【正文】 AbstractElectronic scale is a electron weighing apparatus used in everyday life, intelligent electronic scales measurement accuracy, fast, easy to realtime measuring and monitoring, bee the mainstream of the fields products.This design is a weighing system based on MSP430 MCU, which can realize the 0 ~ 500g clog precision measurement. The system hardware circuit including MSP430 microcontroller smallest system, sensor circuit, signal regulate circuit, AD acquisition circuit, LCD display circuit, power management circuit to wait for a few parts. Systems use bridge type strain film sensor measuring weight and output voltage signal, after filtered signal disposal circuit, the amplification frequencyfield handed to SCM processing information, and will weight realtime display. System software including AD sampling, filter and show program. The paper also explains in detail the design debugging process and in during the missioning of the problems and solving methods. This design pleted each function, weighing systems by missioning, the effect is good, has certain practical value.Keywords：MSP430；weighing apparatus；LCD；基于 MSP430 的稱重系統(tǒng)01 引言 課題研究背景及意義 隨著時(shí)代科技的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的提高，給傳統(tǒng)的電子測(cè)量技術(shù)帶來(lái)了巨大的沖擊和影響。常規(guī)的測(cè)試儀器儀表和控制裝置被更先進(jìn)的儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在原理、功能、精度及自動(dòng)化水平等方面發(fā)生了巨大變化，并相應(yīng)的的出現(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(dòng)化程度顯著提高。通過(guò)分析近年來(lái)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)性能趨向于速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計(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。電子秤是日常生活中常用的電子衡器，廣泛的應(yīng)用于超市，物流配送中心，大中型商場(chǎng)。電子秤在結(jié)構(gòu)和原理上取代了以杠桿平衡為原理的機(jī)械式稱量工具。相比傳統(tǒng)機(jī)械式稱量工具，電子秤具有裝機(jī)體積小，稱量精度高，應(yīng)用范圍廣，易于操作和使用等優(yōu)點(diǎn)，在工作原理，外形布局，結(jié)構(gòu)和材料上都是全新的計(jì)量衡器。電子秤的設(shè)計(jì)首先是通過(guò)壓力傳感器采集被測(cè)物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。輸出電壓信號(hào)通常很小，需要通過(guò)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) AD 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并送入到主控電路的單片機(jī)中，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制顯示外設(shè)，顯示出稱量數(shù)值。作為重量測(cè)量的儀器，智能電子秤在各行各業(yè)開(kāi)始呈現(xiàn)其測(cè)量準(zhǔn)確，測(cè)量速度快，易于實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控的巨大優(yōu)點(diǎn)，并開(kāi)始逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械杠桿測(cè)量秤，成為測(cè)量領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。 研究現(xiàn)狀20 世紀(jì)前期，我國(guó)的衡器制造業(yè)主要以杠桿原理的機(jī)械式為主，20 世紀(jì)后期，我國(guó)的衡器不斷發(fā)展，由過(guò)去的全機(jī)械式進(jìn)入機(jī)電結(jié)合式，在幾十年的發(fā)展和完善中，發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。我國(guó)電子衡器的檢測(cè)試驗(yàn)手段和技術(shù)裝備基本達(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。電子秤重技術(shù)從靜態(tài)稱重技術(shù)向動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)發(fā)展；計(jì)量方法從模擬量向數(shù)字量發(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)動(dòng)態(tài)稱重和快速稱重的研究與應(yīng)用。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)家還有較大差距。其主要差距是技術(shù)與工藝不基于 MSP430 的稱重系統(tǒng)1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。眾所周知，傳統(tǒng)的量具是桿秤或盤秤，20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始出現(xiàn)電子秤。早期的電子秤多數(shù)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，電子秤的設(shè)計(jì)也大都以微處理器為核心，使精度和可靠性都有了明顯提高。由于小型商用電子秤運(yùn)算不太復(fù)雜，所以用 8 位微處理器即可滿足要求。電子秤重系統(tǒng)必須將多只傳感器的輸出進(jìn)行計(jì)算，才能得到完整準(zhǔn)確的稱重結(jié)果。從 20 世紀(jì) 70 年代的模擬串聯(lián)計(jì)算到 80 年代的模擬并聯(lián)計(jì)算，計(jì)算技術(shù)的發(fā)展大幅度即降低了電子秤的成本，又提高了可靠性和穩(wěn)定性。但是，模擬并聯(lián)計(jì)算也存在不足：如對(duì)傳感器的一致性要求較高、電子秤四角偏差調(diào)試復(fù)雜無(wú)法對(duì)單個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)等。目前，解決上述問(wèn)題的最好方法是采用數(shù)字計(jì)算或數(shù)?；旌嫌?jì)算。由于信號(hào)放大器成本的不斷下降及 AD轉(zhuǎn)換器性能的大幅度提高，數(shù)字計(jì)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的分辨率輸出最終稱重值的，這樣的系統(tǒng)一般使用 12 bit 至 14 bit 的 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換器就很容易滿足要求。然而，高精密檢測(cè)的電子秤如果要達(dá)到要求，那么 ADC 的精度需要接近于 20 bit。 論文主要內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo)學(xué)習(xí) MSP430 系列 MSP430XF425 單片機(jī)的使用，結(jié)合 IAR 編譯器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一種稱重系統(tǒng)用于測(cè)量量程在 0~500g 物體的質(zhì)量。利用傳感器測(cè)量橋式電路的壓差，采用差分放大電路放大壓差信號(hào)，使其達(dá)到可使單片機(jī)識(shí)別的電壓，通過(guò)單片機(jī)的處理并顯示出來(lái)。 預(yù)期目標(biāo)：正確的設(shè)計(jì)稱重系統(tǒng)方案，編寫程序?qū)崿F(xiàn)要求的控制算法。設(shè)計(jì)完成一種具有響應(yīng)快、精確度高、穩(wěn)定性好的稱重系統(tǒng)。 論文組織結(jié)構(gòu)具體章節(jié)安排如下：第 1 章介紹了本課題的研究背景、研究意義與研究現(xiàn)狀，本論文的主要研究?jī)?nèi)容、所要解決的問(wèn)題及最終所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。第 2 章概述了本課題部分知識(shí)的理論基礎(chǔ)，對(duì)橋式傳感器、模擬放大電基于 MSP430 的稱重系統(tǒng)2路、液晶顯示進(jìn)行了介紹。重點(diǎn)學(xué)習(xí)了橋式傳感器與模擬放大電路相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)分析，選擇系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和各模塊的設(shè)計(jì)方案。第 3 章介紹了稱重系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行了說(shuō)明。第 4 章介紹了稱重系統(tǒng)模塊的軟件設(shè)計(jì)，對(duì)程序流程設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。第 5 章對(duì)完成稱重系統(tǒng)的制作，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試并總結(jié)。基于 MSP430 的稱重系統(tǒng)32 稱重系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 稱重系統(tǒng)基本工作原理稱重系統(tǒng)的主要工作原理是：將應(yīng)變片粘至金屬力臂上側(cè)，力臂上放置秤盤，重物放入秤盤時(shí)產(chǎn)生壓力，使應(yīng)變片發(fā)生形變從而產(chǎn)生電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理后傳至微控制器處理顯示。稱重系統(tǒng)主要包括：橋式應(yīng)變傳感器、放大電路、AD 轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、顯示電路和電源管理電路等部分，圖 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖。微處理器壓力傳感器電源管理系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電路A DL C D 顯示圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖 稱重系統(tǒng)模塊方案設(shè)計(jì) 整個(gè)硬件系統(tǒng)由五大模塊組成，下面以控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依據(jù)就針對(duì)各模塊做具體的方案設(shè)計(jì)。 主控制器模塊方案設(shè)計(jì)方案一：選用 51 系列單片機(jī)作為稱重系統(tǒng)的主控制芯片，51 系列單片機(jī)是 8 位微處理器，使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低，但是本稱重系統(tǒng)需要涉及到高速 AD的數(shù)據(jù)處理，51 系列單片機(jī)運(yùn)算速度達(dá)不到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，所以不采用本方案。方案二：根據(jù)稱重系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求與主控制系統(tǒng)能完成的功能，選用MSP430F425 單片機(jī)。MSP430F425 單片機(jī)是一款 16 位單片機(jī)，運(yùn)算速度快，精度高，而且以 MSP430F425 單片機(jī)為主控制器的設(shè)計(jì)，可以更加容易使計(jì)算控制技術(shù)和測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起。故采用此方案。基于 MSP430 的稱重系統(tǒng)4 數(shù)據(jù)采集模塊方案設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊分為 3 個(gè)部分：稱重傳感器、電壓放大器和 AD 轉(zhuǎn)換器。 （1）稱重傳感器 稱重傳感器由以下方案可以選擇：方案一：采用四片貼片電阻，自行搭建橋式電路。優(yōu)點(diǎn)是成本低，但是由于貼片需要的精度不能保證，那么傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性也不能保證。故此方案不宜采用。方案二：選用平行式測(cè)重傳感器 LAAH1，為全橋式電路形式。通過(guò)輸出稱量重物時(shí)產(chǎn)生的壓差信號(hào)測(cè)量重物的大小。特點(diǎn)是精度高、回零快、滯后小。適合小量貴重物品的測(cè)量和要求精度高的稱量工具的制造。以上特點(diǎn)適用于本設(shè)計(jì)，故采用此方案。（2）電壓放大器電壓放大器的設(shè)計(jì)有以下幾種方案可以采用： 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。但是普通低溫漂運(yùn)算放大器所構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)引入大量噪聲。而 AD 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，幾毫伏大小的干擾信號(hào)就會(huì)直接影響到最后的測(cè)量精度。所以，此方案不宜采用。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)放大器具有增益高，高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放做成一個(gè)差動(dòng)放大器。 實(shí)際測(cè)量，每一級(jí)運(yùn)放都會(huì)引入較大噪聲。對(duì)精度會(huì)有較大影響。 方案三：采用專用的儀表放大器。此類芯片內(nèi)部采用經(jīng)典的三運(yùn)放改進(jìn)設(shè)計(jì)。差模輸入阻抗大，共模抑制比高，增益高，精度也非常好，外部接口簡(jiǎn)單，且放大器的增益通過(guò)改變一個(gè)外接電阻的阻值是可以改變的?；谝陨戏治觯覀儧Q定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器 AD620 作為稱重系統(tǒng)的電壓放大器。（3）AD 轉(zhuǎn)換器按設(shè)計(jì)要求：電子秤最大稱重為 500g，重量誤差不能大于 1%0，精度要求為 。同樣也有以下幾種方案采用：方案一：采用 8 位 逐 次 逼 近 式 AD 轉(zhuǎn) 換 器 ADC0809，在單片機(jī)外接AD 轉(zhuǎn)換器完成，模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，但是由于稱重系統(tǒng)的精度要求精度較高，ADC0809 不能達(dá)到設(shè)計(jì)功能的要求，故不采用。 方案二：選用 MSP430 單片機(jī)內(nèi)部的 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器為 16 位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，完全可以滿足精度要求，而且 SD16 是單片機(jī)內(nèi)部器件，穩(wěn)定基于 MSP430 的稱重系統(tǒng)5性好，故采用此方案。 數(shù)據(jù)顯示模塊方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)只需要顯示出所稱實(shí)物的實(shí)際重量，如果采用 LCD1602 顯示，成本較高，雖然可以顯示更多信息，但是稱重系統(tǒng)對(duì)此要求不高，所以不采用。而 LCD048 具有耗電省、成本低、亮度高、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且在 MSP430F425 單片機(jī)中帶有 LCD048 的硬件驅(qū)動(dòng)，更易于使用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行變成控制，所以選用 LCD048 顯示。 電源管理模塊方案設(shè)計(jì)稱重系統(tǒng)的供電系統(tǒng)需要多種電壓，多種電壓的需求就要求更加合理的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這里把電源設(shè)計(jì)成用 220V 的交流電經(jīng)過(guò)變壓器后輸出的 177。12電壓供驅(qū)動(dòng)壓力傳感器使用，經(jīng)整流濾波電路后， 通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片LM7805 轉(zhuǎn)換為177。5V 電壓供液晶 LCD 使用，再通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片 LM1117 轉(zhuǎn)換得到177。 電壓，供 MSP430F425 單片機(jī)系統(tǒng)的其他芯片使用。多種電壓的需求就要求更加合理的，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)方案總結(jié)綜上所述，稱重系統(tǒng)以 MSP430F425 單片機(jī)作為控制器，壓力檢測(cè)傳感器采用平行式稱重傳感器 LAAH1，信號(hào)放大采用精密儀表放大芯片AD620，采用低功耗 LCD048 顯示屏。稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)量程為 500g，分辨率為 ，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。基于 MSP430 的稱重系統(tǒng)63 稱重系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) MSP430 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) MSP430 單片機(jī)介紹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)：（1）處理能力強(qiáng)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 125 ns。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。（2）運(yùn)算速度快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