【正文】 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(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)量的彈簧秤，居民用戶(hù)使用的基本是桿秤。彈簧盤(pán)秤制造工藝要求較高，彈簧的疲勞問(wèn)題無(wú)法徹底解決，一旦超過(guò)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(chēng)重的準(zhǔn)確性和可靠性，只是一種暫時(shí)的代用品，也被列入逐漸 取消的行列。多年來(lái)，人們一直期待測(cè)量準(zhǔn)確、攜帶方便、價(jià)格低廉的便攜式電子秤投放市場(chǎng)。基于電子秤的現(xiàn)狀，本項(xiàng)目擬研究一種用單片機(jī)控制的多功能電子秤設(shè)計(jì)方案。這種多功能電子秤體積小、計(jì)量準(zhǔn)確、攜帶方便，平且集質(zhì)量稱(chēng)量功能與價(jià)格計(jì)算功能以及時(shí)間顯示于一體，能夠滿(mǎn)足商業(yè)貿(mào)易和居民家庭的使用需求。本系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便，誤差小，精度高等特點(diǎn)，并可直接數(shù)字測(cè)量結(jié)果。 國(guó)內(nèi)外研究情況 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)，經(jīng)過(guò) 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。我國(guó)電子衡器的技術(shù)裝備和檢測(cè)試驗(yàn)手段基本達(dá)到國(guó)際 90年代中期的水平。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)已從單參數(shù)測(cè)量向多參數(shù)測(cè)量發(fā)展，特別是對(duì)快速稱(chēng)重和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的研究與應(yīng)用。但就總體而言，我國(guó)電子衡器產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距，其主要差距是技術(shù)與工藝不夠先進(jìn)、工藝裝備與測(cè)試儀表老化、開(kāi)發(fā)能力不足、產(chǎn)品的品種規(guī)格較少、功能不全、穩(wěn)定性和可靠性較差 等。 物品稱(chēng)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。傳統(tǒng)的量具是 2 桿稱(chēng)或盤(pán)稱(chēng)， 2O 世紀(jì) 7O 年代開(kāi)始出現(xiàn)了電子稱(chēng)。早期的電子稱(chēng)多通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展．?dāng)?shù)字芯片的價(jià)格逐漸下降，模擬控制已逐步被數(shù)字控制所替代，電子稱(chēng)的設(shè)計(jì)模式也大都以微處理器為核心，使精度和可靠性都有了明顯得提高。因?yàn)樾⌒蜕逃秒娮臃Q(chēng)對(duì)適時(shí)性要求不高，運(yùn)算也不太復(fù)雜，所以用 8位微處理器足可滿(mǎn)足要求。 電子稱(chēng)重系統(tǒng)必須將多只傳感器的輸出進(jìn)行和算，才能得到完整準(zhǔn)確的稱(chēng)重結(jié)果。從 2O 世紀(jì) 7O 年代的模擬串聯(lián)和算到 8O 年 代的模擬并聯(lián)和算，和算技術(shù)的發(fā)展大幅度降低了電子秤的成本，提高了可靠性和穩(wěn)定性。但是，模擬并聯(lián)和算也存在不足：如對(duì)傳感器的一致性要求較高、無(wú)法對(duì)單個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)、電子秤四角偏差調(diào)試復(fù)雜等。目前，解決上述問(wèn)題的最好方法是采用數(shù)字和算或數(shù)?；旌虾退?。由于信號(hào)放大器成本的不斷下降以及 A／ D轉(zhuǎn)換器性能的大幅度提高，數(shù)字和算無(wú)論在技術(shù)上還是在經(jīng)濟(jì)上都進(jìn)入了實(shí)用階段。 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。目前大多數(shù)電子秤是以 1:3,000或 1:10,000的分辨率輸出最終的稱(chēng)重值的，這樣的系統(tǒng)一般使用 12 bit 至 14 bit 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器就很容易滿(mǎn)足要求。然而，高精密檢測(cè)的電子秤如果要達(dá)到這種分辨率，那么 ADC 的精度需要接近于 20 bit。 本設(shè)計(jì)的任務(wù)和主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下： 1) 運(yùn)用電阻應(yīng)變式傳感器并采用全橋測(cè)量電路 2) 設(shè)計(jì)一款電子秤 3) 用 12864液晶顯示器顯示被稱(chēng)物體的質(zhì)量和時(shí)間 4) 三運(yùn)放大電路 5) A/D轉(zhuǎn)換電路 6) 時(shí)間模塊電路 3 第二章 方案論證 單片機(jī)選擇 方案一 采用常用的 89C52 控制。技術(shù)比較 成熟 ，應(yīng)用廣泛。 現(xiàn)在的 51 系列技術(shù)硬件發(fā)展的非?？?，出現(xiàn)了許多功能非常強(qiáng)大的單片機(jī) ，因此使用單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)要求的基本功能，并且容易操作。 方案二 應(yīng)用 AVR， AVR是一種 高性能、低功耗的 高性能 微處理器 ，它采用哈佛結(jié)構(gòu)，廢除了復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)追求指令完備的做法；采用精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)，以字作為指令長(zhǎng)度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中；取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，可高速執(zhí)行指令。 AVR單片機(jī)資源豐富，性能優(yōu)異，具有良好的抗干擾特性。 ATmega16是基于增強(qiáng)的 AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS微控制器。 ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS/MHz而且 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周內(nèi)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。并通過(guò)將 8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)。但對(duì)于我們來(lái)說(shuō)編程還是有一定的難度。 通過(guò)比較采用熟悉 89C52，我們選擇方案一。 顯示部分 顯示部 分是本次設(shè)計(jì)不可缺少的一部分，對(duì)于能顯示主要數(shù)據(jù)的有以下兩種方案： 方案一：采用 1602液晶顯示， 1602液晶最多只能顯示 16179。 2個(gè)字符（ 即 32個(gè)字符 ） ， 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（ CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了 160個(gè) 不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、日文假名等， 和單片機(jī)系統(tǒng)的接口簡(jiǎn)單可靠，操作方便 ，和別的液晶顯示器相比其體積小，重量輕和 低功耗。不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。 但不能顯示中文，顯示的內(nèi)容受到一 定的限制 。 方案二：采用 12864 液晶顯示， 12864 液晶 帶中文字庫(kù)的 128X64 是一種具有4 位 /8 位并行、 2線(xiàn)或 3 線(xiàn)串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文 4 字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 128179。 64, 內(nèi)置 8192 個(gè) 16*16 點(diǎn)漢字，和 128 個(gè) 16*8 點(diǎn) ASCII 字符集 .利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示 8179。 4 行 16179。 16 點(diǎn)陣的漢字 . 也可完成圖形顯示 .低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔。 由于本設(shè)計(jì)要 顯示的內(nèi)容比較多，而且?guī)в兄形娘@示，所以我們采用方案二。 數(shù)字時(shí)鐘 數(shù)字時(shí)鐘是本設(shè)計(jì)的重要的部分。根據(jù)需要，可利用兩種方案實(shí)現(xiàn)。 方案一：本方案完全用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘。原理為：在單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器設(shè)三個(gè)字節(jié)分別存放時(shí)鐘的時(shí)、分、秒信息。利用定時(shí)器與軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn) 1 秒定時(shí)中斷，每產(chǎn)生一次中斷，存儲(chǔ)器內(nèi)相應(yīng)的秒值加 1；若秒值達(dá)到 60，則將其清零，并將相應(yīng)的分字節(jié)值加 1；若分值達(dá)到 60，則清零分字節(jié)，并將時(shí)字節(jié)值加 1；若時(shí)值達(dá)到 24，則將時(shí)字節(jié)清零。該方案具有硬件電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但當(dāng)單片機(jī)不上電，程序?qū)?不執(zhí)行。且由于每次執(zhí)行程序時(shí)，定時(shí)器都要重新賦初值，所以該時(shí)鐘精度不高。 方案二： DS1302是美國(guó) DALLAS 公司最新推出的時(shí)鐘芯片，采用 CMOS 技術(shù)制成，把時(shí)鐘芯片所需的晶振和外部鋰電池相關(guān)電路集于芯片內(nèi)部，采用 DS1302芯片設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路勿需任何外圍電路并具有良好的微機(jī)接口。 DS1302芯片具有 超低 耗、外圍接口簡(jiǎn)單、精度高、工作穩(wěn)定可靠 ，能夠 計(jì)秒、分、時(shí)、天、星期、日、月、年，并有閏年補(bǔ)償功能等優(yōu)點(diǎn)， 而且具有 定 時(shí) 中斷、周期性中斷、時(shí)鐘更新周期結(jié)束中斷 等特點(diǎn)，故 廣泛用于各種需要較高精度的實(shí)時(shí)時(shí) 鐘場(chǎng)合 。 基于時(shí)鐘芯片的上述優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用方案二完成數(shù)字時(shí)鐘的功能。 放大部分 對(duì)于放大電路的選擇有以下兩種方案： 方案一：采用 OP07 芯片組成的三運(yùn)放電路， Op07 芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的單運(yùn)算放大器集成電路。由于 OP07 具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于 OP07A最大為 25μ V），所以 OP07 在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。 OP07 同時(shí)具有輸入偏置電流低（ OP07A 為177。 2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于 OP07A 為 300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得 OP07 特別適 用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。但要組成三運(yùn)放就要到 3個(gè) OP07 組成的電路，設(shè) 5 計(jì)電路相對(duì)復(fù)雜，而且外來(lái)干擾比較難控制。 方案二： 采用 AD620 芯片組成的放大電路， AD620 是一款低成本，高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)計(jì)增益其范圍為 1 至 ， AD620 采用8 引腳 SOIC 和 DIP 封裝，尺寸小于分立電路設(shè)計(jì)，并且功耗更低（最大工作電流） ,因而非常適合電池供電及便攜帶（或遠(yuǎn)程）應(yīng)用。 AD620 具有高精度（最大非線(xiàn)性都 10ppV/c? ）特性，是電子秤和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選，此外， AD620 還具有低噪聲，抗干擾性好，低輸入偏置電流和低功耗特性。 通過(guò)以上的比較，故采用方案二設(shè)計(jì)電路比較簡(jiǎn)單。 A/D 轉(zhuǎn)換器選擇 A/D 轉(zhuǎn)換部分是本次設(shè)計(jì)最核心的部分，對(duì)于 A/D 轉(zhuǎn)換器的選者有以下兩種方案： 方案一：采用 V/F變換芯片 LM331， LM331 是使用壓頻變換器件，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)計(jì)數(shù)獲得重物的重量，此方案，可不用 A/D，但需要比較復(fù)雜的小信號(hào)放大、 調(diào)理電路，并且 LM331 外圍電路較繁瑣，參數(shù)配置相對(duì)嚴(yán)格，故未采用。 方案二：采用 MAX187 A/D 轉(zhuǎn)換芯片， MAX187 串行 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以在單5V 電源下工作，接受 0－ 5V 的模擬輸入。 MAX187 為逐次逼近式 ADC，快速采樣 /保持（ ），片內(nèi)時(shí)鐘，高速 3 線(xiàn)串行接口。 MAX18 轉(zhuǎn)換速度為 75Ksps。通過(guò)一個(gè)外部時(shí)鐘從內(nèi)部讀取數(shù)據(jù)，并可省卻外部硬件而與絕大多數(shù)的數(shù)字信號(hào)處理器或微控制器通訊。同時(shí) MAX187 有內(nèi)部基準(zhǔn)， MAX187 采用節(jié)約空間的 8 腳 DIP 和16 腳 SO 封裝。 電源消耗為 ，在關(guān)斷模式下可以減少至 10uW。優(yōu)異的 AC 特性和極低的電源消耗，同時(shí)及其容易的使用和較小的封裝尺寸使得 MAX187 能理想的應(yīng)用于遠(yuǎn)程 DSP 和傳感器，或者應(yīng)用于對(duì)電源消耗和空間極為苛刻的地方。 基于 AD620的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用方案二。 壓力傳感器部分 應(yīng)變片式電阻傳感器按其測(cè)量電路（橋式）可分為單臂式、半橋式、全橋式三種。但考慮到精度的問(wèn)題，有以下兩種方案： 方案一：采用半橋式的傳感器，所謂半橋，即將電橋的四臂接入四應(yīng)變片。 6 其中：一片受拉，一片受壓，另外兩 應(yīng)變片不受力。所以誤差比較大而成精度相對(duì)來(lái)說(shuō)還是不夠高。 方案二：采用全橋式的傳感器，所謂全橋，即將電橋的四臂接入四應(yīng)變片。兩片受拉，兩片受壓，因此全橋式等臂電橋的靈敏度最高而且靈敏度比半橋式的大一倍，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷(xiāo)，所以稱(chēng)重傳感器均采用全橋式等臂電橋。其中全橋式 Hl8 傳感器比較好。 基于全橋式的壓力傳感器達(dá)到的精度較高的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用方案二。 7 第三章 總體方案 工作原理 當(dāng)物體放在秤重盤(pán)上，壓力施給傳感器，該傳 感器會(huì)產(chǎn)生形變，而使之阻抗發(fā)生變化的，從而使激勵(lì)電壓產(chǎn)生改變，輸出一個(gè)變化的摸擬信號(hào)，該模擬信號(hào)通過(guò) AD620芯片的電路放大，送給采用 MAX187芯片 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號(hào)，然后將信號(hào)送至 CPU 中央處理器進(jìn)行運(yùn)算控制，同時(shí)采用 DS1302芯片來(lái)輸出時(shí)鐘信號(hào)送給 CPU， CPU 根據(jù)鍵盤(pán)命令及程序?qū)?shù)據(jù)傳送致 12864液晶顯示出來(lái) 。 基本工作原理框圖如下： 圖 31 基本工作原理框圖 系 統(tǒng)各模塊的最終方案 經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析和論證，我們決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下： （ 1）控制器：采用 89C52 單片機(jī) （ 2）顯示：采用 12864 液晶顯示 （ 3）時(shí)鐘芯片：采用 DS1302 芯片實(shí)現(xiàn) （ 4）放大器：采用 AD620 芯片實(shí)現(xiàn) （ 5） A/D 轉(zhuǎn)換器：采用 MAX187 芯片實(shí)現(xiàn) （ 6）壓力傳感器：采用型號(hào) H18 的傳感器實(shí)現(xiàn) （ 7） 電源：采用177。 5V.+12V 電源供電 時(shí)鐘芯片 MCU AT8952 12864 顯示 鍵盤(pán) 報(bào)警 A/D轉(zhuǎn) 換 濾波 信號(hào)放大 傳感信號(hào) 信號(hào) 8 第四章 硬件電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì) AT89S52 的簡(jiǎn)介：（芯片介紹不能超 過(guò) 1 頁(yè)，挑重要的就行，不能長(zhǎng)篇介紹） 近十幾年來(lái)，單片機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程控制、自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計(jì)算、商業(yè)管理和辦公室自動(dòng)化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)具有體積小、重量輕、耗能省、價(jià)格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定位、汽車(chē)火花控制、交通自動(dòng)管理和微波爐等專(zhuān)用控制上。近幾年來(lái)，單片機(jī)的發(fā)展更為迅速，它已滲透到諸多學(xué)科