【正文】 系統(tǒng)的電路可擴展性不好，體重秤的功能過于單一，采集到的信號的抗干擾能力不強，所以達不到設(shè)計的標準。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行單位的轉(zhuǎn)換，由于使用習慣的不同人們習慣用的陜西科技大學 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。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)也更加準確。 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。 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。此方案的缺點是硬件電路復(fù)雜，硬件成本較高。 單片機選擇 當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。 (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。 (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。 (g) 單電源輸入： —。 (l) 雙重時鐘提供 4 種操作模式 外部高速時鐘：晶體，最大 8MHz 內(nèi)部高速 時鐘： 16MRC 正常 模式：高 低速時鐘均可 運行 低速模式：僅低速時鐘運行 睡眠模式：高低速時鐘均停止運行。 CPU 即為中央處理單元，是整個單片機的中樞。 算術(shù)邏輯單元 ALU 是一個極強的運算器，不但可以進行簡單的算術(shù)運算和邏輯運算，還具有數(shù)據(jù)傳送、移位、判斷和程序轉(zhuǎn)移等功能。 控制單元起著控制器的作用，由時序發(fā)生器、指令寄存器和振蕩器等電路組成。 時鐘發(fā)生器是控制器的心臟，能為控制器提供時鐘脈沖。振蕩脈沖經(jīng)過分頻后，產(chǎn)生時鐘脈沖。 專用寄存器組是與 CPU 密切相關(guān)的一組寄存器，主要用來指示要執(zhí)行的指令的內(nèi)存地址、存放操作數(shù)和指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)等。 陜西科技大學 畢業(yè) 設(shè)計說明書 12 壓 力 傳 感 器鍵 盤 輸 入S N 8 P 1 9 3 7L C D 顯 示E E P R O M 圖 36 基于 SN8P1937 單片機的 體重 秤的結(jié)構(gòu)框圖 傳感器選擇 傳感器是指能感受規(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。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)換為適用于傳出和測量的電信號部分。 可供選擇的方案有： 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)電傳感器。 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)力學亮的測量，不適合測量頻率太低的被測量，更不能測靜態(tài) 量。壓電器件的弱點是：高內(nèi)阻、小功率。 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。電容傳感器可用來檢測壓力、力、位移以及振動學非電參量。兩塊相互平行的金屬極板，當不考慮器 件 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 量變化）時，其電容量為 C=ε 1ε 2A/d (31) 在 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； ε 1介質(zhì)的相對介電常數(shù)； ε 2真空中的介電常數(shù)。受幾何尺寸限制，電容傳感器的電容量都很小，一般 為幾 皮基于 SN8P19 系列單片機 AutoRun 功能體重秤的設(shè)計 13 法至幾十皮法。由于 C 很小，功率也很小， 因此容易受外界干擾，信號須經(jīng)放大，并采取抗干擾措施。 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)，將各種力學量轉(zhuǎn)化 為電信號 的結(jié)構(gòu)性傳感器。 導(dǎo)體的電阻隨著機械形變而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路吧應(yīng)變片的 △ R/R 變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。 應(yīng)變片式傳感器有如下特點： 應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機械量傳感器。 (c)結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小，對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。 通過以上對傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。傳感器的量程必須大于體重秤的額定量程。 顯示器件選擇 方案一：數(shù)碼管顯示 數(shù)碼管顯示直觀易懂，但是只能顯示數(shù)據(jù)，不能顯示文字或圖像。 不符合本系統(tǒng)低功耗的設(shè)計原則。液晶顯示的價格也不貴，但是功耗很低，抗干擾能力強，并且所選芯片自帶液晶驅(qū)動能力，因此，本設(shè)計中采用液晶顯示。在顯示像素上建立直流電場相對容易，單相的直流電場會導(dǎo)致液晶陜西科技大學 畢業(yè) 設(shè)計說明書 14 材料的化學反應(yīng)以及電極老化，降低液晶的顯示壽命，因此必須建立交流驅(qū)動電場。 本章小結(jié) 本章對系統(tǒng)的方案進行了論證，對系統(tǒng)的主控制器 芯片 、傳感器的類型 及顯示器件進行了選擇，最終確立以 SONIX 公司的 SN8P1937 作為主控制芯片， 以電阻應(yīng)變式傳感器為信號采集的器件 ，以液晶作為顯示器件 ， 設(shè)計出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，這對以后的各模塊化的設(shè)計指明了方向。 系統(tǒng)的自動開機功能是在指將系統(tǒng)從綠色模式喚醒后，在正常模式下進行重量的測量和顯示。 單片機外圍硬件電路設(shè)計 單片機的外圍電路包括復(fù)位電路 和振蕩電路兩部分。RC 復(fù)位電路 圖 41 典型的外部復(fù)位電路 圖 41 中 (a)圖為一個基本的由電阻 R1 和電容 C1 組成的 RC 復(fù)位電路，它在系統(tǒng)上電的過程中能夠為復(fù)位引腳提供一個緩慢上升的復(fù)位信號。 圖 41 中 (b)圖 R1 和 C1 同樣是為復(fù)位引腳提供輸入信號。 對于不同應(yīng)用需求，選擇適當?shù)姆謮弘娮琛Ｈ绻?VDD 跌落并低于復(fù)位引腳復(fù)位檢測值，那么系統(tǒng)將被復(fù)位。分壓電阻 R1 和 R2 的電流穩(wěn)定，在功耗電路如直流電源系統(tǒng)中，此處的功耗必須計入整個系統(tǒng)的功耗中。高速時鐘由外部振蕩電路或內(nèi)置 16MHz 高速 RC 振蕩電路產(chǎn)生。 本設(shè)計中采用內(nèi)部時鐘 提供振蕩。 傳感器電路 電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計、補償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形 式。電阻應(yīng)變計再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點是精度高，測量范圍廣 ,壽命長 ,結(jié)構(gòu)簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。因此它廣泛應(yīng)用于自動測試和控制技術(shù)中。本系統(tǒng)使用SN8P1937 內(nèi)部的 LCD 驅(qū)動器來驅(qū)動面板上的液晶顯示屏，硬件電路將在 本 節(jié)中詳細介紹。相關(guān)寄存器只有 LCDM1 寄存器。 鍵盤分兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。每按一次鍵，鍵盤自動提供被按鍵的讀數(shù)，同時產(chǎn)生一 個 選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時按鍵保護功能。非編碼鍵盤：只簡單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作 例 如鍵的識別，決定按鍵的讀數(shù)等僅靠軟件完成，故硬件較為簡單，但占用 CPU 較多時間。 非編碼式鍵盤可分獨立式鍵盤和行列式鍵盤兩種：獨立式鍵盤中，每個鍵占用一根I/O 口線，每根 I/O 口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它 I/O 口線上的狀態(tài)。故這種形式適用于按鍵數(shù)量較少的場合；行列式鍵盤又稱矩陣式鍵盤，設(shè)計 4 行 4 列 16 個鍵，只占用 8 根 I/O 口線，所以鍵數(shù)目較多時，可節(jié)省 I/O 口線。 由于本次設(shè)計中需要的按鍵操作很少， MCU 的資源很豐富，所以在設(shè)計中用了獨立式按鍵， S1 接在了 P11 口，用于單位轉(zhuǎn)換 。 下面對系統(tǒng)中用到的 AT24C02（ Atmel） 作為分析對象，其他型號類似。施密特觸發(fā)輸入，允許頁寫入 ，功能性地址線不允許連接到同一條總線上，通常標準的是引腳（ PDIP、 SOIC、 TSSOP） 封裝。 Vss：接地。 SCL：串行時鐘，用以數(shù)據(jù)傳輸同步。連接到 Vss,寫操作使能；連接到 Vcc，寫操作禁止。 很明顯，從上面引腳我們可以看出 SCL和 SDA就是 I2C(TM)協(xié)議中對應(yīng)的那兩條信號線，數(shù)據(jù)傳輸?shù)南盗袆幼鳎浩鹗?、?shù)據(jù)確認、數(shù)據(jù)改變、停止條件如下： 起始條件： 起始操作必須先于所有命令產(chǎn)生。 陜西科技大學 畢業(yè) 設(shè)計說明書 20 傳輸條件： 起始條件 之后，在 SCL高電平期間， SDA保持穩(wěn)定的高電平（或低電平），要改變SDA的狀態(tài)，必須在 SCL低電平時。 停止條件： 所有操作以停止條件為結(jié)束。 EEPROM 的接口電路如圖 47 所示： 圖 47 EEPROM 接口電路 通道轉(zhuǎn)換和自動增益電路 如圖 410所示 AI+和 AI輸入的模擬信號，經(jīng)過一個多路開關(guān)進入 PGIA（可編程增益放大器），將信號放大一定的倍數(shù)，然后再經(jīng)過一個 RC的濾波電路，濾除信號中的雜信， 最后進入 AD轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部，這些部分全部是在 MCU內(nèi)部集成的，不需要進行專門的設(shè)計，只是設(shè)置相關(guān)寄存器即可。 PGIA時鐘 =Fcpu/32/(2^AMPCKS) 在不同的 Fosc頻率下， AMPCKS[2:0]寄存器的值參閱下表： 表 45 時鐘頻率參考 AMPCKS2 AMPCKS1 AMPCKS0 高速時鐘 2M 4M/IHRC 8M 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 967HZ 1 0 1 488HZ 874HZ 976HZ 1 1 0 244HZ 437HZ 488HZ 976HZ 1 1 1 122HZ 218HZ 244HZ 488HZ 電池低電壓檢測電路 SN8P1937提供 2種方式 檢測 電源電壓：一種是通過 16bit的 ADC，這種方法比較精確但是比較費時且比較復(fù)雜；另外一種是通過內(nèi)置的電壓比較器，電源電壓經(jīng)過外部分壓電路連接到 ，與 ACM（ ）進行比較，比較結(jié)果在 LBTO位。 在本電路中采用的是第一種接法， ，不能再作為 IO口。 表 47 低壓檢測電阻對應(yīng)表 電池低電壓 R1 R2 LBT0=1 1M 1M VDD VDD VDD 基于 SN8P19 系列單片機 AutoRun 功能體重秤的設(shè)計 23 圖 49是本次設(shè)計中的實際電路圖，有圖中參數(shù)可以看出，檢測的電池低電壓為，所以當電池電壓低于 ，系統(tǒng)就會報警，這也是 SN8P1937的最低工作電壓。輸入的信號經(jīng)過放大，濾波后進入 AD轉(zhuǎn)換。為了保證轉(zhuǎn)換過程的基準電壓一致，所以 AD轉(zhuǎn)換與壓力傳感器接在同一個電壓上，這樣也可以減少由于兩者電壓不一致 所帶來的誤差。相關(guān)寄存器如下 ： 表 48 ADC 高八位數(shù)據(jù)寄存器 陜西科技大學 畢業(yè) 設(shè)計說明書 24 098H Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 ADCDL ADCB7 ADCB6 ADCB5 ADCB4 ADCB3 ADCB2 ADCB1 ADCB0 R R R R R R R R 復(fù)位后 0 0 0 0 0 0 0 0 表 49 ADC 低八位數(shù)據(jù)寄存器 099H Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 ADCDH ADCB15 ADCB14 ADCB13 ADCB12 ADCB11 ADCB10 ADCB9 ADCB8 R R R R R R R R 復(fù)位后 0 0 0 0 0 0 0 0 ADCDL [7:0]：輸出 ADC 數(shù)據(jù)的低字節(jié)。 ADCB15 位是 ADC 數(shù)據(jù)的符號位。 表 410 ADC 輸出控制寄存器 097H Bit7 Bit6 BIt5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 DFM WRS0 DRDY Bit0: DRDY： ADC 數(shù)據(jù)就緒位 1 = ADC 輸出新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到 ADCDH 和 ADCDL 0 = ADCDH 和 ADCDL 的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)還未就緒 Bit2: WRS0： ADC 輸出頻率選擇位 圖 411 是在設(shè)計中的實際的電路圖