【正文】 設(shè)計 主控電路 主控電路主要是由單片機來控制，而目前市場上單片機種類繁雜，選擇合適的單片機是本次設(shè) 計成功的關(guān)鍵。 考慮到 市場貨源 、 單片機 性價比 、 研制周期 等各方面的因素， 本次設(shè)計 選 擇 宏晶 系列STC125A32S2 單片機作為本次設(shè)計主控電路的芯片。 STC125A32S2 在市場上 供應(yīng)充足，有穩(wěn)定、充足的貨源，可以 方便 買到 ， 而且 它 的性價比高，相比其他系列單片機，同樣性能 的單片機， 宏晶 STC125A32S2 要比其他的單片機價格便宜，適合大規(guī)模的生產(chǎn)制造。最后，由于設(shè)計的時間緊、任務(wù)重，選擇一款熟悉的單片機，必將起到事半功倍的效果，宏晶 STC125A32S2 是我們課程設(shè)計時用的一款單片機，使用次數(shù)比較多，而且相 關(guān)的軟件、驅(qū) 動也可以直接使用，相比其他系列單片機更加容易圖 21 單片機實現(xiàn)方案原理框圖 PC 重力 傳感器 放大電路 A/D 轉(zhuǎn)換 單片機 鍵盤 顯示器 7 盡快投入到設(shè)計。 STC125A32S2 單片機為 增強型 8051 芯片 ， 1T， 單時鐘 / 機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機。 具有 2 個 16 位定時器 / 計數(shù)器， 而且 可用 PCA 模塊再產(chǎn)生 4 個定時器 (2052 系列只有兩路 PCA)，片內(nèi) Flash 程序存儲器有 32K和 1280B 的 SRAM， A/D 轉(zhuǎn)換 , 8 位精度 ADC，共 8 路。 由此，我們最終選擇了 STC125A32S2 單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計?；?STC125A32S2 單片機的主控電路 如圖 31 所示 。 數(shù)據(jù)采集與處理電路 傳感器 傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。 本次設(shè)計選擇壓力傳感器，將壓力轉(zhuǎn)化成電信號，送到電路其他部分進行處理。 圖 31 主控電路 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)1512345678(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40U1STC125A32S21 2Y?XTALVCC30pFC2Cap30pFC1Cap 8 要達到設(shè)計的性能要求傳感器要求，傳感器的精度起著決定性作用。本設(shè)計選用應(yīng)用于稱重系統(tǒng) 90%以上的高精度電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變傳感器是將被測量的力通過它所產(chǎn)生的金屬彈性變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的敏感元 件。題目要求稱重范圍是 0~40Kg，我們選用 YZC1B型稱重傳感器，量程 40Kg， 可以滿足我們的精度要求 。 本設(shè)計的測量電路采用最常見的橋式測量電路（見圖 32），用到的是電阻應(yīng)變傳感器半橋式測量電路。 這種壓力傳感器 的兩只應(yīng)變片和兩只電阻貼在彈性梁上，測量電阻隨重力變化導(dǎo)致彈性梁應(yīng)變而產(chǎn)生的變化。電阻的變化使橋式測量電路的輸出電壓發(fā)生變化 。即 傳感器 輸出電壓的變化反映出重力的變化。電橋的輸出電 壓可由 式 ()表示 。 E i nRR RRE ??????? ??????? R4△R 4R3△R 3R2△R 2R1△R 142 42out () 式 ()說明電橋的輸出電壓 V 和四個橋臂的應(yīng)變片感受的應(yīng)變量的代數(shù)和成正比。 運放與 A/D 轉(zhuǎn)換器部分 經(jīng)由傳感器轉(zhuǎn)換后輸出的電壓信號為 非常微小，僅為 毫伏級； 因此 經(jīng)由電橋電路變換后的信號直接用來顯示、記錄、控制或進行 A/D 轉(zhuǎn)換 是比較困難的 。 而在 測量電路中 設(shè)置模擬放大環(huán)節(jié) ，即可解決這一問題 。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運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。 我們采用儀表放大器 INA128，此芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻圖 32 橋式測量電路圖 9 抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。放大器增益RgK??? 501G，通過改變 Rg的大小來改變放大器的增益。 INA128 構(gòu)成的放大器電路如圖 33所示 。 通過調(diào)節(jié) Rg 的阻值來改變放大倍數(shù)。微弱信號 Vi1 和 Vi2 被分別放大后從 INA128 的第 6腳輸出。 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS774JP 的輸入電壓變化范圍是 0～ 10V 和 0～ 20V，我們本次選用 0～ 10V 檔， 根據(jù)附錄圖 2可知，傳感器的敏感度為 2m/V，因此 傳感器的輸出電壓信號在 0～ 5*2mV 范圍內(nèi)， 可以將儀表放大器 INA128 的 放大倍數(shù) 應(yīng)該調(diào) 在 500～ 600 左右 ，而且可以在調(diào)試過程中進行調(diào)節(jié) 。 精度要求的 20g，最大量程的 40Kg， 40000/20=2021，因此要求的 A/D 轉(zhuǎn)換器最少應(yīng)該達到 11位，才能滿足精度要求。單片機內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換器是 8位，無法滿足，我們選用 A/D轉(zhuǎn)換器 ADS774JP 來進行本次試驗。 ADS774JP 是由 BurrBown 公司生產(chǎn)的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器， 是一款完整的多用途 12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括對用戶透明的片上采樣保持放大器 (SHA)、 10 V 基準(zhǔn)電壓源、 時鐘和三態(tài)輸出緩沖器，可與微處理器接口。 ADS774JP 的交流參數(shù)（如 S/(N+D)、 THD 和 IMD 等）和直流參數(shù)（失調(diào)、滿量程誤差等）均完全合乎額定要求，因而成為信號處理和傳統(tǒng)直流測量應(yīng)用的理想之選。 ADS774JP 芯片采用 28 腳 DIP 封裝，采用單 5V 電源供電，片內(nèi)含有采樣保持、電壓基準(zhǔn)和時鐘等電路。它所需外圍器件少、接口方便且運算速度快，可用于高精度檢測系統(tǒng)。圖 33 INA128 放大器電路圖 10 采用 CMOS 工藝制造和電荷重新分配技術(shù)進行逐次逼近來實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換?該芯片轉(zhuǎn)換速度快（最大轉(zhuǎn)換時間不超過 ）、功耗低（最大功耗小于 120mW） ,模擬輸入范圍可以是 0～10V、 5～ 10～ 10 和 0～ 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖 34所示 。 STATUS 作為轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志信號與單片機相連，以 STATUS 輸出的電平判斷轉(zhuǎn)換是否完成。 ADS774JP 輸出的 12位數(shù)據(jù)由 DB0ˇ DB11 端口發(fā)送給單片機，由單片機處理，并輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 人機交互部分 鍵盤輸入 本設(shè)計系統(tǒng)除了前面所述的兩個結(jié)構(gòu)外，還需要用到人機聯(lián)系部件以便接收各種命令和數(shù)據(jù)，即價格數(shù)據(jù)的輸入、清零、去皮重、計量單位選擇、累計等命令的輸入。 4*4 矩陣 鍵盤 是一種功能較完善的鍵盤電路，占用 I/O 少 ， 8 個端口即可實現(xiàn) 16 位鍵盤值輸入，而且 4*4 矩陣鍵盤編程簡單，大大簡化了程序。 圖 34 ADS774JP 管腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 11 因此， 本設(shè)計采用了最常用 4*4 矩陣鍵盤輸入數(shù)據(jù)。兩個獨立按鍵用于電子秤與時鐘之間的功能切換。電路原理圖 和 電子秤鍵盤面板 功能表 如 圖 35 和表 31 所示 。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 時鐘 設(shè)定價格 去皮 計量單位 累計 確定 /返回 輸出顯示 單片機的人機交流界面中，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， 但是 系統(tǒng)需要設(shè)置顯示單價，重量，金額，時間如期等數(shù)據(jù)，考慮到以上綜合因素我選用 LCD1602 液晶顯示模塊 。 LCD1602 液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式 LCD，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便 ，其 引腳接口說明如表 32所示 。 系統(tǒng)電源 電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的 78 系列和負電壓輸出的79 系列。顧名思義，三端 IC 是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別圖 35 盤控制電路圖 表 31 電子秤鍵盤面板 功能 表 12 是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子 像 是普通 的三極管， TO 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有 9013樣子的 TO92 封裝。 用 78/79 系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 IC 型號中的 78或 79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如 7806 表示輸出電壓為正 6V， 7909 表示輸出電壓為負 9V。 因此 本系統(tǒng)采用 有正電壓輸出的 78 系列和負電壓輸出的 79 系列 的三段穩(wěn)壓集成電路， A/D 轉(zhuǎn)換器用 780 7815 和 7915 來供電； 放大器用 7812 和 7912 供電 ； 單片機由 7805直接供電，由于系統(tǒng)功率較小，不需要在外接散熱片 給穩(wěn)壓芯片散熱。 7812 和 7912 的供電應(yīng)用電路圖如圖 36所示 。 圖 36 7812 和 7912 的 穩(wěn)壓電源電路 表 32 1602 引腳接口說明表 1 2 3JP17812D1Bridge11 2 3JP2791210uFC1Cap Pol110uFC4Cap Pol110uFC2Cap Pol110uFC3Cap Pol1+12v12v12v 13 4 系統(tǒng) 軟件 設(shè)計 主程序 程序采用模塊技術(shù)設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)功能，將軟件分為若干個功能相對獨立的模塊，為每一個模塊設(shè)計程序流程圖。該秤功能程序模塊包括：系統(tǒng)初始化、 Ａ /Ｄ 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理、鍵盤中斷處理、顯示模塊，數(shù)據(jù)處理模塊。 圖 41 主程序流程圖 14 軟件程序包括主程序、 串口通信程序、 顯示程序 、鍵盤 掃描 程序、Ａ /Ｄ轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理程序和電子時鐘程序。鍵盤程序完成掃描，判斷數(shù)字鍵或功能鍵，若為數(shù)字將其數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和顯示緩沖區(qū)。若是功能鍵進入相應(yīng)功能鍵處理程序。鍵盤上有數(shù)字鍵 0~9和五個功能鍵，數(shù)字鍵用于輸入商品單價 和電子時鐘調(diào)時 ，功能鍵有去皮、清零、 數(shù)字時鐘 、計量單位選擇、累計以及調(diào)電子時鐘時間等功能。 Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換程序主要是是判斷Ａ /Ｄ轉(zhuǎn)換器的標(biāo)志位狀態(tài)， STATUS 作為狀態(tài)信息被查詢， 當(dāng)轉(zhuǎn)換開始時， STATUS 達到高電平，轉(zhuǎn)換過程中保持高電平，轉(zhuǎn)換完成時返回低電平。 系統(tǒng)的主程序流程 圖如圖 41所示。 擴展功能程序 圖 42 電子時鐘流程圖 15 系統(tǒng)不 會 一直工作在稱重狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)不稱重的時候，會造成系統(tǒng)資源浪費。這時候可以切換的程序的電子時鐘功能狀態(tài)，時鐘以秒單位來計，由單片機的定時器中斷來產(chǎn)生，相比用延時程序更加精確，而且占用資源少。電子時鐘顯示年月日和時分秒，并且可以手動對時間調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)工作在稱重狀態(tài)或者調(diào)時間狀態(tài)時，不會影響時間程序的運行。電子時鐘流程圖如圖 42 所示 。 電子稱的使用過程中如果能將每次稱量的重量和價錢記錄下來，并加以保存，那么使用者可以在 需要的時候可以進行查詢，以便了解電子稱的使用情況。 根據(jù)此設(shè)計思想，給系統(tǒng)添加與電腦串口通信的功能，以此功能可以實現(xiàn)保存稱量的重量和價錢。主要流程圖如圖 43 所示。 5 系統(tǒng) 調(diào)試 將器件按照電路附錄圖 1 連接，并將程序燒寫進單片機 。連接好后將電子秤放平，把開始 串口初始化 判斷稱量物品是否改變 將浮點型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符型 發(fā)送數(shù)據(jù)到串口 圖 43 串口程序流程圖 16 砝碼往秤上放，讀取顯示重量。設(shè)置單價，當(dāng)物件重量變化時，讀取相應(yīng)的金額。使用累計功能，讀取總重量。并依次測試電子秤的去皮、計量單位選擇、電子時鐘功能是否可以使用。 按照以上方法測試得到表 51 數(shù)據(jù)。 實際重量 （克） 測試重量（克） 絕對誤差 單價（元） 顯示金額 20 20 0 40 40 0 75 80 5 20 98 100 2 從表 51可知