【正文】 塊的方案中，對各方案的用到的主要芯片進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。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。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中，再經(jīng)過單片機控制譯碼顯示器，從而顯示出被測物體的重量。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)域不斷地擴大。 50 年代開始出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子衡器。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。當時帶電子裝置的衡器其稱量工作是機械 式的，但與稱量有關(guān)的顯示、記錄、遠傳式控制器等功能是電子方式的。 常規(guī)的測試儀器儀表和控制裝置被更先進的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在遠離、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)，使得科學實驗和應(yīng)用工程的自動化程度得以顯著提高。 經(jīng)過 40 多年的不斷改 進與完善，衡器技術(shù)也在不斷進步和提高。頂尖條碼標簽稱有著許多卓越的特點，以太網(wǎng)功能使管理更加方便 。電子秤與機械秤比較有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、價格低、實用價值強、維護方便等特點，可在各種環(huán)境工作，重量信號可遠傳，易于實現(xiàn) 重量顯示數(shù)字化，易于與計算機聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，提 高勞動生產(chǎn)率。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)濟效益的提高。隨著計量技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)純機械結(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、電子天平等以其準確、快速、方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點而受到人們的青睞。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。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)量以及加強企業(yè)管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。例如標簽秤在超市中的應(yīng)用已經(jīng)是耳聞目睹的了。 因此，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國都非常重視。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)的全部由機械元器件組成的機械稱到用電子線路代替部分機械元器件的機電結(jié)合秤，再從集成電路式到目前的單片機系統(tǒng)設(shè)計的電子計價秤。 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)。電子稱的發(fā)展過程與其他事物一樣，也經(jīng)歷了由簡單到復雜、又粗糙到精密、由機械到機電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程?，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)、儲運技術(shù)、預包裝技術(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。 80 年代以來，我國通過自行研究引進消化吸收和技術(shù)改造。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)展動向為：小型化、模塊化、智能化、集成化；其技術(shù)性能趨向于速率高、準確度高、可靠性高；其應(yīng)用性趨向綜合性、組合性。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、人機交互界面模塊。在擴展功能上，本設(shè)計增加了一個過載報警提示。 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。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。 方案二 在前一種方案的基礎(chǔ)上進行擴展，增加一鍵盤輸入裝置，增加外界對單片機內(nèi)部的數(shù)據(jù)設(shè)定，使電子稱實現(xiàn)稱重計價的功能。這樣在處理輸入輸出接口時需要另行擴展足夠多的 I/O 接口供數(shù)碼管使用，比較麻煩。 圖 LCD顯示的方案 目前單片機技術(shù)比較成熟，功能 也比較強大，被測信號經(jīng)放大整形后送入單片機，由單片機對測量信號進行處理并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系譯碼顯示出被測物體的重量。 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，下載燒制實現(xiàn)。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 VHDL 編程實現(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。其主要在 PC 機接口卡的總線接口、程控交換機的信號處理與接口、雷達聲納系統(tǒng)的成像控制與數(shù)字處理、數(shù)控機床的測試系統(tǒng)等方面有廣泛應(yīng)用。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。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遠不夠了?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。 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。 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 7 dAC or???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)電式傳感器。壓電器件的弱點：高內(nèi)阻、小功 率。電容傳感器可用來檢測壓力、力、位移以及振動學非電參量。 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，但也有不利因素： （ 1）小功率、高阻抗。 （ 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。電阻應(yīng)變片把機械應(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。 直流供電的平衡電阻電橋， inE 接直流電源 E 如圖 所示。 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 9 ? ?? ?? ?)()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo ?????????? ??????ERR???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)。 （ 4）商品化，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。 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、控制或進行信號轉(zhuǎn)換。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。 在預定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)足夠小以?；趩纹瑱C的電子稱設(shè)計 10 證要求的信噪比。 我們考慮了以下幾種方案： 方案一 由高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差動放大器。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。 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。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。 基于以上分析，我決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大 器 INA126。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 Ｖ o，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量Ｖ i 進行比較，若Ｖ oＶ i，該位 1 被保留，否則被清除。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進行的。Ｖ i 越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。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。逐次逼近型屬于中速 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為納秒級，用于個通道過程控制和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束。 A/D 轉(zhuǎn)換器的晶閘管現(xiàn)象。 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。 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。 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。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。單片機性能包括片內(nèi)硬件資源、運行速度、可 靠性、指令系統(tǒng)功能、體積和封裝形式等方面。 在眾多的 51 系列單片機中，要算 ATMEL 公司的 AT89C5 AT89S51 更實用，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。 8051 系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是各種邏輯單元及其之間的互連構(gòu)成的。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100 次。 AT89C51 單片機特點能 與 MCS51 兼容，有 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命能夠達到 1000 寫 /擦循環(huán)，數(shù)據(jù)可以保留時間長達 10 年，全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz，三級程序存儲器鎖定， 1288 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。 LED 顯示器結(jié)構(gòu)： 基本的半導體數(shù)碼管是由七個條狀發(fā)光二極管芯片排列而成的。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種。 N 位 LED 顯示器有 N 根位選線和 8*N根段選線。我們使用的為動態(tài)顯示方式。 基于單片機的電子稱設(shè)計 16 圖 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 的簡稱， LCD 的構(gòu)造是在兩片 平 行的玻璃當中放置液態(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。在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。 （ 2）數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。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、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、 PDA 移動通信工具等眾多領(lǐng)域。 （ 2）字符的顯示：用 LCD 顯示一個字符時比較復雜，因為一個字符由 68 或 88 點陣組成，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”的點亮，為 “0”的不亮。 1602 字符型 LCD 簡介 字符型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，目前常用16*1， 16*2， 20*2 和 40*2 行等的模塊。所以選用液晶顯示， 1602LCD 符合基本條件，能夠采用。鍵盤是由若干個按鍵開關(guān)組成，鍵的多少根據(jù)單片機應(yīng)用系統(tǒng)的用途而定。 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。 方案二 矩陣式鍵盤設(shè)計 矩陣式鍵盤又叫行列式鍵盤。相對于專用芯片式可以節(jié)省成本，且更為靈活。 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 19 圖 44 矩陣鍵盤 電源模塊 系統(tǒng)需要多種電源，單片機需要＋ 5V電源，運放需要 177。 穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標分為兩種：一種是特性指標，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；另一種是質(zhì)量指標，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。電路圖如 圖 所示 。 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 177。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。 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。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行濾波