【正文】 第 4章 系 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 6 方案一：利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器 6 方案二： 由高精度低 漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器 6 方案三：采用專用儀表放大器，如 INA126， INA121等 8 AD574 12 62256與單片機(jī)的連接 13 ZLG7289引腳及簡(jiǎn)介 15 MGLS－ 12864引腳及簡(jiǎn)介 16 MGLS－ 12864與 AT89S52的連接 16 打印機(jī)接口 電路 17 打印機(jī)與 AT89S52的連接電路 18 數(shù)字濾波技術(shù) 18 線性化處理技術(shù) 25 西南交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） I 摘 要 隨著時(shí)代科技的迅猛發(fā)展，微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。作為重量測(cè)量?jī)x器，智能電子秤在各行各業(yè)開始顯現(xiàn)其測(cè)量準(zhǔn)確，測(cè)量速度快，易于實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控的巨大優(yōu)點(diǎn)，并開始逐漸取代傳統(tǒng)型的機(jī)械杠桿測(cè)量稱，成為測(cè)量領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。系統(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng) 板，數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互界面三大部分。人機(jī)界面部分為鍵盤輸入 ， 128 64 點(diǎn)陣式液晶顯示，及打印機(jī)部分， LCD 顯示部分可以直觀的顯示中文，使用方便。因其種類繁多，且涉及到貿(mào)易結(jié)算和保護(hù)廣大消費(fèi)者的利益，所以為世界各國政府普遍關(guān)注和重視，并被確定為國家強(qiáng)制管理的法制計(jì)量器具。 60 年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器以來，經(jīng)過 40 多年的不斷改進(jìn)與完善，我國電子衡器從最初的機(jī)電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。國際上主要有兩種發(fā)展途徑：以美國為代表的先軍工后民用，先提高后普及的途徑和以日本為代表的實(shí)用化商品化 ，先普及后提高的途徑。近幾 年是關(guān)鍵時(shí)期，急需提高我國稱重傳感器的總體技術(shù)、工藝和質(zhì)量水 平。 （ 2）在彈性體加工中，從單元加工技術(shù)發(fā)展到集成化加工技術(shù)；從剛性制造發(fā)展到柔性制造；從簡(jiǎn)單化經(jīng)驗(yàn)判斷發(fā)展到智能化定量分析。 （ 3）生產(chǎn)工藝已不是傳統(tǒng)關(guān)念中的“作坊手藝”，而是技術(shù)與管理相結(jié)合的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。例如：采用計(jì)算機(jī)控制，人機(jī)一體化工藝系統(tǒng)和測(cè)試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)等。 稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 、應(yīng)變式稱重傳感器的發(fā)展趨勢(shì)，可用“四化”來概括，即設(shè)計(jì)技術(shù)虛擬化，制造技術(shù)柔性化，生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)化，企業(yè)管理信息化。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的擬實(shí)技術(shù)：是指面向彈性體的結(jié)構(gòu)和性能分析技術(shù)，包括動(dòng)態(tài)仿真、動(dòng)力學(xué)分析、強(qiáng)度和剛度有限單元 法計(jì)算、敏感區(qū)應(yīng)變大小與分布等，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的 .工藝設(shè)計(jì)的虛擬技術(shù)：是指面向彈性體生產(chǎn)過程的模擬和試驗(yàn)，檢驗(yàn)彈性體的可加工性，加工方法和工藝的合理性，保證制造工藝最佳化。通過仿真軟件來模擬真實(shí)受載情況，發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理設(shè)計(jì)和工藝缺陷或錯(cuò)誤，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的合理性。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自 動(dòng)控制技術(shù)等與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相結(jié)合形成的全新的制造系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的“作坊手藝”生產(chǎn)工藝相比，大大的減少了手工操作，最大限度的排除了人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。包括 CAD、 CAM 系統(tǒng)，生產(chǎn)管理系統(tǒng)，商務(wù)決策系統(tǒng)和經(jīng)營管理系 統(tǒng)等。 （ b）多功能、多分量稱重傳感器及其測(cè)試方法。 （ d） 防爆、耐壓、耐腐蝕等稱重傳感器。 （ f） 大阻值低功耗高精度電阻應(yīng)變計(jì)研制等。 （ 1）小型化：是指稱重傳感器總體結(jié)構(gòu)體積小、高度低、重量輕，即小、薄、輕。 （ 2）集成化：有結(jié)構(gòu)集成和功能集成兩種形式。功能集成是指將重量信息采集、放大、變換、傳輸、處理和顯示都集于一體的稱重傳感器，例 如：將敏感元件（彈性體）、轉(zhuǎn)換元件（電阻應(yīng)變計(jì)）、信號(hào)處理電路和稱重顯示控制都集于一體的輪輻式稱重傳感器，其數(shù)字顯示位置就在傳統(tǒng)輪輻式稱重傳感器的接線盒處，通常稱為輪輻式稱重儀。例如：電子吊秤用稱重傳感器在檢測(cè)重量信息的同時(shí)還可檢測(cè)加速度信息；汽車檢西南交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 3 測(cè)平臺(tái)用稱重傳感器，可同時(shí)檢測(cè)垂直方向的重量信息和水平方向的側(cè)向載荷，即多分力測(cè)量。稱重傳感器的智能化就是研制新型數(shù)字式智能稱重傳感器，有兩種結(jié)構(gòu)。二是分離型：將整體型數(shù)字式智能稱重傳感器內(nèi)的數(shù)字電路置于外部接線盒內(nèi)，稱為數(shù)字模盒。 數(shù)字式智能稱重傳感器具有如下特點(diǎn)： （ a） 輸出信號(hào)大，抗干擾能 力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，信噪比高。 （ c）內(nèi)裝溫度傳感器，通過補(bǔ)償軟件可進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償，穩(wěn)定性好。 對(duì)某些商用電子計(jì)價(jià)秤而言，只具備稱重、計(jì)價(jià)、顯示、打印功能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，現(xiàn)代商業(yè)系統(tǒng)還要求它能提供各種銷售信息，把稱重與管理自動(dòng)化緊密結(jié)合，使稱重、計(jì)價(jià)、進(jìn)庫、銷售管理一體化，實(shí)現(xiàn)管理自動(dòng)化。電壓信號(hào)經(jīng)前端處理及放大，再接入 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： （ a）電子秤測(cè)量范圍 0~20KG。 （ c）采用專用鍵盤控制芯片及顯示芯片，可以設(shè)定數(shù)據(jù)、 LCD顯示重量及價(jià)格。 系統(tǒng)分析 根據(jù)系統(tǒng)要求的功能，對(duì)系統(tǒng)分析如下。 （ b）要直接把壓力傳感器轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)后送入單片機(jī)處理是不行的。 （ c） 經(jīng)過轉(zhuǎn)化的數(shù) 字 信號(hào)在處理前含有干擾信號(hào)，因此要進(jìn)行濾波，濾波又分硬件和西南交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 4 軟件濾 波 ，通過比較分析采 用軟件濾波。 （ e）單片 機(jī) 處理后的信號(hào)必 須輸出顯示，這時(shí) 應(yīng)要有顯示電路，本裝置用 128 64的 LCD顯示，既可以顯示數(shù) 字 ，也可以顯示中文。 （ f）最后單片機(jī)可以把信號(hào)輸入打印機(jī)打印總價(jià)格等信息 。電壓信號(hào)經(jīng)前端處理及放大，再接入 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)處理。 方案選擇與方案論證 在對(duì)系統(tǒng)功能的全面分析后，就需要對(duì)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行選擇。 （ a）傳感器方面，需要精度高，可靠性好，穩(wěn)定性高，誤差小，同時(shí)要滿足實(shí)際需要。量程 20Kg ，精度為 %，滿量程時(shí)誤差 ，可以 滿足本系統(tǒng)的精度要求。 INTEL 公司推出的高性能 MCS51 系列八位單片機(jī)一投入市場(chǎng)就很快被使用者所歡迎。在八位單片機(jī)的設(shè)計(jì)上紛紛向 51 系列八位單片機(jī)內(nèi)核靠攏。C 總線， PHILIPS 公司還推出一系列高性能 具有快閃存儲(chǔ)器的標(biāo)準(zhǔn)的 8051 派生型八位機(jī)單片機(jī)，很方便地多次在線編程為用戶帶來極大方便。 Cygnal 公司推出的80C51F 又將 8051 兼容單片機(jī)技術(shù)推向了一個(gè)新的高度， 80C51F 單片機(jī)是完全集成混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與 8051 兼容的高速 CIP51內(nèi)核，于 MCS－ 51指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn) 803 805X 匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。這些外設(shè)或功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、 ADC、 DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、 SMBUS、 12C、 UART、 SPI、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列（ PCA）、數(shù)字 I/O 端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器（ WDT）和時(shí)鐘振蕩器等。（因?yàn)榇笠?guī)?？删幊踢壿嬈骷话闶鞘褂脿顟B(tài)機(jī)方式來實(shí)現(xiàn)，即所解決的問題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換問題。）另外系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了 AT89S52 通用的比較普通單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)組成框圖如圖 31所示： 圖 31 系統(tǒng)組成框圖 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)上述功能，接下來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面是對(duì)這些電路的詳細(xì)介紹 。因此需要一種裝置，它能把非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)。本裝置把 物品重量轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)用的是稱重傳感器。 零點(diǎn)輸出 %FS 177。 額定輸出溫度系數(shù) %FS/10℃ 輸入電阻 Ω 415－ 445 輸出電阻 Ω 350177。 前端信號(hào)處理放大系統(tǒng) 稱重傳感器把料倉重量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，但是這種 信號(hào)是微弱的，需要通過放大電路加以放大然后送入單片機(jī)處理，但是單片機(jī)只對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，所以從放大器出來的信號(hào)還需要通過 A/D 轉(zhuǎn)換電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，這樣才能送入單片機(jī)進(jìn)行處理，其中還需要對(duì)信號(hào)中無用的干擾信號(hào)進(jìn)行慮除，本裝置采用數(shù)字濾波。我們考慮可以采用以下幾種方案可以采用 。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的 干擾信號(hào)就會(huì)直接影響最后的測(cè)量精度。 方案二：由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器 差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放 （ 如 OP07） 做成一個(gè)差動(dòng)放大器。 （ a）優(yōu)點(diǎn)：輸入級(jí)加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級(jí)為差動(dòng)放大電路，滑動(dòng)變阻器 R6 可以調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)，最后一級(jí)可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。 （ b）缺點(diǎn)：此電路要求 R R4 相等，誤差將會(huì)影響輸出精度，難度較大。 方案三：采用專用儀表放大器，如 INA126， INA121 等 INA126 芯片內(nèi)部采用差動(dòng)輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡(jiǎn)單?；谝陨戏治?，我們決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器 INA126。微弱信號(hào) Vi1 和 Vi2 被分別放大后從 INA126 的第 5腳輸出。 A/D 轉(zhuǎn)換器AD574 的輸入電壓變化范圍單極性是 0V~10V，雙極性：－ 5V~＋ 5V。故 Rg 取 300~400Ω 。本設(shè)計(jì)采用 12位數(shù)據(jù)線。讀出數(shù)據(jù)時(shí)，第一次讀 DB11DB4（高 8 位），第二次讀 DB3DB0，此時(shí)， DB7DB4 為 0000H，為使用直接尋位指令查詢，將 AD574 的標(biāo)志位 STS 直接接到 8031 的 位。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè)TTL 邏輯電平。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0口也被作為低 8位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在 flash編程時(shí)， P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。 （ b） P1 口 ： P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， p1輸出緩 沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ TTL）。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。對(duì) P2 端口寫 “1” 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時(shí)， P2口送出 高八位地址。在使用 8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。 （ d） P3 口： P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， p2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P3口也接收一些控制信號(hào) 。晶振工作時(shí)， RST 腳持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO 位可以使此功能無效。 （ f） ALE/PROG：地址鎖存控制信號(hào)（ ALE）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部時(shí)器或時(shí)鐘使用。如果需要，通過將地址為 8EH的 SFR的第 0位置 “1” ， ALE 操作將無效。否則， ALE 將被微弱拉高。 （ g） PSEN:外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（ PSEN）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。 西南交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育 畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 12 （ h） EA/VPP:訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA 應(yīng)該接 VCC。 （ i） XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 62256 存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介 6