【文章內(nèi)容簡介】 化了系統(tǒng)的組成構(gòu)造，且單片機(jī)可拓展性強(qiáng)，可以很方便的對系統(tǒng)進(jìn)行拓展和應(yīng)用。 使用鍵盤輸入數(shù)據(jù)，操作簡單，方便。 中文液晶顯示所稱量的物品重量，同時還可顯示物品 的名稱，數(shù)量，單價，金額和所有物品的總金額 。 具有去皮功能和金額累加計算功能。 當(dāng)物品重量超過電子秤量程，即過載情況或者是物品重量小于 A/D 轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換的最小精度，即欠量程的時候， 具有超重報警功能。 實(shí)驗(yàn) 原理及設(shè)計基本思路 系統(tǒng)工作 原理 電子秤的 工作原理。首先是 通過壓力傳感器 采集到 被 測物體的重量 并將其 轉(zhuǎn)換成電壓信號。輸出電壓信號通常很小，需要 通過前端信號處理電路 進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大。放大后的模擬電壓信號經(jīng) A/D 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。在實(shí)際應(yīng)用中，為提高數(shù)據(jù)采集的精度并盡量減少外界電氣干擾，還需要在傳感器與 A/D 芯片之間加上信號調(diào)整電路。 系統(tǒng) 設(shè)計 基本思路 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。其中數(shù)據(jù)采集模塊 由壓力傳感器 、 信號的前級處理和 A/D轉(zhuǎn)南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 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 該數(shù)字量的處理 ， 驅(qū)動顯示 模塊 完成人機(jī)間的信息交換 。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。在擴(kuò)展功能上，本設(shè)計增加了 一個 過載 、欠量程 報警 提示。 系統(tǒng)總體 設(shè)計 方案 比較與論證 在設(shè)計系統(tǒng)時 ，針 對各個模 塊實(shí) 現(xiàn)的功能來設(shè)計電子秤的方案有以下幾種： 方案一 數(shù)碼管顯示方案 結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換功能的單片機(jī)。 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(shí)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。缺點(diǎn)是：硬件部分簡單，雖然可以實(shí)現(xiàn)電子秤基本的稱重功能，但是不能實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，無法根據(jù)實(shí)際情況靈活地設(shè)定各種控制參數(shù)。由于數(shù)碼管只能實(shí)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(fù)雜字符，不能達(dá)到顯示購物清單的要求。又因?yàn)椴捎昧司哂心?shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)，系統(tǒng)電路過于簡單，系統(tǒng)硬件的擴(kuò)展必受到限制，電子秤的功能過于單一，達(dá)不到設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。 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，使電子秤實(shí)現(xiàn)稱重計價的功能。 結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示 ： 圖 帶有鍵盤輸入的結(jié)構(gòu)簡圖 此方案設(shè)計的電子秤，可以實(shí)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(kuò)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(zhuǎn)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(qiáng)了人機(jī)交換的能力，南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 而且滿足設(shè)計要求，可以顯示購物清單、所稱量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容。 結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示： 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 ]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(jī)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(shù)運(yùn)算功能強(qiáng) ,技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn) 。 但其缺點(diǎn)是外圍電路比較復(fù)雜 ,編程復(fù)雜。使用這種方案會給系統(tǒng)設(shè)計帶來一定的難度。 圖 單片機(jī)實(shí)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(shí)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(diǎn)，可實(shí)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(shè)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(qiáng)。 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(shí)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 。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 電子 秤 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)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(shè)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(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。 鑒于 本電子秤的設(shè)計并不太復(fù)雜， 單片機(jī)完全能實(shí)現(xiàn)所需功能， 所以在具體設(shè)計時，采用 了 第三 種 設(shè)計方案。 單片機(jī)的選型 選擇單片機(jī)型號的出發(fā)點(diǎn)有以下幾個方面： 市場貨源 系統(tǒng)設(shè)計者只能在市場上能夠提供的單片機(jī)中選擇，特別是作為產(chǎn)品大批量 生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)， 所選的單片機(jī)型號必須有 穩(wěn) 定、充足的貨源。 單片機(jī)性能 應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和各種單片機(jī)的性能，選擇最容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的型號，而且能達(dá)到較高的性能價格比。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、體積和封裝形式等方面。影響性能價格比的因素除單片機(jī)的性能價格外，還包括硬件和軟件設(shè)計的容易程度、相應(yīng)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(wù)重、時間緊的情況下，還要考慮所選的單片機(jī)型號是否熟悉，是否能馬上著手進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計。與研制周期有關(guān)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(jìn)程。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 AT89S 系列單片機(jī)是繼 AT89C 系列之后推出的功能更強(qiáng)的新產(chǎn)品。 AT89S系列與 AT89C 系列相比，運(yùn)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(guān)電方式、關(guān)電方式下的中斷恢復(fù)等諸多功能，極大地滿足了各種不同的應(yīng)用要求。 AT89S52 單片機(jī)是 AT89S 系列中的增強(qiáng)型高檔機(jī)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(qiáng)的、具有獨(dú)特應(yīng)用的 16 位定時／計數(shù)器 2 等多種功能 。 在工程應(yīng)用中 AT89S52 有一顯著的優(yōu)勢：不需要燒寫器，只借助 PC 機(jī)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(jī)。并且下載電路可設(shè)計在系統(tǒng)中，可以隨時修改單片機(jī)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(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)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(fù)位標(biāo)志。我們在外面擴(kuò)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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。 現(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會進(jìn)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(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)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(yīng)的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。 壓電傳感器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學(xué)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)力南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 dAC or???或壓力的測量。壓電器件的弱點(diǎn)：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(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感器。它有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。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。 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(dāng)不考慮其邊緣效應(yīng)（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(zhuǎn)換為電量輸出。 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。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(fù)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(gòu)成的寄生電容影響很大。 方案三 電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電 阻應(yīng)變效應(yīng) ，電阻應(yīng)變片即可單獨(dú)作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器 。 導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號轉(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。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的△ R/R 變化轉(zhuǎn)南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)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(zhuǎn)換電路常用測量電橋。 直流電橋 的特點(diǎn)是信號不會受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)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(jié)構(gòu)原理圖 當(dāng)電橋輸出端接無窮大負(fù)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(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有： ADABBDo uuuu ??? = （ ） 當(dāng)滿足條件 R1R3=R2R4 時，即 （ ） ou =0，即電橋平衡。式（ ）稱平衡條件。 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