【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 健康狀況，體重秤成了每家必備的工具，人們可以搭配自己的飲食結(jié)構(gòu)，使其更加的合理。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們也開(kāi)始注意自己的飲食結(jié)構(gòu)和生活質(zhì)量，我國(guó)市場(chǎng)對(duì)各種各樣的電子秤的需求也越來(lái)越旺盛，但是我國(guó) 體重 秤產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距，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問(wèn)題一直困擾著我們，針對(duì)如此強(qiáng)大的市場(chǎng)需求，對(duì) 體重 秤的深入研究成了一種發(fā)展趨勢(shì)。而目前市場(chǎng)上的 體重 秤采用的是指針式的顯示方式，測(cè)量不準(zhǔn)確，精度不夠高，只能給出模糊的測(cè)量結(jié)果，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性能也很差 而且系統(tǒng)的功耗高，不利于節(jié)能環(huán)保 。當(dāng)然也有一些高檔的 體重秤 ，采用 LCD 顯示，轉(zhuǎn)換精度也很高，系統(tǒng)的各項(xiàng)性能和功能也很優(yōu)越，但是價(jià)格又很高，所以就需要設(shè)計(jì)一款高精度低成本，高性價(jià)比的 體重 秤，本文就是基于此目的，以普通稱重系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)出了一款最大稱重 150KG， 最小起秤重量 2KG， 低功耗 ，高可靠性的 體重 秤。 課題的主要工作及論文結(jié)構(gòu)安排 體重秤 主要從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、方案選擇和各模塊的軟硬件實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)明。在系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和方案選擇中對(duì)系統(tǒng)選用的各種芯片進(jìn)行了說(shuō)明，主控芯片選用的是 SONIX公司的 SN8P1937 芯片，該芯片帶有一個(gè)內(nèi)部的 16bitAD 轉(zhuǎn)換器、一個(gè)可編程增益放大器、一個(gè)多路開(kāi)關(guān)、內(nèi)置的溫度檢測(cè)電路和低電壓檢測(cè)電路，所以硬件的設(shè)計(jì)變的非常的簡(jiǎn)單， EEPROM 選用的是 ATMEL 公司的 AT24C02。在各個(gè)模塊電路的實(shí)現(xiàn)中，軟件設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 論文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章為 緒論，主要介紹課題的背景，分析了 體重秤 的意義和需求， 體重秤 的發(fā)展現(xiàn)狀，并依此總結(jié)了提出本課題的必要性和以后的工作安排。 第二章對(duì)體重秤功能進(jìn)行講解 ，主要對(duì)它具有的 功 能和它的操作過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。 第三章為系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，它主要從系統(tǒng) 方案選擇，單片機(jī)選擇以及傳感器的選擇對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行確定。 第四章為系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分，首先講述了 SN8P1937 的外部電路，由于 SN8P1937具有強(qiáng)大的片內(nèi)外設(shè)，所以在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候只需要按著該芯片的外部電路的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)即可，其次對(duì)各外設(shè)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如鍵盤(pán)電 路、 EEPROM 電路 。 第五章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分，這部分是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn) ，由于主控芯片 SN8P1937陜西科技大學(xué) 畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 4 的選擇使得整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路變的簡(jiǎn)單同時(shí)它的軟件設(shè)計(jì)就變的復(fù) 雜，這部分主要分為 LCD 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)、鍵盤(pán)子程序的設(shè)計(jì)、 AD 子程序的設(shè)計(jì)、 電池低壓檢測(cè)子程序的設(shè)計(jì)、 校機(jī)子程序，初始化找平衡子程序 和數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)。 第六 章為總結(jié) 。對(duì)全文做了總結(jié)， 講述了該系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的功能。 基于 SN8P19 系列單片機(jī) AutoRun 功能體重秤的設(shè)計(jì) 5 2 體重秤 功 能 描述 與操作方法 體重 秤的 功 能 本系統(tǒng)是基于松翰 1937 單片機(jī)設(shè)計(jì)的，該單片機(jī)有豐富的片內(nèi)資源，在下一章中將 會(huì)詳細(xì)介紹。該單片機(jī) 有四種工作模式 ：正常模式，綠色模式，低速模式，睡眠模式。綠色模式是一個(gè)低功耗模式。 在綠色模式下，只有定時(shí)器可以繼續(xù)工作，其他的硬件資源都已經(jīng)停止工作，外部高速 /內(nèi)部低速振蕩器仍在工作，芯片工作電流降低至 5uA（ 3V） ，可通過(guò)設(shè)定 T0 來(lái)確定系統(tǒng)的喚醒時(shí)間，也可以由 P0/P1 的電平觸發(fā)信號(hào)立即喚醒。在本系統(tǒng)中，采用 T0 來(lái)喚醒，喚醒的時(shí)間間隔為 1s。 系統(tǒng) 上電之后便工作 在綠色模式下， 每 1s 喚醒一次，進(jìn)入正常工作模式，檢測(cè)待測(cè)重物的重量是否達(dá)到開(kāi)機(jī)重量 （ 5kg） ， 如果沒(méi)有到則繼續(xù)進(jìn)入綠色模式。 當(dāng) 重物的重量達(dá)到 5kg 的時(shí)候，系統(tǒng)進(jìn)入到正常工作模式 ，此時(shí)硬件資源可以正常工作 。 該體重秤系統(tǒng)具有自動(dòng)開(kāi)機(jī)功能，而且功耗低很低。 可測(cè)量的最大重量為 150kg，最小測(cè)量重量為 2kg。 當(dāng)電池電壓低于單片機(jī)工作電壓或待測(cè)物體重量超量程的時(shí)候系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，提醒用戶。 在本次設(shè)計(jì)中，體重秤的 性 能可以從以下幾部分說(shuō)明。 稱重 體重秤在檢測(cè)到有壓力信號(hào)的時(shí)候自動(dòng)開(kāi)機(jī) ，在應(yīng)變片上將重物產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送到 AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后將 人體的體重 顯示在液晶屏上。 零點(diǎn)校正 體重秤在 每次開(kāi)機(jī)的時(shí)候，會(huì)讀取當(dāng)前狀態(tài)的 AD 轉(zhuǎn)換的值，并同時(shí)將該值記錄為零點(diǎn)的 AD 值，本次開(kāi)機(jī)的測(cè)量均是以此為基準(zhǔn)。 分段校正 由于傳感器的傳輸曲線不是線性的，而是呈現(xiàn)出拋物線的特性，為了保證稱重的精度要求，就需要對(duì)該傳輸曲線進(jìn)行分段線性，使其與傳感器的傳輸曲線達(dá)到更好的擬合。 增益設(shè)置 在稱重的過(guò)程中可以根據(jù)待測(cè)物的重量， 改變可編程增益放大器的放大倍數(shù)。來(lái)達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量。 陜西科技大學(xué) 畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 6 AD 采樣速率設(shè)置 根據(jù)采樣定理，為了消除混疊干擾，采樣速率最小為 2 倍的信號(hào)的速率，以不同的速率采樣信號(hào)，可以濾除不同頻率的雜波，所以可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況選擇適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾剩剐盘?hào)更加準(zhǔn)確的被轉(zhuǎn)換。 AD 參考電壓設(shè)置 不同的傳感器需要不同的 參考電壓，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使系統(tǒng)適應(yīng)不同的傳感器，可以 設(shè)置 AD 的參考電壓的值。 LCD 參數(shù)設(shè)置 LCD 的偏壓選擇、驅(qū)動(dòng)的輸出時(shí)鐘速率和時(shí)鐘源也是可以控制的，對(duì)不同的 LCD可以選擇 相應(yīng)的偏壓和驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘速率，使得系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的 LCD 屏，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。 體重 秤的操作 以上介紹了 體重秤 的基本 功 能，下 面介紹體重秤 的操作過(guò)程，為以后的軟件提供參考 : (a) 當(dāng)有負(fù)載時(shí)體重秤會(huì)自動(dòng)開(kāi)機(jī)，開(kāi)機(jī)即可稱重 。 (b) 當(dāng)稱重?cái)?shù)據(jù)穩(wěn)定后，重量會(huì)閃爍 3 次后鎖定，此時(shí)數(shù)據(jù)為有效讀數(shù)。 (c) 稱重穩(wěn)定后不會(huì)自動(dòng)解鎖，重量保持顯示 6 秒后關(guān)機(jī)，要重復(fù)稱重必須在約 6秒內(nèi)離秤后在繼續(xù)，每次稱重結(jié)束會(huì)抓取零點(diǎn)。 (d) 系統(tǒng)上電顯示零點(diǎn)的內(nèi)碼值。 (e) 切換單位的 I/O 口，電平變化，抓取穩(wěn)定的零點(diǎn) ，然后進(jìn)入 50KG 校正點(diǎn)。顯示 50KG 閃爍。 (f) 當(dāng)內(nèi)碼 較 零點(diǎn)內(nèi)碼超出 3000 后，則顯示由 50KG 閃爍切換到內(nèi)碼顯示。穩(wěn)定后進(jìn)入 100KG 校正點(diǎn)。顯示 100KG 閃爍。 (g) 當(dāng)內(nèi)碼 較 50KG 穩(wěn)定點(diǎn)的內(nèi)碼超出 3000 后，則顯示由 100KG 閃爍切換到內(nèi)碼顯示。穩(wěn)定后進(jìn)入 150KG 校正點(diǎn)。顯示 150KG 閃爍。 (h) 當(dāng)內(nèi)碼 較 100KG 穩(wěn)定點(diǎn)的內(nèi)碼超出 3000 后，則顯示由 150KG 閃爍切換到內(nèi)碼顯示。穩(wěn)定后寫(xiě)入 EEPROM，然后提示 PASS 后進(jìn)入正常稱重模式。 本章小結(jié) 本章主要介紹了體重秤的功能和 操作方法，軟件操作將上述功能通過(guò)軟件的方式描述出來(lái)，再加上一些外圍電路便可以實(shí)現(xiàn)上述功能。 基于 SN8P19 系列單片機(jī) AutoRun 功能體重秤的設(shè)計(jì) 7 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案 選擇 體重秤的應(yīng)用系統(tǒng)是由硬件和軟件所組成，硬件是指單片機(jī)、擴(kuò)展的存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備等；軟件部分是各種工作程序的總稱。硬件和軟件只有緊密結(jié)合、協(xié)調(diào)一致才能提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比。設(shè)計(jì)硬件的時(shí)候應(yīng)該考慮軟件的設(shè)計(jì)方法，而軟件的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)硬件原理和系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行的。按照設(shè)計(jì)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。 數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、信號(hào) 的前級(jí)處理和 AD 轉(zhuǎn)換部分組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送給控制器處理，由控制器完成對(duì)數(shù)字量的處理。驅(qū)動(dòng)顯示模塊和鍵盤(pán)完成人機(jī)間的信息交換。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)各個(gè)模塊的功能來(lái)設(shè)計(jì)體重秤的方案有以下幾種： 方案一：此方案是最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案，將壓力傳感器的壓力信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換送入單片機(jī) ，單片機(jī)對(duì)信號(hào)處理后送去顯示。結(jié)構(gòu)原理圖為： 壓力傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機(jī)顯示模塊 圖 31 方案一的結(jié)構(gòu)原理圖 此方案就是最基本的數(shù)據(jù)采集，簡(jiǎn)單可行。可以利用單片機(jī)內(nèi)部自帶的 AD 轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。該方案的硬件 簡(jiǎn)單，軟件在編寫(xiě)上也不復(fù)雜。但是功能單一，只能顯示，沒(méi)有輸入接口。該系統(tǒng)的電路可擴(kuò)展性不好，體重秤的功能過(guò)于單一，采集到的信號(hào)的抗干擾能力不強(qiáng)，所以達(dá)不到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。 方案二：由于上一個(gè)方案存在沒(méi)有輸入，信號(hào)的抗干擾能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)，所以本方案中在前一個(gè)方案的基礎(chǔ)上增加了鍵盤(pán)輸入裝置，并在電路的前段加上信號(hào)調(diào)理電路。結(jié)構(gòu)原理圖為： 壓力傳感器信號(hào)調(diào)理模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機(jī)鍵 盤(pán) 模 塊顯 示 模 塊 圖 32 方案二的結(jié)構(gòu)原理圖 此方案的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)按鍵進(jìn)行單位的轉(zhuǎn)換，由于使用習(xí)慣的不同人們習(xí)慣用的陜西科技大學(xué) 畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 測(cè)量單位，這樣的設(shè) 計(jì)就更加人性化。因?yàn)椴杉降男盘?hào)一般都很微弱，如果在遇到干擾的時(shí)候可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的錯(cuò)誤，因此采集到電信號(hào)后，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，濾波。增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)有所提高，讓顯示的數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確。此方案的缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜，系統(tǒng)的硬件成本會(huì)增加。 方案三：第二種方案已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了體重秤的基本功能，但是仍然有一些不足 ，例如當(dāng)電池用完時(shí)應(yīng)該提示用戶及時(shí)更換電池，保存體重秤系統(tǒng)自身的一些信息等。這樣就需要一個(gè)低電池檢測(cè)電路和 EEPROM 模塊。 結(jié)構(gòu)原理圖為： 壓力傳感器信號(hào)放大模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機(jī)E E P R O M低 電 壓 檢 測(cè)按 鍵顯 示 圖 33 方案三的結(jié)構(gòu)原理圖 此方案的優(yōu)點(diǎn)是功能完善，而且操作方案，在上一個(gè)方案的基礎(chǔ)上增加了一些更加人性化的設(shè)計(jì)，當(dāng)電池的電量低于目以設(shè)定的值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警提醒用戶更換電池。此外，加上 EEPROM 后系統(tǒng)的可擴(kuò)展性大大提高。此方案的缺點(diǎn)是硬件電路復(fù)雜，硬件成本較高。但是該系統(tǒng)在可靠性，擴(kuò)展性等方面做得很好，因此該方案可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求 。 單片機(jī)選擇 當(dāng)前市場(chǎng)上的單片機(jī)有 51 系列， PIC 的單片機(jī)，考慮到設(shè)計(jì)要求，就需要找到一款內(nèi)部帶高精度的 AD 轉(zhuǎn)換器，最好還有可編程增益放大器， 電源電壓 是 有 電池 提供 的，所以這款單片機(jī)最好還要有電池低壓檢測(cè)功能，顯示的時(shí)候一般用的都是液晶顯示，也希望將液晶顯示的驅(qū)動(dòng)也帶有，而這些功能全部是集成在芯片內(nèi)部的，這樣整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠選擇性將大大的提高，同時(shí)系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)的規(guī)模也將大大減少。 基于以上考慮，我選擇了 SONIX 公司的 SN8P1937 作為主控芯片，該芯片能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作；其控制器具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，圖 33 給出了該單片機(jī)的引腳圖，該單片機(jī)的特點(diǎn)如下： (a) 存儲(chǔ)器配置 OTP ROM： 2K*16bits、 RAM： 128*8bits(bank0)、 8 層堆棧緩存器 LCD RAM： 4*12bits。 (b) I/O 引腳配置 單向輸入引腳： P0；雙向輸入輸出引腳： P P P5；具有喚醒功能的引腳：P0、 P1；內(nèi)置上拉電阻： P0、 P P P5；外部中斷： P0。 (c) 功能強(qiáng)大的指令集 基于 SN8P19 系列單片機(jī) AutoRun 功能體重秤的設(shè)計(jì) 9 一個(gè)指令周期為 4 個(gè)時(shí)鐘周期、所有的指令均為一個(gè)字長(zhǎng)、大部分指令只有一個(gè)周期、指令的最長(zhǎng)周期為 2 個(gè)指令周期、 JMP 指令可在整個(gè) ROM 區(qū)執(zhí)行、查表功能（ MOVC）可尋址整個(gè) ROM 區(qū)。 (d) 可編程增益放大器增益可選選項(xiàng)： 1x/16x/32x/64x/128x (e) 16bit DeltaSigmaADC，具有 14 位精度 ADC 的增益可選項(xiàng)： 1x/2x/4x 2 個(gè) ADC 信道配置 ： 1 個(gè)全差分通道、 2 個(gè)單端輸入通道。 (f) 兩個(gè)中斷源 兩 個(gè)內(nèi)部中斷： T0、 TC0， 一個(gè)外部中斷： INT0。 (g) 單電源輸入： —。 (h) 內(nèi)置看門(mén)狗定時(shí)器 (i) regulator 內(nèi)置 regulator 有 電壓 ， 10MA 驅(qū)動(dòng)電流 、內(nèi)置參考電壓 Bandgap用來(lái)監(jiān)控電池電壓、內(nèi)置電壓比較器、內(nèi)置 ADC 參考電壓 V(R+,R)=(j) 內(nèi)置 的 RTC 模式 (k) LCD 驅(qū)動(dòng)： 1/3 或 1/2 偏壓、