：圖2-4信號數(shù)模轉(zhuǎn)換圖ICL7135的輸出時(shí)序圖：圖2-5輸出時(shí)序圖在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后立即更新輸出鎖存器并不斷地掃描輸出BCD碼。在A/D轉(zhuǎn)換期間BUSY為低電平，轉(zhuǎn)換完畢后BUSY變?yōu)楦唠娖健/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后立刻順序并連續(xù)不斷地輸出位驅(qū)動(dòng)信號D5、D4、D3、D2、D1〔均為正脈沖〕。當(dāng)D5為高電平時(shí)，B8、B4、B2、B1是萬位BCD碼。同樣當(dāng)D4為高電平時(shí)，B8、B4、B2、B1是千位BCD碼。同理D3、D2、D1 為正脈沖時(shí)各對應(yīng)百、十、個(gè)位的BCD碼。在A/D轉(zhuǎn)換完畢后，還連續(xù)輸出5個(gè)/STB負(fù)脈沖，它們分別位于D5、D4、D3、D2、D1正脈沖的中間，脈沖寬度為T/2。在設(shè)計(jì)時(shí)，還考慮過使用另一種接口電路，它巧妙地運(yùn)用了ICL7135地“Busy”端功能，只要一個(gè)I/O口和單片機(jī)內(nèi)部的一個(gè)定時(shí)器就可把ICL7135的數(shù)據(jù)送人單片機(jī)，可以節(jié)省大量的單片機(jī)資源，減小系統(tǒng)的體積。原理如下：“Busy”輸出端〔ICL7135的21腳〕高電平的寬度等于積分和反積分時(shí)間之和。ICL7135內(nèi)部規(guī)定積分時(shí)間固定為10001個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)間，反積分時(shí)間長度與被測電壓的大小成比例。如果利用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器對ICL7135的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，利用"Busy"作為計(jì)數(shù)器門控信號，控制計(jì)數(shù)器只要在Busy為高電平時(shí)計(jì)數(shù)，將這段Busy高電平時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)的內(nèi)容減去10001，其余數(shù)等于被測電壓的數(shù)值。人機(jī)交互界面模塊設(shè)計(jì)鍵盤輸入控制電路如表2-2ZLG7289引腳說明引腳號名稱說明1，2VDD正電源3，5NC懸空4VSS接地6/CS片選輸入端此引腳為低電平時(shí)可向芯片發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù)7CLK同步時(shí)鐘輸入端向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)此引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效8DATA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端當(dāng)芯片接收指令時(shí)此引腳為輸入端當(dāng)讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)此引腳在讀指令最后一個(gè)時(shí)鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆?/KEY按鍵有效輸出端平時(shí)為高電平當(dāng)檢測到有效按鍵時(shí)此引腳變?yōu)榈碗娖?0~16SG~SA段g~段a驅(qū)動(dòng)輸出17DP小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出18~25DIG0~DIG7數(shù)字0數(shù)字7驅(qū)動(dòng)輸出26OSC2振蕩器輸出端27OSC1振蕩器輸入端28/RESET復(fù)位端低電平有效SPI串行接口工作方式介紹：ZLG7289采用串行方式與微處理器通訊,串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片，并由CLK端同步。當(dāng)片選信號變?yōu)榈碗娖胶螅珼ATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入ZLG7289的緩沖存放器。ZLG7289的指令結(jié)構(gòu)有三種類型：1、不帶數(shù)據(jù)的純指令，指令的寬度為8個(gè)BIT即微處理器需發(fā)送8個(gè)CLK脈沖；圖2-6純指令時(shí)序圖2、帶有數(shù)據(jù)的指令寬度為16個(gè)BIT即微處理器需發(fā)送16個(gè)CLK脈沖；圖2-7帶數(shù)據(jù)指令時(shí)序圖3、讀取鍵盤數(shù)據(jù)指令寬度為16個(gè)BIT，前8個(gè)為微處理器發(fā)送到ZLG7289的指令，后8個(gè)BIT為ZLG7289返回的鍵盤代碼，執(zhí)行此指令時(shí)ZLG7289的DATA端在第9個(gè)CLK脈沖的上升沿變?yōu)檩敵鰻顟B(tài)并與第16個(gè)脈沖的下降沿恢復(fù)為輸入狀態(tài)，等待接收下一個(gè)指令。圖2-8讀鍵盤指令時(shí)序圖下列圖為電路圖：圖2-9鍵盤接口圖圖中P1.5口接/CS；P1.6口接CLK；P1.0口接DIO；P3.2口接/KEY，利用中斷0通知AT89S52讀數(shù)。鍵盤控制芯片ZLG7289控制鍵盤的掃描，當(dāng)監(jiān)測到有鍵按下后ZLG7289的9腳便產(chǎn)生一個(gè)低電平通知單片機(jī)，單片機(jī)可以采用查詢或者中斷方式將數(shù)據(jù)通過P3.0口以串行方式讀入。因?yàn)椴樵兎绞綍?huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，所以本系統(tǒng)采用的是中斷方式。2、參數(shù)選擇參考如下8只下拉電阻和8只鍵盤連接位選線DIG0～DIG7的8只位選電阻應(yīng)遵從一定的比例關(guān)系，下拉電阻應(yīng)大于位選電阻的5倍而小于其50倍，典型值為10倍，下拉電阻的取值范圍是10K～100K，位選電阻的取值范圍是1K～10K。所以取上拉電阻為10K，下拉電阻為100K。ZLG7289需要一外接晶體振蕩電路供系統(tǒng)工作,其典型值分別為F=16MHzC=15pF。實(shí)際使用時(shí)取F=12MHz，C=15pF。LCD顯示電路OCM4x8C是具有串/并接口，其內(nèi)部含有中文字庫的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊。該模塊的控制/驅(qū)動(dòng)器采用臺(tái)灣矽創(chuàng)電子公司的ST7920，因而具有較強(qiáng)的控制顯示功能。OCM4x8C的液晶顯示屏為128×64點(diǎn)陣，可顯示4行、每行8個(gè)漢字。為了便于簡單、方便地顯示漢字，該模塊具2Mb的中文字型CGROM，該字型ROM中含有8192個(gè)16×16點(diǎn)陣中文字庫；同時(shí)，為了便于英文和其它常用字符的顯示，具有16Kb的16×8點(diǎn)陣的ASCII字符庫；為便于構(gòu)造用戶圖形，提供了一個(gè)64×256點(diǎn)陣的GDRAM繪圖區(qū)域，且為了便于構(gòu)造用戶所需字型，提供了4組16×16點(diǎn)陣的造字空間。利用上述功能，OCM4x8C可實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形、自造字體的同屏顯示。為便于和多種微處理器、單片機(jī)接口，模塊提供了4位并行、8位并行、2線串行、3線串行多種接口方式。該模塊具有2.7V～5.5V的寬工作電壓范圍，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可滿足系統(tǒng)各種工作電壓及便攜式儀器低功耗的要求。液晶模塊顯示負(fù)電壓，也由模塊提供，從而簡化了系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)。模塊同時(shí)還提供LED背光顯示功能。除此之外，模塊還提供了畫面去除、游標(biāo)顯示/隱藏、游標(biāo)歸位、顯示翻開/關(guān)閉、顯示字符閃爍、游標(biāo)移位、顯示移位、垂直畫面旋轉(zhuǎn)、反白顯示、液晶睡眠/喚醒、關(guān)閉顯示等操作指令。如表2-3引腳功能說明引腳號名稱說明1VSSGND〔0V〕2VDD邏輯電源〔+5V〕3V0LCD電源〔懸空〕4RS〔CS〕H：數(shù)據(jù)，L：指令5R/W〔SID〕H：讀，L：寫6E〔SCLK〕使能7DB0數(shù)據(jù)08DB1數(shù)據(jù)19DB2數(shù)據(jù)210DB3數(shù)據(jù)311DB4數(shù)據(jù)412DB5數(shù)據(jù)513DB6數(shù)據(jù)614DB7數(shù)據(jù)715PSBH：并行，L：串行16NC空腳17RST復(fù)位〔低電平有效〕18NC空腳19LEDA背光源正極〔LED+5V〕20LEDK背光源負(fù)極〔LED-0V〕電路圖中PSB接低電平，進(jìn)入串行接口模式；串行數(shù)據(jù)線SID接P3.1口；串行時(shí)鐘線SCLK接P1.6；RS固定接高電平。此為典型二線串行模式。字符顯示RAM地址與字符顯示位置關(guān)系：如表2-4RAM地址與字符顯示位置關(guān)系80H81H82H83H84H85H86H87H90H91H92H93H94H95H96H97H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH2/3線串行接口方式：當(dāng)模塊的PSB腳接低電平時(shí)，模塊即進(jìn)入串行接口模式。串行模式使用串行數(shù)據(jù)線SID與串行時(shí)鐘線SCLK來傳送數(shù)據(jù)，即構(gòu)成2線串行模式。OCM4x8C還允許同時(shí)接入多個(gè)液晶顯示模塊以完成多路信息顯示功能。此時(shí)，要利用片選端“CS”構(gòu)成3線串行接口方式，當(dāng)“CS”接高電位時(shí)，模塊可正常接收并顯示數(shù)據(jù)，否那么模塊顯示將被禁止。通常情況下，當(dāng)系統(tǒng)僅使用一個(gè)液晶顯示模塊時(shí)，“CS”可連接固定的高電平。模塊2線串行工作操作時(shí)序如下列圖所示：圖2-102線串行時(shí)序圖由圖3.12可以看出，單片機(jī)與液晶模塊之間傳送1字節(jié)的數(shù)據(jù)共需24個(gè)時(shí)鐘脈沖。首先，單片機(jī)要給出數(shù)據(jù)傳輸起始位，這里是以5個(gè)連續(xù)的“1”作數(shù)據(jù)起始位，如模塊接收到連續(xù)的5個(gè)“1”，那么內(nèi)部傳輸被重置并且串行傳輸將被同步。緊接著，“RW”位用于選擇數(shù)據(jù)的傳輸方向〔讀或?qū)憽?，“RS”位用于選擇內(nèi)部數(shù)據(jù)存放器或指令存放器，最后的第8位固定為“0”。在接收到起始位及“RW”和“RW”的第1個(gè)字節(jié)后，下一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)或指令將被分為2個(gè)字節(jié)來串行傳送或接收。數(shù)據(jù)或指令的高4位，被放在第2個(gè)字節(jié)串行數(shù)據(jù)的高4位，其低4位那么置為“0”；數(shù)據(jù)或指令的低4位被放在第3個(gè)字節(jié)的高4位，其低4位也置為“0”，如此完成一個(gè)字節(jié)指令或數(shù)據(jù)的傳送。需要注意的是，當(dāng)有多個(gè)數(shù)據(jù)或指令要傳送時(shí)，必須要等到一個(gè)指令完成執(zhí)行完畢后再傳送下一個(gè)指令或數(shù)據(jù)，否那么，會(huì)造成指令或數(shù)據(jù)的喪失。這是因?yàn)橐壕K內(nèi)部沒有發(fā)送/接收緩沖區(qū)。報(bào)警電路的設(shè)計(jì)下列圖為系統(tǒng)報(bào)警電路原理圖，用于超載和欠量程提示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)發(fā)光二極管作為超載和欠量程指示燈，使系統(tǒng)更加完善。當(dāng)系統(tǒng)判斷為超載或欠量程時(shí)，ICL7135給輸出一個(gè)高電平信號OR〔超載〕或UR〔欠量程〕，經(jīng)非門后形成低電平從而驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光提示。圖2-11報(bào)警電路原理圖總結(jié)與展望設(shè)計(jì)總結(jié)與感想畢業(yè)設(shè)計(jì)就這樣結(jié)束了，整個(gè)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，經(jīng)歷很多的挫折和失敗，但為了最終獲得成功。一直在不懈努力，到最后收獲真的很大，在深刻地認(rèn)識(shí)到自己在學(xué)習(xí)上的薄弱環(huán)節(jié)的同時(shí)，通過查閱資料和在老師和同學(xué)的幫助下以及理論分析與實(shí)踐的反復(fù)進(jìn)行和論證