【正文】 行自診斷、自校正和多種補(bǔ)償計(jì)算和處理。電子秤有些已具備了動(dòng)物稱量模式 ,即通過進(jìn)行算術(shù)平均、積分處理和自動(dòng)調(diào)零等方法 ,消除上述的誤差。目前的電子秤有附加多種計(jì)算和數(shù)據(jù)處理功能 ,以滿足多種使用的要求。同時(shí) ,功能更加齊全的高精度的先進(jìn)電子秤將會(huì)不斷問世 ,其應(yīng)用范圍也會(huì)更加拓寬。運(yùn)算結(jié)果送到內(nèi)存儲(chǔ)器，需要顯示時(shí)， CPU 發(fā)出指令，從內(nèi)存儲(chǔ)器讀出送到顯示器顯示，或送打印機(jī)打印。 電子秤的設(shè)計(jì)思路 綜上所述，本課題的主要設(shè)計(jì)思路是：利用壓力傳感器采集因壓力變化產(chǎn)生的電壓信號(hào)，經(jīng)過電壓放大電路放大，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后把數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)。此外，還可通過鍵盤設(shè)定所稱物品的價(jià)格。 7 2 方案論證與比較 按照本設(shè)計(jì)功能的要求 ，系統(tǒng)由 6個(gè)部分組成：控制器部分，測量部分，轉(zhuǎn)換部分報(bào)警部分，數(shù)據(jù)顯示部分和鍵盤部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖 所示。控制器部分接受來自 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號(hào)，并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單 元中。 控制器部分 本系統(tǒng)基于 51 系列單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)需要大量的控制 LED 顯示和鍵盤。（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)。 AT89S52單片機(jī)是 ATMEL公司新近推出的高檔型 AT89S系列單片機(jī)中的增強(qiáng)型產(chǎn)品， AT89S52 是一個(gè)低功耗、高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8Kbyte ISP（ Insystemprogrammable） 的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flsh 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高精密、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微 型計(jì)算機(jī)的 AT89S52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 為保證電子秤秤量結(jié)果的準(zhǔn)確度，克服傳感器在低量程段線性度差的缺點(diǎn)。 由于惠 更 斯電橋具諸如抑制溫度變化的影響， 抑制干擾，補(bǔ)償方便等優(yōu)點(diǎn)，所以該傳感器測量 精度高，溫度特性好，工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)的動(dòng)，靜態(tài)測量及各種電子秤的一次儀表。 題目要求稱重范圍 015Kg ，重量誤差不大于 ，考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重— 15Kg。 量程 20Kg ，精度為 %，滿量程時(shí)誤差 。 其原理如下圖所示： 圖 NSTHI系列稱重傳感器原理圖 稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用 惠 更 斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓可由下式給出： 表 壓力傳感器的主要技術(shù)指標(biāo) 9 前級(jí)放大器部分 壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，所以對(duì)運(yùn)算放大器要求很高。 普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)引入大量噪聲。所以，此中方案不宜采用。 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。 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。 缺點(diǎn)：此電路要求 R3 、 R4 相等，誤差將會(huì)影響輸出精度，難度較大。對(duì)精度影響較大。 此類芯片內(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，且外部接口簡單。 增益 范圍 5～10000V/V，通過改變 RG 的大小來改變放大器的增益 ， 基于以上分析，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 。即能把被控對(duì)象 的各種模擬信息變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信息。 計(jì)數(shù)器式 A/D 轉(zhuǎn)換器 的結(jié)構(gòu)很簡單，但轉(zhuǎn)換速度也很慢，所以很少采用。并行 A/D 轉(zhuǎn)換器 的轉(zhuǎn)換速度最快，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而造價(jià)較高，故只用于那些轉(zhuǎn)換速度極高的場合。 逐次逼近式 A／ D轉(zhuǎn)換器是采樣速率低于 5MSPS(百萬次采樣每秒 )的中高分辨率應(yīng)用的常見結(jié)構(gòu)，其分辨率一般為 8 位～ 16位， 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換，一般具有采樣 /保持功能。顧名思義，逐次逼近式 A／ D轉(zhuǎn) 11 換器實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制搜索算法，內(nèi)部電路可以運(yùn)行在幾 MHz， A／ D轉(zhuǎn)換器采樣速率是該數(shù)值的分?jǐn)?shù)，主要由逐次逼近算法確定。 它的工作電壓范圍比較寬，精度也比較高。它的轉(zhuǎn)換速度是100us。 鍵盤處理部分方案論證 由于電子秤需要設(shè)置單價(jià)（十個(gè)數(shù)字鍵），還有復(fù)位，刪除等功能，總共需要設(shè)置 24 個(gè)鍵，鍵盤的擴(kuò)展有采用以下方案： 采用矩陣式鍵盤：矩陣式鍵盤的特點(diǎn)是把檢測線分成兩組，一組為行線，一組列線，按鍵放在 行線和列線的交叉點(diǎn)上。 3X8的矩陣式鍵盤共可安裝 24個(gè)鍵，但只需要 11 條測試線。 圖 矩陣式鍵盤 顯示電路部分的選擇 方案 一 ：采用帶字庫的 LCD 顯示。但它的 可視偏轉(zhuǎn)角度過小 ， 往往是只能從正面觀看，從側(cè)面看就會(huì)出現(xiàn)較大的亮度和色彩失真。 并且很容易壞，壽命很短，價(jià)格相對(duì)而言也比較高 。數(shù)碼管只能顯示有限的數(shù)字和符號(hào)， 顯示內(nèi)容少。 可減少接口數(shù)目， 同時(shí) LED 還 有節(jié)能、安全和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn) 。 12 超量程報(bào)警部分的選擇 智能儀器 一般都具有報(bào)警和通訊功能，報(bào)警主要用于系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)，當(dāng)測量的數(shù)據(jù)超過儀表量程或者是超過用戶設(shè)置的上下限時(shí)為 提醒用戶而設(shè)置。 超限報(bào)警電路是由單片機(jī)的 I/O 口來控制的，當(dāng)稱重物體重量超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)所允許的重量時(shí)，通過程序使單片機(jī)的 I/O 值為高電平，從而三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器 BELL 發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)使報(bào)警燈發(fā)光。 在本系統(tǒng)中，用于稱量的主要器件是稱重傳感器（一次變換元件），稱重傳感器在受到壓力或拉力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，受到不同壓力或拉力時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)也隨著變化，而且力與電信號(hào)的關(guān)系一般為線性關(guān)系。由于傳感器輸出的為模擬信號(hào)，所以需要對(duì)其進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便單片機(jī)接收。 單片機(jī)芯片 AT89S52 介紹 單片機(jī)的全稱為單片微型計(jì)算機(jī)（ SingleChip Microputer）或微型控制器（ Microcontroller）。就其組成而言一塊單片機(jī)就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。由于它具有許多適用于控制的指令和硬件支持而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表、外設(shè)控制、順序控制器中，所以又稱為微 控制單元（ MCU）。 ATMEL89 系列單片機(jī)是 ATMEL 公司的以 8031 核構(gòu)成的 8位 Flash單片機(jī)系列。 壓力傳 感器 前端信 號(hào)處理 A/D 轉(zhuǎn)換器 單片機(jī) AT89S52 LED 顯示 鍵盤控制 圖 硬件電路設(shè)計(jì)框圖 報(bào)警電路 14 圖 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 AT89S52 單片機(jī)是一種低功耗高性能的 CMOS8 位微控制器，內(nèi)置 8KB可在線編程閃存。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器允許重復(fù)在線編程，允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)內(nèi)通過 SPI 串行口改寫或用同用的非易失性存儲(chǔ)器改寫。它的應(yīng)用范圍廣，可用于解決復(fù)雜的控制問題，且成本較低 。 AT89S52 的主要特性如下： 1） 兼容 MCS51 產(chǎn)品 2） 8K 字節(jié)可擦寫 1000 次的在線可編程 ISP 閃存 3） 到 的工作電源范圍 4） 全 靜態(tài)工作： 0Hz ～ 24MHz 5） 3級(jí)程序存儲(chǔ)器加密 6） 256 字節(jié)內(nèi)部 RAM 7） 32 條可編程 I/O 線 8） 3個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 9） 8個(gè)中斷源 10) UART 串行通道 11) 低功耗空閑方式和掉電方式 12) 通過中斷終止掉電方式 13) 看門狗定時(shí)器 14) 雙數(shù)據(jù)指針 15） 靈活的在線編程（字節(jié)和頁模式 ） 15 圖 AT89S52的結(jié)構(gòu)框圖 此外 ,AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。同時(shí)該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式 ,以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 單片機(jī)管腳說明 按照功能， AT89S52 的引腳可分為主電源、外接晶體振蕩或振蕩器、多功能I/O 口、控制和復(fù)位等。 16 圖 AT89S52封裝引腳圖 引腳功能介紹如下： 1．多功能 I/O 口 AT89S52 共有四個(gè) 8位的 并行 I/O 口： P0、 P P P3端口，對(duì)應(yīng)的引腳分別是 ～ ， ～ ， ～ ， ～ ，共 32 根 I/O線。 （ 1） P0 端口，該口是一個(gè) 8位漏極開路的雙向 I/O 口。當(dāng)把 “1” 寫入 P0 時(shí)，則它的引腳可用作高阻抗輸入。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)， P0 用于 接收代碼字節(jié)；在校驗(yàn)時(shí)，則輸出代碼字節(jié)；此時(shí)需要外加上拉電阻。對(duì)端口寫 “1” 時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。在對(duì)Flash 編程和程序校驗(yàn)時(shí)， P1口接收低 8 位地址。 17 表 31 P1 口管腳復(fù)用功能 端口引腳 復(fù)用功能 T2（定時(shí)器 /計(jì)算器 2的外部輸入端） T2EX（定時(shí)器 /計(jì)算器 2的外部觸發(fā)端和雙向控制） MOSI（用于在線編程） MISO（用于在線編程） SCK（用于在線編程） （ 3） P2端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 端口， P2 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4 個(gè) TTL 輸入。 P2 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P2口也接收高位地址或一些控制信號(hào)。對(duì)端口寫 “1” 時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。 在 AT89S52 中，同樣 P3 口還用于一些復(fù)用功能，如表 32所列。 表 32 P3端口 引腳與復(fù)用功能表 端口引腳 復(fù)用功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（定時(shí)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí)器 1 的外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 2． RST 復(fù)位輸入端?？撮T狗定時(shí)器（ Watchdog）溢出后，該引腳會(huì)保持 98個(gè)振蕩周期的高電平。 DISRTO 位的默認(rèn)狀態(tài)，是復(fù)位高電平輸出功能使能。 在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，這個(gè)輸出信號(hào)用于鎖存低字節(jié)地址。一般情況下， ALE是振蕩器頻率的6分頻信號(hào)，可用于外部定時(shí)或時(shí)鐘。在需要時(shí)，可以把地址 8EH 中的 SFR 寄存器的 0位置為 18 “1” ，從而屏蔽 ALE 的工作；而只有在 MOVX 或 MOVC 指令執(zhí)行時(shí) ALE 才被激活。 4． PSEN 程序存儲(chǔ)器允許信號(hào)。當(dāng) AT89S52 在 執(zhí)行來自外部存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每一個(gè)機(jī)器周期 PSEN 被激活 2次。 5． EA/Vpp 外部存取允許信號(hào)。但是，如果鎖定位 1 被編程，則 EA 在復(fù)位時(shí)被鎖存。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳接收 12V 編程電壓 Vpp。 7． XTAL2 振蕩器的反相放大器輸出 AT89S52 的最小系統(tǒng)電路構(gòu)成 AT89S52 的最小系統(tǒng)有時(shí)鐘電路，復(fù)位電路 ，電源電路 ， 單片機(jī) 及外擴(kuò) 8155芯片 構(gòu)成。 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。如果 RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計(jì)數(shù)器 PC=0000H，這表明程序從 0000H 地址單元開始執(zhí)行。 51 單片機(jī)的復(fù)位是由 RESET 引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過 24個(gè)振蕩周期后， 51 單片機(jī)即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到 RESET 引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查 EA 引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會(huì)執(zhí)行外部程序。 傳感器和其外圍以及放大電路設(shè)計(jì) 1. 傳感器 力學(xué)傳感器的 種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式 。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。在了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這種元件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變