基于單片機(jī)的電子稱畢業(yè)設(shè)計論文正文及結(jié)論

1、第1章 緒 論1.1引言在我們生活中經(jīng)常都需要測量物體的重量，于是就用到秤，但是隨著社會的進(jìn)步、科學(xué)的發(fā)展，我們對其要求操作方便、易于識別。隨著計量技術(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、臺秤、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰，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。電子秤向提高精度和降低成本方向發(fā)展的趨勢引起了對低成本、高性能模擬信號處理器件需求的增加。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、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；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非

2、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(jì)效益的提高。稱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)的一個組成部分，推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動化和管理的現(xiàn)代化，它起到了縮短作業(yè)時間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及加強(qiáng)企業(yè)

3、管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。稱重裝置的應(yīng)用已遍及到國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。電子秤是稱重技術(shù)中的一種新型儀表，廣泛應(yīng)用于各種場合。電子秤與機(jī)械秤比較有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、價格低、實(shí)用價值強(qiáng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，可在各種環(huán)境工作，重量信號可遠(yuǎn)傳，易于實(shí)現(xiàn)重量顯示數(shù)字化，易于與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，提高勞動生產(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售速度，也方便了顧客。頂尖條碼標(biāo)簽稱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，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展

4、各國都非常重視。50年代中期電子技術(shù)的滲入推動了衡器制造業(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，隨著時代科技的迅猛發(fā)展，微電子學(xué)和計算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。經(jīng)過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)歷了四個階段，從傳統(tǒng)的全部由機(jī)械元器件組成的機(jī)械稱到用電子線路代替部分機(jī)械元器件的機(jī)電結(jié)合秤，再從集成電路式到目前的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的電子計價秤。我國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)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展；計量方法

5、從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展；測量特點(diǎn)從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展。常規(guī)的測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)的電子測量儀器在遠(yuǎn)離、功能、精度及自動化水平定方面發(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)用工程的自動化程度得以顯著提高。1.3 國內(nèi)外電子稱發(fā)展及成果隨著第二次世界大戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)繁榮，為了把稱重技術(shù)引入到生產(chǎn)工藝過程中去，對稱重技術(shù)提出了心動要求，希望稱重過程自動化，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)器聯(lián)用。在1960年開發(fā)出了與衡器

6、相聯(lián)的專門稱重值打印機(jī)。當(dāng)時帶電子裝置的衡器其稱量工作是機(jī)械式的，但與稱量有關(guān)的顯示、記錄、遠(yuǎn)傳式控制器等功能是電子方式的。電子稱的發(fā)展過程與其他事物一樣，也經(jīng)歷了由簡單到復(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，都離不開能輸出信號的電子衡器。這是由于電子衡器不僅給出質(zhì)量或重量信號，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個單元承擔(dān)著控制和檢驗(yàn)功能，從而推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動化和合理化。近年來電子稱已愈來愈多地參與到數(shù)據(jù)的處理和控制過程中?，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(yùn)技術(shù)、

7、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)及商業(yè)銷售領(lǐng)域中不可或缺的組成部分。隨著稱重傳感器各項(xiàng)性能的不斷突破，為電子稱的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，國外如美國、西歐等一些國家在20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)了0.1%稱量準(zhǔn)確度的電子稱，并在70年代中期約對75%的機(jī)械稱進(jìn)行了機(jī)電結(jié)合式改造。我國的衡器在20世紀(jì)40年代以前還全是機(jī)械式的，40年代開始發(fā)展了機(jī)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量快、讀數(shù)方便、能在惡劣條件下工作、便于與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)

8、合而實(shí)現(xiàn)稱重技術(shù)和過程控制的自動化特點(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(jìn)一步發(fā)展，電子稱重技術(shù)及其應(yīng)用范圍將更進(jìn)一步的發(fā)展，并被人們越來越重視。電子衡器產(chǎn)品量大面廣、種類繁多，從通用的各種規(guī)格的電子稱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)域不斷地擴(kuò)大。根據(jù)近些年來電子稱重技術(shù)和電子衡器的發(fā)展情況及電子衡器市場的需求，電子稱的發(fā)展動向?yàn)椋盒⌒突⒛K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、組合性。1.4 本論文的研究內(nèi)容及

9、結(jié)構(gòu)安排首先是通過壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號。輸出電壓信號通常很小，需要通過前端信號處理電路進(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)過單片機(jī)控制譯碼顯示器，從而顯示出被測物體的重量。按照設(shè)計的基本要求，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、信號的前級處理和V/F轉(zhuǎn)換部分組成。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)動顯示模塊完成人機(jī)間的信息交換。此部分對軟件的設(shè)計要求比較高，系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件來控制。在擴(kuò)展功能上，本設(shè)計增加

10、了一個過載報警提示。本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第1章緒論，簡單介紹了本課題電子稱的研究背景、研究目的、意義及國內(nèi)外的研究狀況。第2章系統(tǒng)方案設(shè)計，本章主要內(nèi)容是電子稱的方案設(shè)計，首先是對整體的方案進(jìn)行選擇與設(shè)計，再針對各個模塊（傳感器、放大模塊、信號轉(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。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計，在選定各個模塊的方案中，對各方案的用到的主要芯片進(jìn)行簡單功能介紹及應(yīng)用，并且給出了本次電路設(shè)計的具體電路圖。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計，本章主要是介紹電子稱的軟件設(shè)計，給出了本次設(shè)計的主程序流程圖及一些模塊的子程序圖。最后，對本次的研究課題的主要工作及結(jié)果做出了總結(jié)與討論，并且指出了

11、本次研究工作中存在的不足和發(fā)現(xiàn)的一些問題。 第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案比較與論證在設(shè)計系統(tǒng)時，針對各個模塊實(shí)現(xiàn)的功能來設(shè)計電子秤的方案有以下幾種：方案一 數(shù)碼管顯示：結(jié)構(gòu)簡圖如下：圖2.1 數(shù)碼管顯示方案此方案利用數(shù)碼管顯示物體重量，簡單可行，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)計出的電子秤系統(tǒng)，硬件部分簡單，接口電路易于實(shí)現(xiàn)，并且在編程時大大減少程序量，在電路結(jié)構(gòu)上只有簡單的輸出輸入關(guān)系。缺點(diǎn)是：硬件部分簡單，雖然可以實(shí)現(xiàn)電子稱基本的稱重功能，但是不能實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，無法根據(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)簡單的數(shù)字和英文字符的顯示，不能顯示漢

12、字以及其他的復(fù)雜字符，不能達(dá)到顯示購物清單的要求。又因?yàn)椴捎昧司哂心?shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)，系統(tǒng)電路過于簡單，系統(tǒng)硬件的擴(kuò)展必受到限制，電子秤的功能過于單一，達(dá)不到設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。方案二 在前一種方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，增加一鍵盤輸入裝置，增加外界對單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)設(shè)定，使電子稱實(shí)現(xiàn)稱重計價的功能。結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示： 圖2.2 帶有鍵盤輸入的結(jié)構(gòu)簡圖此方案設(shè)計的電子秤，可以實(shí)現(xiàn)稱物計價功能，但是局限于數(shù)碼管的功能，在顯示時只能顯示單價、購物總額以及簡單的貨物代碼等。在顯示重量時，如果數(shù)碼管沒有足夠的位數(shù)，那么稱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需

13、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 前端信號處理時，選用放大、信號轉(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，而且滿足設(shè)計要求，可以顯示購物清單、所稱量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容。結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示：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，被測信號經(jīng)放大整形后送入單片機(jī)，由單片機(jī)對測量信號進(jìn)行處理并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系譯碼顯示出被測物體的重量。單片機(jī)控制適合于功能比較簡單的控制系統(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

14、給系統(tǒng)設(shè)計帶來一定的難度。方案四 采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為控制核心采用現(xiàn)場可編程門陣列(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測頻測量精度高，測量頻率范圍大，而且編程靈活、調(diào)試方便，設(shè)計要求的精度較高，所以要求系統(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，采用VHD

15、L編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、LED和LCD驅(qū)動、時鐘芯片的I2C通訊、鍵盤控制等模塊。結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示：圖2.4 電子稱系統(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，同時還可以提高設(shè)計的工藝性和產(chǎn)品的可靠性。雖然以FPGA為核心的電子稱系統(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)的信號處理與接口、雷達(dá)聲納系統(tǒng)的成像控制與數(shù)字處理、數(shù)控機(jī)床的測試系統(tǒng)等方面有廣泛應(yīng)用。鑒于本電子稱的設(shè)計并不太復(fù)雜，單片機(jī)完全能實(shí)現(xiàn)所需功能，所以在具體設(shè)計時，采用了第三種設(shè)計方案。2.2 硬件的方案設(shè)計

16、與論證 傳感器傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換部分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部分?，F(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會進(jìn)入了信息時代，在信息時代人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發(fā)和獲取、傳輸和處理，而傳感器處于自動檢測與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測信息的窗口；傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號。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?/p>

17、獲取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠(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，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、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，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)，幾乎每一個現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。 傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時輸入量和輸出量都和時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一

18、個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。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。傳感器動態(tài)特性是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示3。方案一 壓電傳感器壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)

19、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)簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學(xué)量的測量，不適合測頻率太低的被測量，更不能測靜態(tài)量。目前多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。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非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感器。它有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。電容傳感器可用來檢測壓力、力、位移以及振動學(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

20、容器來說明。兩塊相互平行的金屬極板，當(dāng)不考慮其邊緣效應(yīng)（兩個極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時，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)的相對介電常數(shù)；真空中介電常數(shù)。若被測量的變化使式中、A、三個參量中任一個發(fā)生變化，都會引起電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出4。 雖然電容式傳感器有結(jié)構(gòu)簡單和良好動態(tài)特性等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有不利因素：（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

21、易受外界干擾，信號需經(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。

22、其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。直流電橋的特點(diǎn)是信號不會受各元件和導(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)變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。下圖為一直流供電的平衡電阻電橋，接直流電源E：圖2.5 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖當(dāng)電橋輸出端接無窮大負(fù)載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有：= （2.2）當(dāng)滿足條件R1R3=R2R4時，即（2.3）=0，即電橋平衡。式（2.3）稱平衡條件。應(yīng)變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時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)。若差動工作，即R1=R-R,R2=R+R,

23、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，對試件影響小， 對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場等特殊環(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、自動化測量5。 通過以上對傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。題目要求稱重范圍05Kg,滿量程量誤差不大于0.005Kg，考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，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

24、為0.01% ，滿足本系統(tǒng)的精度要求。 前級放大器部分經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低；經(jīng)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)行信號轉(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：1、輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源內(nèi)阻。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會使所測電壓造成偏差。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

25、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)成多級放大器。普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級放大器會引入大量噪聲。由于信號轉(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 由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動放大器。差動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)做成一個差動放大器，如下圖所示： 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、C3、C4用于

26、濾除前級的噪聲，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)：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大電路，滑動變阻器R6可以調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)，最后一級可以用于微調(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，誤差將會影響輸出精度，難度較大。實(shí)際測量，每一級運(yùn)放都會引入較大噪聲，對精度影響較大12。方案三 采用專用儀表放大器，如：AD620，INA126等。此類芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。以

27、60;INA126為例,接口如下圖所示：圖2.7 INA126儀表放大結(jié)構(gòu)圖放大器增益 ，通過改變RG的大小來改變放大器的增益。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，可實(shí)現(xiàn)11000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）?；谝陨戏治?，我決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器INA126。 信號轉(zhuǎn)換方案一 采用A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換原

28、理：1、逐次逼近法逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時間為微秒級。采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器是由一個比較器、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^，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進(jìn)行試探。逐次逼近法轉(zhuǎn)換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開始時，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，稱為    o，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量i進(jìn)行比較，若o<i，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/

29、A轉(zhuǎn)換器，輸出的    o再與i比較，若o<i，該位1被保留，否則被清除。重復(fù)此過程，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。逐次逼近的操作過程是在一個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間間隔，再把此時間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。雙積分法A/D轉(zhuǎn)換的過程是：先將開關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量i，i采樣輸入到積分器，積分器從零開始進(jìn)行固定時間的正向積分，時間到后，開關(guān)再接通與i極性相反的基

30、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時停止積分。i越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。計數(shù)器在反向積分時間內(nèi)所計的數(shù)值，就是輸入模擬電壓i所對應(yīng)的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。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)測試。逐次逼近型屬于中速A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為納秒級，用于

31、個通道過程控制和聲頻數(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 轉(zhuǎn)換器提供兩個輸入引腳，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啟動轉(zhuǎn)換，這一啟動信號可由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，A/D 轉(zhuǎn)換器芯片電流驟增，時間一長就會燒壞芯片。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，

32、 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，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A/D 轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)的影響，還要注意以下幾個問題：（1）工作電源電壓是否穩(wěn)定；（2）外接時鐘信號的頻率是否合適；（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=2.44

33、g；14位A/D精度：10Kg/16384=0.61g；考慮到其他部分所帶來的干擾，12位A/D轉(zhuǎn)換器無法滿足系統(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17。方案二 采用V/F轉(zhuǎn)換V-F控制的原理是產(chǎn)生一個震蕩頻率的電路叫做壓控震蕩器，是一個壓敏電容，當(dāng)受到一個變化的電壓時候它的容量會變化，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)、長時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。LM3

34、31的動態(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時尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡單，只需接入幾個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。LM331的內(nèi)部電路組成如圖所示。由輸入比較器、定時比較器、RS觸發(fā)器、輸出驅(qū)動管、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成。輸出驅(qū)動管采用集電極開路形式，因而可以通過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

35、，輸出可高達(dá)40V，而且可以防止Vcc短路18。當(dāng)前，12位以上的A/D轉(zhuǎn)換器的價格仍較昂貴，用V/F變換器來代替A/D轉(zhuǎn)換器，在要求速度不太高的場合是一種較好的選擇。從傳感器來的毫伏級的電壓信號經(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)型號的出發(fā)點(diǎn)有以下幾個方面：1、 市場貨源系統(tǒng)設(shè)計者只能在市場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

36、應(yīng)用系統(tǒng)，所選的單片機(jī)型號必須有穩(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，而且能達(dá)到較高的性能價格比。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。影響性能價格比的因素除單片機(jī)的性能價格外，還包括硬件和軟件設(shè)計的容易程度、相應(yīng)的工作量大小，以及開發(fā)工具的性能價格比。3、 研制周期在研制任務(wù)重、時間緊的情況下，還要考慮所選的單片機(jī)型號是否熟悉，是否能馬上著手進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計。與研制周期有關(guān)的另一個重要因素是開發(fā)工具，性能優(yōu)良的開發(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

37、 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程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為 ATMEL AT89xx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了你的勞動成果。再著，AT89C51、AT89S51目前的售價比8031還低，市場供應(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）、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、串

38、行接口、并行I/0接口、定時/計數(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器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(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和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT

39、89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。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廉的方案7。AT89C51單片機(jī)特點(diǎn)能與MCS-51 兼容，有 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命能夠達(dá)到1000寫/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)可以保留時間長達(dá)10年，全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz，三級程序存儲器鎖定，128×8位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，兩個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。所以AT89C51符合本次設(shè)計的主控芯片。 顯示模塊方案一 LED顯示 LED就是light emitting dio

40、de ，發(fā)光二極管的英文縮寫，簡稱LED。它是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。LED顯示器結(jié)構(gòu)：基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七個條狀發(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)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；共陽極LED顯示塊的發(fā)光二極管陽極并接。在設(shè)計中使用LED顯示塊

41、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。LED顯示器有靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示兩種方式。我們使用的為動態(tài)顯示方式。在多位LED顯示時，為了簡化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個8位I/O口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽極點(diǎn)分別由響應(yīng)的I/O口線控制。其中兩片74LS244分別用于段信號和位信號的驅(qū)動，74LS273用于段信號的鎖存，其鎖存地址為7FFFH。 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

42、的簡稱，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，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。比LED要好的多，但是價錢較其貴。在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、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、專用符號和圖形。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，軟硬件都比較簡單，在前面章節(jié)已經(jīng)介紹過，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

43、液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：（1）顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器每一個點(diǎn)在收到信號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（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。（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)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。（3）體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(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，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控

44、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、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、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動通信工具等眾多領(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M×N個顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共16×8=128個點(diǎn)組成，屏上64×16個顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應(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)（000

45、H）=FFH時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點(diǎn)；當(dāng)（3FFH）=FFH時，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H時，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顯示一個字符時比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€字符由6×8或8×8點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應(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。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器

46、的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對應(yīng)的代碼即可。（3）漢字的顯示：漢字的顯示一般采用圖形的方式，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上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示RAM對應(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，送第二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié)直到32B顯示完就可以LCD上得到一個完整漢字。1602字符型LCD簡介字符型液晶顯

47、示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點(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)用中并無差別，1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量:16×2個字符，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:2.95×4.35(W×H)mm19。由于本次設(shè)計的顯示模塊需要顯示多位數(shù)字，如果采用數(shù)碼管顯示的話將會占用多個單片機(jī)I/O口,使得電

48、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。 鍵盤輸入鍵盤輸入是人機(jī)交互界面中重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。操作者通過鍵盤向系統(tǒng)發(fā)送各種指令或置入必要的數(shù)據(jù)信息。因此鍵盤模塊設(shè)計的好壞，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。鍵盤是由若干個按鍵開關(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，每一個鍵相當(dāng)于一個機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)，當(dāng)鍵按下時，觸點(diǎn)閉合，當(dāng)鍵松開時，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。方案一 專用芯片式設(shè)計專用鍵盤處理芯片一般功能比較完善，芯片本身能完成對按鍵的編

49、碼、掃描、消抖和重鍵等問題的處理，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)計的比較成熟的通用鍵盤/顯示器接口芯片，其功能有：接收來自鍵盤的輸入數(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。專用鍵盤處理芯片的優(yōu)點(diǎn)很明顯，可靠性高，口簡單，使用方便，適合處理按鍵較多的情況。但在很多應(yīng)用場合，考慮成本因素，可能并不是最佳選擇。 方案二 矩陣式鍵盤設(shè)計矩陣式鍵盤又叫行列式鍵盤。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2×2的行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成4個鍵的鍵盤，4×4行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成16個鍵的鍵盤。因此，在按鍵數(shù)量較多時，可以節(jié)省I/O口

50、線。相對于專用芯片式可以節(jié)省成本，且更為靈活。缺點(diǎn)就是需要用軟件處理消抖、重鍵等問題。 圖2.9 4×4矩陣鍵盤考慮到成本方面，我決定采用矩陣鍵盤。 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，傳感器需要5V以上的線性電源。穩(wěn)壓電源的設(shè)計，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；

51、另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來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16。此次設(shè)計的穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成，如圖 圖2.10 穩(wěn)壓電源組成圖 方案一 采用LM317、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，不過它只能允許可調(diào)的正電壓，穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流，過熱保護(hù)電路；由一個電阻（R）和一個可變電位器(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，采用兩個獨(dú)立的變壓器分別和LM317及LM337組裝，操作比較簡單。電路圖如下

52、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組裝電路可對稱輸出±12v,其電路圖如圖所示. 圖2.12 LM317與LM337組裝電路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),通過對滑動變阻器的調(diào)整可輸出+5V,±12,(3-9)V連續(xù)可調(diào).其電路組裝比較簡單,但輸出所需電壓時需要調(diào)整可變電阻,不能直接輸出,因此使用時不方便.方

53、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,但電路組裝簡單,不會增添麻煩,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)施方案簡介根據(jù)以上設(shè)計方案，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。AT89C51是一款8位的內(nèi)帶4K程序存儲器的微控制器，考慮到用軟件實(shí)現(xiàn)電子秤系統(tǒng)的各項(xiàng)功能時，所需的軟件量并不是很大，不需要太大的程序存儲空間，因此在對AT89C51實(shí)際設(shè)計時不需要在片外再擴(kuò)展程序存儲器，這樣不僅節(jié)省了硬件資源，也優(yōu)化了電路的設(shè)計。系統(tǒng)的

54、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、信號放大處理和V/F轉(zhuǎn)換部分組成。在具體選擇傳感器時，考慮到在稱量物品時必要的精度、準(zhǔn)確性要求，所稱物品的重量誤差必須要控制在一定的范圍之內(nèi)。另外由于秤臺的自身重量、振動和沖擊分量，以及還要避免物體超重時對傳感器的損壞，所以在選擇傳感器時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)計要求的要大。一般選擇滿量程時候的誤差不能大于規(guī)定量。由于傳感器的輸出信號中含有一定的干擾噪聲，所以必須要對傳感器的輸出信號進(jìn)行濾波，在濾波電路的設(shè)計時利用普通小電容濾除高頻干

55、擾，利用大的電解電容濾除低頻干擾。傳感器輸出的電信號比較微弱，一般為毫伏級，必須采用適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行信號放大處理，這樣才能保證整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性能。這時需要共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度好，而且外部接口簡單的專用儀表放大器INA126。在選擇V/F轉(zhuǎn)換器時根據(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)換速度慢，但精度高，輸入阻抗高，可自動調(diào)零，具有超量程信號，全部輸出的TTL電平信號兼容。作為電子秤，系統(tǒng)對V/F轉(zhuǎn)換的速度要求不高，而且LM331的轉(zhuǎn)換精度足以滿足系統(tǒng)的誤差要求。人機(jī)交互部分的鍵盤在系統(tǒng)中，可以輸入數(shù)字和已經(jīng)固定的控制命令等。在這次設(shè)計

56、中我們采用了4×4鍵盤控制。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，可以一次滿屏幕顯示多個個中文字符或英文字符，滿足電子秤在稱物時的購物清單顯示要求。2.4 本章小結(jié)本章主要是對本次設(shè)計的方案選擇與論證，按照設(shè)計的基本要求，通過分析與論證，最后確定系統(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、信號的前級處理和V/F轉(zhuǎn)換部分組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送給51單片機(jī)控制器處理，由單片機(jī)完成對該數(shù)字量的處理，驅(qū)動液晶顯示模塊完成人機(jī)間的信息交換。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求以及系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，在設(shè)計系統(tǒng)時可以分

57、成以下幾個部分：單片機(jī)控制模塊，前端信號采集、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警功能，還擴(kuò)展了報警電路）。3.1 基于AT89C51的主控電路 AT89C51簡介芯片功能介紹及設(shè)計：AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh  Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(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和閃爍存儲器組合在單個芯片中，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，定時器，計數(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，直到下一個硬件復(fù)位為止。3.1.2 引腳說明AT89C51芯片圖如下： 圖3.1 AT89C51 的引腳圖VCC：供電電壓。   &#