山東省電子設(shè)計(jì)大賽(已修改)
2025-05-07 12:59 本頁(yè)面
【正文】 山東省電子設(shè)計(jì)大賽（2014年）實(shí)用電子秤（C）編號(hào)：C甲1009參賽學(xué)校： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)者： 2004年9月13號(hào)摘 要本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89S52為控制核心，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。系統(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng)板，數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互界面三大部分。最小系統(tǒng)部分主要是擴(kuò)展了外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號(hào)的前級(jí)處理和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。人機(jī)界面部分為鍵盤輸入 ，12864點(diǎn)陣式液晶顯示，可以直觀的顯示中文，使用方便。軟件部分應(yīng)用單片機(jī)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的全部控制功能，包括基本的稱重功能，和發(fā)揮部分的顯示購(gòu)物清單的功能，可以設(shè)置日期和重新設(shè)定10種商品的單價(jià)，具有超重報(bào)警功能，由于系統(tǒng)資源豐富，還可以方便的擴(kuò)展其應(yīng)用第一部分：方案論證與比較一、控制器部分本系統(tǒng)基于51系列單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)需要大量的控制液晶顯示和鍵盤。不宜采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷篊PLD、FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。（因?yàn)榇笠?guī)模可編程邏輯器件一般是使用狀態(tài)機(jī)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即所解決的問(wèn)題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。本系統(tǒng)狀態(tài)較多，難度較大。）另外系統(tǒng)沒(méi)有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了AT89S52通用的比較普通單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。內(nèi)部帶有8KB的程序存儲(chǔ)器，在外面擴(kuò)展了32K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以滿足系統(tǒng)要求。 二、數(shù)據(jù)采集部分（1）、傳感器，重量誤差不大于Kg，考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)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—。我們選擇的是LPSIII型傳感器，量程20Kg，精度為。可以滿足本系統(tǒng)的精度要求。其原理如下圖所示：稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓可由下式給出：（2）、前級(jí)放大器部分壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，所以對(duì)運(yùn)算放大器要求很高。我們考慮可以采用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。普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)引入大量噪聲。由于A/D轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號(hào)就會(huì)直接影響最后的測(cè)量精度。所以，此中方案不宜采用。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(gè)差動(dòng)放大器。電阻RR2電容CCCC4用于濾除前級(jí)的噪聲，CC2為普通小電容，可以濾除高頻干擾，CC4為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。優(yōu)點(diǎn)：輸入級(jí)加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級(jí)為差動(dòng)放大電路，滑動(dòng)變阻器R6可以調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)，最后一級(jí)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(jí)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RR4相等，誤差將會(huì)影響輸出精度，難度較大。實(shí)際測(cè)量，每一級(jí)運(yùn)放都會(huì)引入較大噪聲。對(duì)精度影響較大。方案三：采用專用儀表放大器，如：INA126，INA121等。此類芯片內(nèi)部采用差動(dòng)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(jiǎn)單。以INA126為例,接口如下圖所示： 放大器增益，通過(guò)改變的大小來(lái)改變放大器的增益?；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INA126。 （3）、A/D轉(zhuǎn)換器由上面對(duì)傳感器量程和精度的分析可知：A/D轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在以下12位A/D精度：10Kg/4096=14位A/D精度：10Kg/16384=考慮到其他部分所帶來(lái)的干擾,12位A/D無(wú)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。方案一、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，如：ADS780ADS7804等。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換，一般具有采樣/保持功能。采樣頻率高，功耗比較低，是理想的高速、高精度、省電型A/D轉(zhuǎn)換器件。高精度逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一般都帶有內(nèi)部基準(zhǔn)源和內(nèi)部時(shí)鐘，基于89C52構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)僅需要外接幾個(gè)電阻、電容。但考慮到所轉(zhuǎn)換的信號(hào)為一慢變信號(hào)，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的快速的優(yōu)點(diǎn)不能很好的發(fā)揮，且根據(jù)系統(tǒng)的要求，14位AD足以滿足精度要求，太高的精度就反而浪費(fèi)了系統(tǒng)資源。所以此方案并不是理想的選擇。方案二、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ICL713ICL7109等。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器精度高，但速度較慢(如：ICL7135),具有精確的差分輸入，輸入阻抗高（大于），可自動(dòng)調(diào)零，超量程信號(hào)，全部輸出于TTL電平兼容。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)正負(fù)對(duì)稱的工頻干擾信號(hào)積分為零，所以對(duì)50HZ的工頻干擾抑制能力較強(qiáng)，對(duì)高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對(duì)輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對(duì)本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號(hào)，很容易受到工頻信號(hào)的影響。故而采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對(duì)濾波電路的要求。作為電子秤，系統(tǒng)對(duì)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。綜合的分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們最終選擇了ICL7135。三、人機(jī)交互界面（1）、鍵盤輸入鍵盤輸入是人機(jī)交互界面中最重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。我們采用了專用的鍵盤顯示芯片ZLG7289。Intel8279是一種比較成熟的可編程鍵盤/顯示芯片，可以滿足小系統(tǒng)的要求。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?？梢员容^方便的擴(kuò)展系統(tǒng)。另外ZLG7289內(nèi)部有譯碼電路，大大簡(jiǎn)化了程序。我們選擇功能更好的ZLG7289作為鍵盤掃描顯示芯片（2）、顯示輸出雖然ZLG7289具有控制數(shù)碼管顯示的功能，但考慮到本題目要求中文顯示，數(shù)碼管無(wú)法滿足，只能考慮用帶有中文字庫(kù)的液晶顯示器。由于可以分頁(yè)顯示，無(wú)需太大屏幕，我們選擇了點(diǎn)陣式12864型LCD—OCM4X8C。第二部分：具體實(shí)現(xiàn)方案一、硬件組成：（一）、硬件結(jié)構(gòu)框圖如下：（二）、各部分硬件電路實(shí)現(xiàn)(1)、基于AT89S52的主控電路圖主控電路以89C52為核心擴(kuò)展32K RAM；單片機(jī)使用6M晶振，P0口外接上拉電阻，增大了帶負(fù)載能力；A12～A15接74LS138譯碼器，輸出作外部片選信號(hào)。 擴(kuò)展了幾個(gè)接口用于其它部分于單片機(jī)的通信（2）前端信號(hào)處理INA126構(gòu)成的放大器及濾波電路：通過(guò)調(diào)節(jié)的阻值來(lái)改變放大倍數(shù)。微弱信號(hào)Vi1和Vi2被分別放大后從INA126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(hào)在0～20mv左右，因此放大器的放大倍數(shù)在200～300左右，可將接成的滑動(dòng)變阻器。由于ICL7135對(duì)高頻干擾不敏感，所以濾波電路主要針對(duì)工頻及其低次諧波引入的干擾。因?yàn)閴毫π盘?hào)變化十分緩慢，所以濾波電路可以把頻率做得很低。（3）A/D轉(zhuǎn)換器基于ICL7135的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電路：基準(zhǔn)源選用芯片MC1403 ：由于ICL7135內(nèi)部沒(méi)有振蕩器，所以需要外接。但A/D轉(zhuǎn)換器精度與時(shí)鐘頻率的漂移無(wú)關(guān)。正向積分時(shí)間T1和反向積分時(shí)間T2按相同比例增加并不影響測(cè)量的結(jié)果。ICL7135的時(shí)鐘頻率典型值為200kHz最高允許為1200kHz，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換速度越快。每輸出一位BCD碼的時(shí)間為200個(gè)時(shí)鐘周期，選通脈沖位于數(shù)據(jù)脈沖的中部，如果時(shí)鐘頻率太高，則數(shù)據(jù)的接受程序還沒(méi)有接受完畢，數(shù)據(jù)就已經(jīng)消失了。考慮到此系統(tǒng)頻率要求不是太高，且單片機(jī)的工作頻率也不是很高，因此我們?nèi)r(shí)鐘頻率的典型值：200kHz。由于頻率比較低，對(duì)時(shí)鐘漂移要求不高，我們采用阻容方式實(shí)現(xiàn)了基本的振蕩電路。如下：振蕩頻率約為160kHz。此外ICL713
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