【文章內(nèi)容簡介】 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。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們也開始注意自己的飲食結(jié)構(gòu)和生活質(zhì)量，我國市場對各種各樣的電子秤的需求也越來越旺盛，但是我國 體重 秤產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)發(fā)達(dá)國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題一直困擾著我們，針對如此強大的市場需求，對 體重 秤的深入研究成了一種發(fā)展趨勢。而目前市場上的 體重 秤采用的是指針式的顯示方式，測量不準(zhǔn)確，精度不夠高，只能給出模糊的測量結(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)的各項性能和功能也很優(yōu)越，但是價格又很高，所以就需要設(shè)計一款高精度低成本，高性價比的 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、方案選擇和各模塊的軟硬件實現(xiàn)來說明。在系統(tǒng)的整體設(shè)計和方案選擇中對系統(tǒng)選用的各種芯片進(jìn)行了說明，主控芯片選用的是 SONIX公司的 SN8P1937 芯片，該芯片帶有一個內(nèi)部的 16bitAD 轉(zhuǎn)換器、一個可編程增益放大器、一個多路開關(guān)、內(nèi)置的溫度檢測電路和低電壓檢測電路，所以硬件的設(shè)計變的非常的簡單， EEPROM 選用的是 ATMEL 公司的 AT24C02。在各個模塊電路的實現(xiàn)中，軟件設(shè)計是本次設(shè)計的重點。 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。 第二章對體重秤功能進(jìn)行講解 ，主要對它具有的 功 能和它的操作過程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。 第三章為系統(tǒng)總體方案的設(shè)計，它主要從系統(tǒng) 方案選擇，單片機選擇以及傳感器的選擇對系統(tǒng)的設(shè)計方案進(jìn)行確定。 第四章為系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分，首先講述了 SN8P1937 的外部電路，由于 SN8P1937具有強大的片內(nèi)外設(shè)，所以在硬件設(shè)計的時候只需要按著該芯片的外部電路的要求進(jìn)行設(shè)計即可，其次對各外設(shè)電路進(jìn)行了設(shè)計，如鍵盤電 路、 EEPROM 電路 。 第五章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分，這部分是整個系統(tǒng)的重點 ，由于主控芯片 SN8P1937陜西科技大學(xué) 畢業(yè) 設(shè)計說明書 4 的選擇使得整個系統(tǒng)的硬件電路變的簡單同時它的軟件設(shè)計就變的復(fù) 雜，這部分主要分為 LCD 驅(qū)動程序的設(shè)計、鍵盤子程序的設(shè)計、 AD 子程序的設(shè)計、 電池低壓檢測子程序的設(shè)計、 校機子程序，初始化找平衡子程序 和數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計。 第六 章為總結(jié) 。對全文做了總結(jié)， 講述了該系統(tǒng)最終實現(xiàn)的功能。 基于 SN8P19 系列單片機 AutoRun 功能體重秤的設(shè)計 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 單片機設(shè)計的，該單片機有豐富的片內(nèi)資源，在下一章中將 會詳細(xì)介紹。該單片機 有四種工作模式 ：正常模式，綠色模式，低速模式，睡眠模式。綠色模式是一個低功耗模式。 在綠色模式下，只有定時器可以繼續(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） ，可通過設(shè)定 T0 來確定系統(tǒng)的喚醒時間，也可以由 P0/P1 的電平觸發(fā)信號立即喚醒。在本系統(tǒng)中，采用 T0 來喚醒，喚醒的時間間隔為 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，檢測待測重物的重量是否達(dá)到開機重量 （ 5kg） ， 如果沒有到則繼續(xù)進(jìn)入綠色模式。 當(dāng) 重物的重量達(dá)到 5kg 的時候，系統(tǒng)進(jìn)入到正常工作模式 ，此時硬件資源可以正常工作 。 該體重秤系統(tǒng)具有自動開機功能，而且功耗低很低。 可測量的最大重量為 150kg，最小測量重量為 2kg。 當(dāng)電池電壓低于單片機工作電壓或待測物體重量超量程的時候系統(tǒng)會報警，提醒用戶。 在本次設(shè)計中，體重秤的 性 能可以從以下幾部分說明。 稱重 體重秤在檢測到有壓力信號的時候自動開機 ，在應(yīng)變片上將重物產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號，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。 零點校正 體重秤在 每次開機的時候，會讀取當(dāng)前狀態(tài)的 AD 轉(zhuǎn)換的值，并同時將該值記錄為零點的 AD 值，本次開機的測量均是以此為基準(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 在稱重的過程中可以根據(jù)待測物的重量， 改變可編程增益放大器的放大倍數(shù)。來達(dá)到準(zhǔn)確測量。 陜西科技大學(xué) 畢業(yè) 設(shè)計說明書 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 倍的信號的速率，以不同的速率采樣信號，可以濾除不同頻率的雜波，所以可以根據(jù)實際應(yīng)用的情況選擇適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾剩剐盘柛訙?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)動的輸出時鐘速率和時鐘源也是可以控制的，對不同的 LCD可以選擇 相應(yīng)的偏壓和驅(qū)動時鐘速率，使得系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的 LCD 屏，增強了系統(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 的操作過程，為以后的軟件提供參考 : (a) 當(dāng)有負(fù)載時體重秤會自動開機，開機即可稱重 。 (b) 當(dāng)稱重數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，重量會閃爍 3 次后鎖定，此時數(shù)據(jù)為有效讀數(shù)。 (c) 稱重穩(wěn)定后不會自動解鎖，重量保持顯示 6 秒后關(guān)機，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)束會抓取零點。 (d) 系統(tǒng)上電顯示零點的內(nèi)碼值。 (e) 切換單位的 I/O 口，電平變化，抓取穩(wěn)定的零點 ，然后進(jìn)入 50KG 校正點。顯示 50KG 閃爍。 (f) 當(dāng)內(nèi)碼 較 零點內(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。顯示 100KG 閃爍。 (g) 當(dāng)內(nèi)碼 較 50KG 穩(wěn)定點的內(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。顯示 150KG 閃爍。 (h) 當(dāng)內(nèi)碼 較 100KG 穩(wěn)定點的內(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軟件的方式描述出來，再加上一些外圍電路便可以實現(xiàn)上述功能。 基于 SN8P19 系列單片機 AutoRun 功能體重秤的設(shè)計 7 3 系統(tǒng)總體設(shè)計 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、擴(kuò)展的存儲器、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)的性能價格比。設(shè)計硬件的時候應(yīng)該考慮軟件的設(shè)計方法，而軟件的設(shè)計方法是根據(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。 數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、信號 的前級處理和 AD 轉(zhuǎn)換部分組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送給控制器處理，由控制器完成對數(shù)字量的處理。驅(qū)動顯示模塊和鍵盤完成人機間的信息交換。 在系統(tǒng)設(shè)計時，針對各個模塊的功能來設(shè)計體重秤的方案有以下幾種： 方案一：此方案是最簡單的設(shè)計方案，將壓力傳感器的壓力信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換送入單片機 ，單片機對信號處理后送去顯示。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，簡單可行?？梢岳脝纹瑱C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 簡單，軟件在編寫上也不復(fù)雜。但是功能單一，只能顯示，沒有輸入接口。該系統(tǒng)的電路可擴(kuò)展性不好，體重秤的功能過于單一，采集到的信號的抗干擾能力不強，所以達(dá)不到設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。 方案二：由于上一個方案存在沒有輸入，信號的抗干擾能力不強的缺點，所以本方案中在前一個方案的基礎(chǔ)上增加了鍵盤輸入裝置，并在電路的前段加上信號調(diào)理電路。結(jié)構(gòu)原理圖為： 壓力傳感器信號調(diào)理模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機鍵 盤 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)點是可以通過按鍵進(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)計說明書 8 測量單位，這樣的設(shè) 計就更加人性化。因為采集到的信號一般都很微弱，如果在遇到干擾的時候可能會導(dǎo)致測量結(jié)果的錯誤，因此采集到電信號后，對電信號進(jìn)行放大，濾波。增強系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會有所提高，讓顯示的數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確。此方案的缺點是電路較復(fù)雜，系統(tǒng)的硬件成本會增加。 方案三：第二種方案已經(jīng)實現(xiàn)了體重秤的基本功能，但是仍然有一些不足 ，例如當(dāng)電池用完時應(yīng)該提示用戶及時更換電池，保存體重秤系統(tǒng)自身的一些信息等。這樣就需要一個低電池檢測電路和 EEPROM 模塊。 結(jié)構(gòu)原理圖為： 壓力傳感器信號放大模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機E E P R O M低 電 壓 檢 測按 鍵顯 示 圖 33 方案三的結(jié)構(gòu)原理圖 此方案的優(yōu)點是功能完善，而且操作方案，在上一個方案的基礎(chǔ)上增加了一些更加人性化的設(shè)計，當(dāng)電池的電量低于目以設(shè)定的值時，系統(tǒng)會報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)計的要求 。 單片機選擇 當(dāng)前市場上的單片機有 51 系列， PIC 的單片機，考慮到設(shè)計要求，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，所以這款單片機最好還要有電池低壓檢測功能，顯示的時候一般用的都是液晶顯示，也希望將液晶顯示的驅(qū)動也帶有，而這些功能全部是集成在芯片內(nèi)部的，這樣整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠選擇性將大大的提高，同時系統(tǒng)的整個設(shè)計的規(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 給出了該單片機的引腳圖，該單片機的特點如下： (a) 存儲器配置 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) 功能強大的指令集 基于 SN8P19 系列單片機 AutoRun 功能體重秤的設(shè)計 9 一個指令周期為 4 個時鐘周期、所有的指令均為一個字長、大部分指令只有一個周期、指令的最長周期為 2 個指令周期、 JMP 指令可在整個 ROM 區(qū)執(zhí)行、查表功能（ MOVC）可尋址整個 ROM 區(qū)。 (d) 可編程增益放大器增益可選選項： 1x/16x/32x/64x/128x (e) 16bit DeltaSigmaADC，具有 14 位精度 ADC 的增益可選項： 1x/2x/4x 2 個 ADC 信道配置 ： 1 個全差分通道、 2 個單端輸入通道。 (f) 兩個中斷源 兩 個內(nèi)部中斷： T0、 TC0， 一個外部中斷： INT0。 (g) 單電源輸入： —。 (h) 內(nèi)置看門狗定時器 (i) regulator 內(nèi)置 regulator 有 電壓 ， 10MA 驅(qū)動電流 、內(nèi)置參考電壓 Bandgap用來監(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： 1/3 或 1/2 偏壓、