【正文】 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(jī)中，再經(jīng)過單片機(jī)控制譯碼顯示器，從而顯示出被測物體 的重量。電子基于單片機(jī)的電子稱設(shè)計 4 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(kuò)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(dāng)時帶電子裝置的衡器其稱量工作是機(jī)械式的，但與稱量有關(guān)的顯示、記錄、遠(yuǎn)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(jìn)的智能儀 器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在遠(yuǎn)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(xué)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(jìn)與完善，衡器技術(shù)也在不斷進(jìn)步和提高。頂尖條碼標(biāo)簽稱有著許多卓越的特點(diǎn)，以太網(wǎng)功能使管理更加方便 。電子秤與機(jī)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(qiáng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，可在各種環(huán)境工作，重量信號可遠(yuǎn)傳，易于實現(xiàn) 重量顯示數(shù)字 化，易于與計算機(jī)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(xué)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(jì)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(jī)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(zhǔn)確、快速、方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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(qiáng)企業(yè)管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。例如標(biāo)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(jī)械元器件組成的機(jī)械稱到用電子線路河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 3 代替部分機(jī)械元器件的機(jī)電結(jié)合秤，再從集成電路式到目前的單片機(jī)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(jì)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(fù)雜、又粗糙到精密、由機(jī)械到機(jī)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(yùn)技術(shù)、預(yù)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(jìn)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(zhǔn)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(jī)交互界面模塊。在擴(kuò)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(jìn)行擴(kuò)展，增加一鍵盤輸入裝置，增加外界對單片機(jī)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(kuò)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(jī)技術(shù)比較成熟，功能也比較強(qiáng)大，被測信號經(jīng)放大整形后送入單片機(jī)，由單片機(jī)對測量信號進(jìn)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(jī)接口卡的總線接口、程控交換機(jī)的信號處理與接口、雷達(dá)聲納系統(tǒng)的成像控制與數(shù)字處理、數(shù)控機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)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。 方案一 壓電傳感器 基于單片機(jī)的電子稱設(shè)計 8 dAC or???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(diǎn)：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(xué)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(diǎn)，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(jī)械應(yīng)變信河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 9 )( 43 421 1 RR RRR RE ????))(( 4321 4231 RRRR RRRRE ?? ??3421 RRRR ?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。 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(yuǎn)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(jìn)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(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準(zhǔn)確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)足夠小以保證要求的信噪比。 我們考慮了以下幾種方案： 方案一 由高精度低漂移運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jī)性能包括片內(nèi)硬件資源、運(yùn)行速度、可靠性、指令系統(tǒng)功能、河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 15 體積和封裝形式等方面。 在眾多的 51 系列單片機(jī)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(jī)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(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。 AT89C51 單片機(jī)特點(diǎn)能 與 MCS51 兼容，有 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命能夠達(dá)到 1000 寫 /擦循環(huán)，數(shù)據(jù)可以保留時間長達(dá) 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(dǎo)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。 河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 17 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(dāng)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(xì)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(jī)的人機(jī)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(jī)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(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、 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(fù)雜，因為一個字符由 68 或 88 點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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。 基于單片機(jī)的電子稱設(shè)計 20 圖 44 矩陣鍵盤 電源模塊 系統(tǒng)需要多種電源，單片機(jī)需要＋ 5V 電源，運(yùn)放需要 177。 穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，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(biāo)，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(jìn)行濾波，在濾波電路