【文章內(nèi)容簡介】 隨著稱重技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對稱重儀表的測量精度和自動化程度提出了越來越高的要求。近年來電阻應(yīng)變稱重傳感器的制造技術(shù)有了突破性發(fā) 展，傳感器的各項技術(shù)指標(biāo)已滿足各種電子稱重設(shè)備的要求。而精度的提高除了與測量傳感器有關(guān)系外， A／ D轉(zhuǎn)換器件也是影響稱重儀表精度的一個重要的方面。選擇合適的、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件將大幅度提高稱重儀表的性能和精度，減少占用硬件資源。本系統(tǒng)采用ATmega48自帶的 8 路 10 位 A／ D轉(zhuǎn)換器。 (1) A/D 轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方式通常有逐位比較轉(zhuǎn)換方式和雙積分轉(zhuǎn)換方式，前者的轉(zhuǎn)換速度比后者的轉(zhuǎn)換速度快 100 倍以上，所以逐位比較轉(zhuǎn)換法的 A/D 轉(zhuǎn)換器廣泛用于計算機(jī)控制系統(tǒng)中。 [14]逐位比較 轉(zhuǎn)換法的原理如圖 39所示， 數(shù) / 模 轉(zhuǎn) 換S A R時 序 及 控 制 邏 輯轉(zhuǎn) 換 命 令 狀 態(tài) 線比 較 器_+數(shù)字量基 準(zhǔn) 電 源輸 入 模 擬 電 壓輸出 圖 310 A/D 轉(zhuǎn)換器原理圖 它主要由控制時序和邏輯電路、逐位逼近寄存器（ SAR）、 D/A 轉(zhuǎn)換器和比較器四部分組成。逐位逼近寄存器（ SAR）輸出二進(jìn)制編碼數(shù)字送到 D/A 轉(zhuǎn)換器， D/A 轉(zhuǎn)換后的輸出電邏輯電路，修改 SAR 的數(shù)據(jù)，使 SAR 中的數(shù)據(jù)對應(yīng)的反饋電壓 V0通過逐位比較去逼近被轉(zhuǎn)換的輸入電壓 VIN。其轉(zhuǎn)換過程類似于天平稱重的原理。當(dāng) V0VIN時，就將對應(yīng)的比較位置為“ 0”，當(dāng) V0VIN 時，則保留比較位為“ 1”， 然后對下一位進(jìn)行比較，直到每一位都比較完后，其 V0與 VIN的電壓差小于或等 D/A 轉(zhuǎn)換器精度。 15 (2) ATmega48 自帶 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點： ? 10 位 精度 ? LSB 的非線性度 ? 177。 2 LSB 的絕對精度 ? 65 260 μs 的轉(zhuǎn)換時間 ? 最高分辨率時采樣率高達(dá) 15 kSPS ? 6 路復(fù)用的單端輸入通道 ? 2 路附加的復(fù)用單端輸入通道 (TQFP 與 MLF 封裝 ) ? 可選的向左調(diào)整 ADC 讀數(shù) ? 0 VCC 的 ADC 輸入電壓范圍 ? 可選的 ADC 參考 電壓 ? 連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式 ? ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷 ? 基于睡眠模式的噪聲抑制器 ATmega48 有一個 10位的逐次逼近型 ADC。 ADC與一個 8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口 A的 8 路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以 0V (GND) 為基準(zhǔn)。ADC 包括一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到 ADC 的電壓保持恒定。 ADC 由 AVCC 引腳單獨提供電源。 AVCC 與 VCC 之間的偏差不能超過 177。 。標(biāo)稱值為 的基準(zhǔn)電壓，以及 AVCC，都位于器件之內(nèi)。基準(zhǔn)電壓可以通過在 AREF引腳上加一個電容進(jìn)行解耦，以更好地抑制噪聲。 ADC 通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個 10 位的數(shù)字量。最小值代表 GND，最大值代表 AREF引腳上的電壓再減去 1 LSB。通過寫 ADMUX寄存器的 REFSn位可以把 AVCC 或內(nèi)部 的參考電壓連接到 AREF 引腳。在 AREF 上外加電容可以對片內(nèi)參考電壓進(jìn)行解耦以提高噪聲抑制性能。 模擬輸入通道可以通過寫 ADMUX寄存器的 MUX位來選擇。任何 ADC輸入引腳，像 GND及固定能隙參考電壓，都可以作為 ADC 的單端輸入。通過設(shè)置 ADCSRA 寄存器的 ADEN即可啟動 ADC。只有當(dāng) ADEN 置位時參考電壓及輸入通道選擇才生效。 ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果為 10位，存放于 ADC數(shù)據(jù)寄存器 ADCH及 ADCL中。默認(rèn)情況下轉(zhuǎn)換結(jié)果為右對齊，但可通過設(shè)置 ADMUX 寄存器的 ADLAR 變?yōu)樽髮R。如果要求轉(zhuǎn)換結(jié)果左對齊，且最高只需 8 位的轉(zhuǎn)換精度，那么只要讀取 ADCH 就足夠了。否則要先讀 ADCL， 16 再讀 ADCH，以保證數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容是同一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。一旦讀出 ADCL， ADC 對數(shù)據(jù)寄存器的尋址就被阻止了。也就是說，讀取 ADCL 之后，即使在讀 ADCH 之前 又有一次 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)也不會更新，從而保證了轉(zhuǎn)換結(jié)果不丟失。 ADCH 被讀出后， ADC 即可再次訪問 ADCH 及 ADCL 寄存器。 ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果如下： 1024INREFADCVV ?? （ 310） 式中，INV為被選中引腳的輸入電壓，REFV為參考電壓。 A/D 轉(zhuǎn)換器接口： 使 CPU 能起動 A/D 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳給 CPU。必須 在兩者之間設(shè)置接口與控制電路。接口電路的構(gòu)成取決于 A/D 轉(zhuǎn)換器本身的性能特點，又取決于采用何種方式讀取 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果 CPU 讀取 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的方法有三種，查詢法，定時法和中斷法。[15] 本系統(tǒng)采用定時法讀 A/D 轉(zhuǎn)換所需時間 Tc，那么起動 A/D 后，只需等待該段時間，就可以讀 A/D 轉(zhuǎn)換器。 鍵盤輸入 鍵盤輸入是人機(jī)交互界面中最重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。 [16] 鍵盤接口圖： 11220S W P B1S W P B2S W P B3S W P B4S W P B5S W P B6S W P B7S W P B8S W P B9S W P BAS W P BBS W P BCS W P BDS W P BES W P BFS W P BR J 13 3 0R J 23 3 0R J 33 3 0R J 43 3 012345678J6K E Y71236450 圖 311 鍵盤接口電路 顯示輸出 顯示電路是智能儀表的重要功能電路之一，為簡化電路 、降低成本，通常采用動態(tài)顯示方式來實現(xiàn) 。本系統(tǒng)采用四位 LED 顯示。接口電路如下： 17 abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpSEL9D S 2abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpSEL9D S 3abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpSEL9D S 4abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpSEL9D S 1L IG H 1 L IG H 2L IG H 0 L IG H 3L E D 0L E D 1L E D 4L E D 6L E D 3L E D 2L E D 5L E D 7L E D 0L E D 1L E D 4L E D 6L E D 3L E D 2L E D 5L E D 7L E D 0L E D 1L E D 4L E D 6L E D 3L E D 2L E D 5L E D 7L E D 0L E D 1L E D 4L E D 6L E D 3L E D 2L E D 5L E D 7R L 02 20 X 5R L 1R L 2R L 3R L 4R L 5R L 6R L 7L E D 0L E D 1L E D 4L E D 6L E D 3L E D 2L E D 5L E D 712345678J 34L E D 1LIGH2LIGH1LIGH034U 9 B7 4A L S 0 656U 9 C7 4A L S 0 612U 9 A7 4A L S 0 689U 9 D7 4A L S 0 6LIGH31011U 9 E7 4A L S 0 6GND71213V C C14U 9 F7 4A L S 0 6V C C1 2 3 4 5 6J 33L E D 21 2J 18 圖 312 LED 顯示接口電路 18 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 采用模塊化程序設(shè)計與結(jié)構(gòu)程序設(shè)計的方法，即將程序整體分解為幾個相對獨立的程序模塊：鍵處理顯示模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、數(shù)據(jù)控制模塊、報警程序模塊、參數(shù)顯示偏移計算模塊等等。整體程序安排為：首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后打開中斷，等待中斷信號，最后查詢壓力越界標(biāo)志，判斷是否進(jìn)行報警處理。各鍵程序按照各自的功能進(jìn)行處理。 本系統(tǒng)采 用 C 語言作為編程語言。匯編語言作為傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的編程語言，具有執(zhí)行效率高等優(yōu)點，但其本身是一種低級語言，編成效率低下，且可移植性和可讀性差，維護(hù)極不方便，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的可靠性也較差。而 C語言以其結(jié)構(gòu)化和能產(chǎn)生高效代碼等優(yōu)勢滿足了設(shè)計要求，是嵌入式系統(tǒng)編程的首選。用 C 語言進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，具有匯編語言編程所不可比擬的優(yōu)勢：可以大幅度加快開發(fā)進(jìn)度 。無需精通單片機(jī)指令集和具體的硬件，也能夠編出符合硬件實際專業(yè)水平的程序；可以實現(xiàn)軟件的結(jié)構(gòu)化編程，她使得軟件的邏輯結(jié)構(gòu)變得清晰、有條理，便于開發(fā)小組計劃項目 、分工合作。源程序的可讀性和可維護(hù)性都很好；省去了人工分配單片機(jī)資源的工作；可移植性強(qiáng)； C 語言提供 auto、 static、 flash 等存儲類型。 由于涉及到大量數(shù)據(jù)的運算，程序不宜采用匯編語言， C 語言大大縮短了開發(fā)時間，且程序可讀性非常好。 [17] 軟件所實現(xiàn)的功能 ① 稱重 ② 計價 ③ 累計，去皮 ④ 標(biāo)定 ⑤ 鍵盤、顯示 系統(tǒng)的主程序流程框圖如圖 41 所示： 19 圖 41 系統(tǒng)的主程序流程框 圖 A/D 轉(zhuǎn)換 模塊 采用 Mega48 內(nèi)置 10 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。前級放大電路的輸出與單片機(jī)的 PC5 口相連，將輸入信號進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 開始端口初始化A \ D 初始化鍵盤掃描 ， 是否有鍵按下 ？B 鍵 （ 顯示重量 ）？轉(zhuǎn) B 鍵子程序E 鍵 （ 清單價 ）？F 鍵 （ 設(shè)定單價 ）？A 鍵 （ 輸入單價 ）？計算顯示單價清零轉(zhuǎn) F 鍵子程序轉(zhuǎn) A 鍵子程序否是否是是是是 20 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理模塊針對的是由 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的壓力字信號。包括采樣通道選擇與數(shù)據(jù)采樣子程序。 鍵盤掃描模塊 本系統(tǒng)采用 4 4 鍵盤，鍵盤電路與單片機(jī)的 PD0PD7 口相連。鍵盤的掃描程序步驟如下： ① 查詢是否有鍵按下。 ② 查詢按下鍵所在的行、列位置。 ③ 對得到的行號和列號譯碼，得到鍵值。 ④ 鍵的抖動處理，延時掃描。 顯示模塊 采用 4 位動態(tài) LED 顯示。段 選碼端口 I/O1 用來輸出顯示字符的段選碼，與單片機(jī) PB0PB7 口 相連。位選碼端口 I/O2 與單片機(jī) PC0PC3 口相連。 I/O1 不斷送待顯示字符的段選碼， I/O2 不斷送出不同的位掃描碼，并使每位顯示字符停留一段時間，一般為 15ms。利用眼睛的視覺慣性，從顯示器上便可以見到相當(dāng)穩(wěn)定的數(shù)字顯示。選擇 一 動態(tài)掃描的頻率有一定的要求，頻率太低， LED 將出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。如頻率太高，由于每個 LED 點亮的時間太短， LED 的亮度太低，肉眼無法看清，所以一般取幾個 ms 左右為宜 。 本系統(tǒng)采用 16 鍵鍵盤來實現(xiàn)， 分為數(shù)字鍵： 09為數(shù)字鍵， 6個控制鍵。開機(jī)正確輸入后，進(jìn)入稱重顯示。 A 鍵 輸入商品單價； B鍵 顯示商品重量；本次稱重結(jié)束退出，進(jìn)行下一次稱重； C鍵 確認(rèn)鍵，可以將當(dāng)前信息保存至購物清單；并且將金額累加，得到所購買商品的總金額； D鍵 去皮鍵， 用于去除皮重； E鍵 清單價 ， 用于輸入的單價錯誤的時候，重新輸入； F鍵 用于設(shè)置 單價； 設(shè)定商品單價：開機(jī)后按兩次 F 鍵，第二次按下 F 鍵后顯示 F即可設(shè)置單價。輸入商品代碼，按確認(rèn)鍵 C確定，顯示所輸入的價格；再輸入第二種商品的代碼，按確 21 認(rèn)鍵確定， 以此類推