【文章內(nèi)容簡介】 文） 6 換部分組成 。 轉換后的 數(shù)字信號送給控制器處理，由控制器完成 對 該數(shù)字量的處理 ， 驅動顯示 模塊 完成人機間的信息交換 。此部分對軟件的設計要求比較高，系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件來控制。在擴展功能上，本設計增加了 一個 過載 、欠量程 報警 提示。 系統(tǒng)總體 設計 方案 比較與論證 在設計系統(tǒng)時 ，針 對各個模 塊實 現(xiàn)的功能來設計電子秤的方案有以下幾種： 方案一 數(shù)碼管顯示方案 結構簡圖如下圖所示： 圖 數(shù)碼管顯示方案 此方案利用數(shù)碼管顯示物體重量，簡單可行，可以采用內(nèi)部帶有 模數(shù) 轉換功能的單片機。 由此 設計出的電子秤系統(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，在電路結構上只有簡單的輸出輸入關系。缺點是：硬件部分簡單，雖然可以實現(xiàn)電子秤基本的稱重功能，但是不能實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，無法根據(jù)實 際情況靈活地設定各種控制參數(shù)。由于數(shù)碼管只能實現(xiàn)簡單的數(shù)字和英文字符的顯示，不能顯示漢字以及其他的復雜字符，不能達到顯示購物清單的要求。又因為采用了具有模數(shù)轉換功能的單片機，系統(tǒng)電路過于簡單，系統(tǒng)硬件的擴展必受到限制，電子秤的功能過于單一，達不到設計的標準。 方案二 在前一種方案的基礎上進行擴展，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)設定，使電子秤實現(xiàn)稱重計價的功能。 結構簡圖如下圖所示 ： 圖 帶有鍵盤輸入的結構簡圖 此方案設計的電子秤，可以實現(xiàn)稱物計價功能，但是局限于數(shù)碼管的功 能，在顯示時只能顯示單價、購物總額以及簡單的貨物代碼等 。 在顯示重量時，如果數(shù)碼管沒有足夠的位數(shù)，那么稱量物體重量的精度必受到限制，所以此方案需要較多的數(shù)碼管接入電路中。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。 方案三 前端信號處理時，選用放大、 A/D 轉換等措施，尤其在顯示方面采用具有字符圖文顯示功能的 LCD 顯示器。這種方案不僅加強了人機交換的能力，本科畢業(yè)設計（論文） 7 而且滿足設計要求，可以顯示購物清單、所稱量的物體信息等相關內(nèi)容。 結構簡圖如下圖所示： 圖 LCD 顯示 的方案 目前單片機技術比較成熟，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)相應的數(shù)據(jù)關系譯碼顯示出被測物體的重量 ]4[ 。 由于系統(tǒng)需要的按鍵較多，因此要加一個鍵盤顯示管理芯片（ ZLG7289） 。 單片機控制適合于功能比較簡單的控制系統(tǒng) ,而且其具有成本低 ,功耗低 ,體積小算術運算功能強 ,技術成熟等優(yōu)點 。 但其缺點是外圍電路比較復雜 ,編程復雜。使用這種方案會給系統(tǒng)設計帶來一定的難度。 圖 單片機實現(xiàn)方案原理框圖 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)。系統(tǒng)集成于一片 Xilinx 公司的 SpartanⅡ 系列 XC2S100E 芯片上，體積大大減小、邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點，可實現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路。 采用 FPGA 測頻測量精度高，測量頻率范圍大，而且編程靈活、調(diào)試方便，設計要求的精度較高，所以要求系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好，抗干擾能力要強。 從 下 圖中可以看到系統(tǒng)的基本工作流程和各單元電路所用到的核心器件 。 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 驅動、時鐘芯片的 I2C 通訊、鍵盤控制等模塊 。 本科畢業(yè)設計（論文） 8 圖 電子 秤 系統(tǒng)的組成結構圖 FPGA 的邏輯容量密度大，集成度高，可大大減少印刷電路板的空間，減低系統(tǒng)功耗，同時還可以提高設計的工藝性和產(chǎn)品的可靠性。 雖然以 FPGA 為核心的電子秤系統(tǒng) 很 優(yōu)化， 但 只有在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中其高集成度才能更好得以體現(xiàn)。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)等方面有廣泛應用。 鑒于 本電子秤的設計并不太復雜， 單片機完全能實現(xiàn)所需功能， 所以在具體設計時，采用 了 第三 種 設計方案。 單片機的選型 選擇單片機型號的出發(fā)點有以下幾個方面： 市場貨源 系統(tǒng)設計者只能在市場上能夠提供的單片機中選擇，特別是作為產(chǎn)品大批量 生產(chǎn)的應用系統(tǒng)， 所選的單片機型號必須有 穩(wěn)定、充足的貨源。 單片機性能 應根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和各種單片機的性能，選擇最容易實現(xiàn)系統(tǒng)技術指標的型號，而且能達到較高的性能價格比。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。影響性能價格比的因素除單片機的性能價格外，還包括硬件和軟件設計的容易程度、相應的工作量大小，以及開發(fā)工具的性能價格比。 研制周期 在研制任務重、時間緊的情況下，還要考慮所選的單片機型號是否熟悉，是否能馬上著手進行系統(tǒng)的設計。與研制周期有關的另一個重要因素是開發(fā)工具，性能優(yōu)良的開發(fā)工具能加快系統(tǒng)地研制進程。 本科畢業(yè)設計（論文） 9 AT89S 系列單片機是繼 AT89C 系列之后推出的功能更強的新產(chǎn)品。 AT89S系列與 AT89C 系列相比，運算速度有了較大的提高，它的靜態(tài)工作頻率為0~33MHz，片內(nèi)集成有雙數(shù)據(jù)指針 DPTR、定時監(jiān)視器 (watchdog timer，又稱看門狗 )、低功耗休閑狀態(tài)及關電方式、關電方式下的中斷恢復等諸多功能，極大地滿足了各種不同的應用要求。 AT89S52 單片機是 AT89S 系列中的增強型高檔機產(chǎn)品，它片內(nèi)存儲器容量是 AT89S51 的一倍，即片內(nèi) 8KB 的 Flash 程序存儲器和 256B 的 RAM。另外，它還增加了一個功能極強的、具有獨特應用的 16 位定時／計數(shù)器 2 等多種功能 。 在工程應用中 AT89S52 有一顯著的優(yōu)勢：不需要燒寫器，只借助 PC 機的并口輸出和極為簡單的下載電路，便可將程序通過串行 方式寫入單片機。并且下載電路可設計在系統(tǒng)中，可以隨時修改單片機的軟件而不對硬件做任何改動。 由此， 通過對目前主流型號的比較，我們最終選擇了 AT89S52 通用的普通單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設計。 AT89S52 是一種兼容 MCS51 微控制器，工作電壓 到 ，全靜態(tài)時鐘 0 Hz 到 33 MHz，三級程序加密， 32 個可編程 I/O 口， 2/3個 16 位定時 /計數(shù)器， 6/8 個中斷源，全雙工串行通訊口，低功耗支持 Idle 和Powerdown 模式， Power down 模式支持中斷喚醒 , 看門狗定時器，雙數(shù)據(jù)指針，上電復位 標志。我們在外面擴展了 32K 數(shù)據(jù)存儲器，以滿足系統(tǒng)要求 ]6[ 。 數(shù)據(jù)采集部分的方案確定 傳感器 傳感器的 定義：能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉換部分指傳感器中能將敏感元件輸出量轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。 現(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會進入了信息時代，在信息時代人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發(fā)和獲取 、 傳輸和處理，而傳感 器處于自動檢測與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測信息的窗口；傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，一切科學研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉換為易傳輸與處理的電信號。因此，傳感器的地位與作用特別重要。 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。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應。 壓電傳感器體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學量的測量，不適合測頻率太低的被測量，更不能測靜態(tài)量。目前多用于加速度和動態(tài)力本科畢業(yè)設計（論文） 10 dAC or???或壓力的測量。壓電器件 的弱點：高內(nèi)阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對外接電路要求很高。 方案 二 電容式傳感器 電容式傳感器是將被測非電量的變化轉換為電容變化的一種傳感器。它有結構簡單、靈敏度高、動態(tài)響應好、可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應等優(yōu)點。電容傳感器可用來檢測壓力、力、位移以及振動學非電參量。 電容傳感器的基本工作原理可用最普通的平行極板電容器來說明。兩塊相互平行的金屬極板，當不考慮其邊緣效應（兩個極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時，其電容量為 （ ） 式 （ ） 中 d —— 兩極板間的距離； A—— 兩平行極板相互覆蓋的有效面積； r? —— 介質(zhì)的相對介電常數(shù)； o? —— 真空中介電常數(shù)。 若被測量的變化使式中 d 、 A、 r? 三個參量中任一個發(fā)生變化，都會引起電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量輸出。 雖然電容式傳感器有 結構簡單和良好動態(tài)特性等諸多優(yōu)點，但也有不利因素： （ 1） 小功率、高阻抗。受幾何尺寸限制，電容傳感器的電容量都很小，一般僅幾皮法至幾十皮法。因 C 太小，故容抗 CX =1/? C 很大，為高阻抗元件，負載能力差；又因 其視在功率 P= 2ou ? C ， C 很小，則 P 也很小。故易受外界干擾，信號需經(jīng)放大，并采取抗干擾措施。 （ 2） 初始 電容小 ，電纜電容、線路的雜散電路 所構成的寄生電容影響很大。 方案三 電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將各種力學量轉換為電信號的結構型傳感器。電阻應變片式電阻應變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應變效應 ，電阻應變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結合彈性元件構成力學量傳感器 。 導體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應變效應。電阻應變片把機械應變信號轉換為△ R/R 后，由于 應變量及相應電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉換電路把應變片的△ R/R 變化轉本科畢業(yè)設計（論文） 11 )( 43 421 1 RR RRR RE ????))(( 4321 4231 RRRR RRRRE ?? ??3421 RRRR ?? ?? ?? ?)()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo ?????????? ??????ERR???換成電壓或電流變化。其轉換電路常用測量電橋。 直流電橋 的特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。 下圖為一直流供電的平衡電阻電橋， inE 接直流電源 E： 圖 傳感器結構原理圖 當電橋輸出端接無窮大負載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋 ，即只有電壓輸出。 當忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有： ADABBDo uuuu ??? = （ ） 當滿足條件 R1R3=R2R4 時，即 （ ） ou =0，即電橋平衡。式（ ）稱平衡條件。 應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變片感受的應變所引起的電阻變化有關 。 若差動工作，即 R1=R△ R,R2=R+△ R,R3=R△ R， R4=R+△ R,按式 （ ） ，則電橋輸出為 本科畢業(yè)設計（論文） 12 Ek?? () 應變片式傳感器有如下特點： （ 1）應用和測量范圍廣，應變片可制成各種機械量傳感器。 （ 2）分辨力和靈敏度高，精度較高。 （ 3）結構輕小， 對試件影響小， 對復雜環(huán)境適應性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應好。 （ 4）商品化，使用方便， 便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。 通過以上對傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。 題 目要求稱重范圍0～ ，重量誤差不大于 ? ，考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，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 %，滿量程時誤差? ，完全滿足本系統(tǒng)的精度要求。 前級放大器部分 經(jīng)由傳感器或敏感元件轉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 A/D 轉換。為此，測量電路中常設有模