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第 I 頁(yè) 摘 要 微電子技術(shù)的應(yīng)用的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)稱重工具已經(jīng)滿足不了人們的需求。為了更好的實(shí)現(xiàn)稱重這一功能，在這次設(shè)計(jì)中智能化、自動(dòng)化、人性化將會(huì)被用在了電子秤重的控制系統(tǒng)中。 電子秤是將檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理、數(shù)字技術(shù)等技術(shù)綜合一體的現(xiàn)代新型稱重儀器。它與我們?nèi)粘Ｉ罹o密結(jié)合成為一種方便、快捷、稱量精確的工具，廣泛應(yīng)用于商業(yè)、工廠生廠、集貿(mào)市場(chǎng)、超市、大型商場(chǎng)、及零售業(yè)等公共場(chǎng)所的信息顯示和重量計(jì)算。本論文主要以 片機(jī)作為中心控制單元，通過(guò)稱重傳感器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，在配以鍵盤、顯示電路及強(qiáng)大軟件來(lái)組成。電子稱不但計(jì)量準(zhǔn)確、快速方便，更重要的自動(dòng)稱重、數(shù)字顯示，對(duì)人們生活的影響越來(lái)越大，廣受歡迎。 本設(shè)計(jì)主要以單片機(jī)為中心模塊 ,針對(duì)電子秤的自動(dòng)稱重、自 動(dòng)處理數(shù)據(jù)、自動(dòng)顯示來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)將壓力這個(gè)非電量轉(zhuǎn)化為電量；信號(hào)處理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)的放大和模 /數(shù)轉(zhuǎn)換；單片機(jī)控制模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理、控制端口的輸出等；顯示模塊主要負(fù)責(zé)顯示重量、單價(jià)、總價(jià)；程序設(shè)計(jì)方面采用的模塊化的設(shè)計(jì)思想。通過(guò)對(duì)這些模塊的方案選擇以及硬件設(shè)計(jì)，詳細(xì)的介紹了本系統(tǒng)是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及顯示的。 關(guān)鍵詞 ： 電子秤； A/D 轉(zhuǎn)換器；單片機(jī)；電阻式壓力傳感器； 第 of of In to of in of be in is a so is a in as by to on s is as is of is / D is of is in of in A/D 目錄 目 錄 摘 要 ................................................................................................................ I .................................................................................................... 緒論 ............................................................................................................. 1 言 ............................................................................................................................. 1 子 秤的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 ................................................................................................. 1 究的目的和意義 ..................................................................................................... 1 體設(shè)計(jì)思路 ............................................................................................................. 2 文的結(jié)構(gòu) ................................................................................................................. 2 2 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) ......................................................................................... 3 統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案的選擇 ......................................................................................... 3 統(tǒng)各模塊的選擇 ..................................................................................................... 4 .............................................................................................. 4 ...................................................................................................... 5 .......................................................................................... 6 .................................................................................................. 7 .............................................................................................................. 8 體實(shí)施方案的簡(jiǎn)介 ................................................................................................ 8 章小結(jié) ..................................................................................................................... 8 3 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ..................................................................................... 9 片機(jī)系統(tǒng) ................................................................................................................. 9 ................................................................................................... 9 ............................................................. 10 據(jù)采集模塊 ........................................................................................................... 12 號(hào)處理模塊 ........................................................................................................... 13 ......................................................................................................... 13 ......................................................................................... 13 示模塊 ................................................................................................................... 15 .................................................................................................... 15 ................................................................................ 15 .................................................................................... 15 鍵模塊 ................................................................................................................... 16 矩陣薄膜鍵盤 .............................................................................................. 16 *4矩陣薄膜鍵盤電路連接 ............................................................................. 16 目錄 件設(shè)計(jì) 總結(jié) ........................................................................................................... 16 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ........................................................................................... 17 件的開(kāi)發(fā)環(huán)境 ....................................................................................................... 17 件設(shè)計(jì)流程圖 ....................................................................................................... 17 ............................................................................................ 17 ................................................................................................ 18 章小結(jié) ................................................................................................................... 21 5 設(shè)計(jì)總結(jié) ................................................................................................... 22 致 謝 ............................................................................................................. 23 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................... 24 附錄一 基于 片機(jī)電子秤原理圖 .............................................. 25 附錄二 基于 片機(jī)電子秤 ............................................ 26 附錄三 基于 片機(jī)電子秤 C 語(yǔ)言原程序 ................................. 27 第 1 頁(yè) 共 38 頁(yè) 1 緒論 言 質(zhì)量是一個(gè)非常重要的參數(shù)在測(cè)量領(lǐng)域中，而質(zhì)量一般是通過(guò)衡器的測(cè)量得來(lái)的，稱重技術(shù)一直以來(lái)都被人們所重視。以前人們稱重是通過(guò)簡(jiǎn)單的桿杠原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這是一種較為簡(jiǎn)單的衡器。稱是一種最普通、使用量非常多的計(jì)量設(shè)備。隨著時(shí)代的變遷和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展一般杠桿原理的稱已經(jīng)無(wú)法滿足市場(chǎng)的需求，電子秤取代機(jī)械稱是必然發(fā)展趨勢(shì)。低成本、精度高可用性大的電子秤無(wú)疑具有非常大的市場(chǎng)前景。 現(xiàn)在市場(chǎng)上最常見(jiàn)的一種稱重裝置非電子稱莫屬，電子秤和以前的機(jī)械稱相比有著質(zhì)的飛躍， 使用起來(lái)不僅非常方便，而且精確度非常的高、體積小，操作也十分的簡(jiǎn)單方便。因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)的存在，電子秤的使用遍布了各個(gè)用到稱量的地方。 子秤的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 電子秤的發(fā)展但現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了很多的環(huán)節(jié)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由粗糙到精密、由機(jī)械到機(jī)械和電子結(jié)合體再到現(xiàn)在的全電子化。一句話了概括就是由單一功能到多功能的過(guò)程。 當(dāng)今社會(huì)，不管是何地大到世界貿(mào)易小到家庭只要使用到稱量的地方，必然會(huì)有電子稱的存在?？梢哉f(shuō)電子秤是隨處可見(jiàn)的。電子 稱是自動(dòng)化稱重和貿(mào)易計(jì)量的重要手段，對(duì)市場(chǎng)買賣交易、科學(xué)研究、生產(chǎn)管理計(jì)量等都起到了重要作用 [8]。隨著市場(chǎng)需求的不斷變化以及測(cè)重技術(shù)的飛躍發(fā)展，電子秤的技術(shù)趨向于可靠性高、效率高、精確度高的性能?，F(xiàn)在的電子秤也越來(lái)越向著小型化的方向去發(fā)展，先分成各個(gè)模塊在集合成具有高智能化電子秤。它擁有非常 高的運(yùn)算速率和準(zhǔn)確度，此外它還具有穩(wěn)定性和可靠信高的特點(diǎn)。綜合性和組合性是電子秤的應(yīng)用性能主要趨向方向。 國(guó)際社會(huì)上，很多西方發(fā)達(dá)國(guó)家研制出的電子秤已經(jīng)達(dá)到了準(zhǔn)確度高，可靠性高的標(biāo)準(zhǔn)，可以說(shuō)已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。他們已經(jīng)研制了具有較高水平的電子秤不但準(zhǔn)確度、防水、耐腐蝕還能在高氣壓下正常工作?？偟膩?lái)說(shuō)，我國(guó)電子衡器產(chǎn)品不管是在數(shù)量還是在質(zhì)量上，對(duì)比西方的發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家都有著較大差距，東西方國(guó)家差距會(huì)存在的主要原因是整體的技術(shù)水平?jīng)]有西方發(fā)達(dá)國(guó)家的高、產(chǎn)品的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)能力不足、國(guó)內(nèi)設(shè)備也沒(méi)有西方發(fā)達(dá)國(guó)家的精準(zhǔn)。 但是經(jīng)過(guò)各方面專家們的不斷鉆研和開(kāi)發(fā)，取得了不少理論成果。我們國(guó)家已經(jīng)成功研制出了省電、功耗小以及能夠利用光能等性能很好的電子秤，精度高的同時(shí)也能節(jié)能環(huán)保。 究的目的和意義 電子秤的適用范圍廣，使用率高。研究電子秤，并努力的去提升他具有非常重要的 第 2 頁(yè) 共 38 頁(yè) 意義。不管是農(nóng)業(yè)、工業(yè)還是內(nèi)外貿(mào)易電子秤與人們的生活都緊密相聯(lián)。衡器水平的高低直接影響到了各行業(yè)的現(xiàn)代水平和社會(huì)的經(jīng)濟(jì)效益的提高。 電子秤屬于電子衡器中的一種，電子秤在原理和結(jié)構(gòu)上取代了以杠桿平衡為原理的傳統(tǒng)機(jī)械稱。與傳統(tǒng)的機(jī)械稱相比，電子秤的優(yōu)點(diǎn)在于精確度且裝機(jī)體積小、應(yīng)用范圍廣、易于操作使用等，同時(shí)與傳統(tǒng)的機(jī)械稱相比不管是在外形布局和工作原理還是在結(jié)構(gòu)和材料上都是全新的計(jì)量衡器。為了能順利的完成電子秤的設(shè)計(jì)，就必須去了解傳感器的原理、 A/D 轉(zhuǎn)換器的原理及應(yīng)用、單片機(jī)的應(yīng)用以及完成程序算法的設(shè)計(jì)，這些方面需要我們運(yùn)用所學(xué)的各種軟件以及硬件方面的知識(shí)，可以鞏固我們對(duì)于專業(yè)知識(shí)，以及其他相關(guān)知識(shí)的了解。 體設(shè)計(jì)思路 根據(jù)本次設(shè)計(jì) 的背景和設(shè)計(jì)的要求，稱重功能的實(shí)現(xiàn)，首先需要做的就是將物體重量這個(gè)非電量轉(zhuǎn)化為電量，這樣才能進(jìn)行下一步，因此需要傳感器模塊來(lái)解決這一問(wèn)題，傳感器輸出的電量與物體的重量具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系；但是單單的依靠這一關(guān)系來(lái)得出的重量并不精確，同時(shí)也不直觀，因此必須對(duì)傳感器輸出的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理；而信號(hào)的處理一般選用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行的，但是單片機(jī)并不能接收傳感器輸出的模擬信號(hào)，所以需要使用到 A/D 模塊來(lái)進(jìn)行模數(shù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后再輸入到單片機(jī)中做進(jìn)一步的處理；單片機(jī)輸出的信號(hào)可以采用數(shù)碼管顯示，或者是 示，這樣得到的結(jié) 果不僅準(zhǔn)確性得到提高，而且可以將數(shù)據(jù)直接的表現(xiàn)出來(lái)，能給用戶更好、更方便的體驗(yàn)。 文的結(jié)構(gòu) 本次編寫(xiě)的論文包含了中外文摘要部分、目錄部分、正文部分、參考文獻(xiàn)部分、致謝部分、附錄部分共七個(gè)部分，其中正文有五章。正文的描述內(nèi)容如下：第一章描寫(xiě)了電子秤的發(fā)展和選著這個(gè)課題的背景和意義；第二章詳細(xì)的描述了各種方案和模塊器件的選擇；第三章寫(xiě)的是系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)；第四章描寫(xiě)的是系統(tǒng)軟件的編寫(xiě)方式各個(gè)過(guò)程；第五章是設(shè)計(jì)總結(jié)。 第 3 頁(yè) 共 38 頁(yè) 2 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) 電子秤的應(yīng)用系統(tǒng)由兩大重要部分組成：硬件設(shè)計(jì)和軟件編寫(xiě)。硬件主要是指單片機(jī)、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊等；軟件一般是指系統(tǒng)里面的各種程序。硬件和軟件之間的相互配合、協(xié)調(diào)，才能將系統(tǒng)的性能得到更高價(jià)格比。硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，也要考慮到相應(yīng)軟件的設(shè)計(jì)方法，軟件設(shè)計(jì)一般是根據(jù)硬件原理和系統(tǒng)所需的功能要求來(lái)進(jìn)行的。 統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案的選擇 針對(duì)各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)設(shè)計(jì)電子秤的方案有以下兩種： 方案一在這個(gè)方案中使用數(shù)碼管顯示外接一個(gè)鍵盤輸入，可以實(shí)現(xiàn)電子秤的現(xiàn)實(shí)計(jì)價(jià)的功能。結(jié)構(gòu)如圖 2： 圖 2構(gòu)方案流程圖 這個(gè)方案的電子秤可以實(shí)現(xiàn)物價(jià)功能，但是由于數(shù)碼管的功能的有限，在顯示時(shí)只能顯示單價(jià)、購(gòu)物總額等。同時(shí)數(shù)碼管的耗電量也較多，不符合當(dāng)今社會(huì)節(jié)能減排的政策。除此之外數(shù)碼管如果沒(méi)有足夠的位數(shù)，那么稱量物體重量的精度也會(huì)受到很大的限制，所以此方案在電路中需要較多的數(shù)碼管。這樣在處理輸入輸出接口時(shí)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。盡管這個(gè)方案能基本滿足設(shè)計(jì)的要求，但是缺點(diǎn)也較多，所以也不適合使用。 方案 2 在這個(gè)方案中與前面一個(gè)相比完善了很多，這此方案分別由 5 個(gè)部分組成：信號(hào)采集模塊、 A/D 信號(hào)轉(zhuǎn)換 模塊、 據(jù)顯示模塊、外接鍵盤模塊和的單片機(jī)控制模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖 2示。 圖 2構(gòu)流程圖 此方案的過(guò)程先是由信號(hào)采集模塊利用傳感器檢測(cè)壓力信號(hào)，然后再將信號(hào)送到數(shù)據(jù)采集 鍵盤輸入 數(shù)碼管顯示 單片機(jī) 電源 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 信號(hào)采集模塊 片機(jī)模塊 按鍵模塊 示模塊 第 4 頁(yè) 共 38 頁(yè) A/D 轉(zhuǎn)換模塊中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。然后再將來(lái)自 A/D 轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算，將數(shù)字信號(hào)以轉(zhuǎn)換為最終的物體的實(shí)際重量信號(hào)，并將信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中，并在顯示屏中顯示出來(lái)。單片機(jī)模塊可以通過(guò)對(duì)擴(kuò)展 I/O 的控制，來(lái)對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描接收鍵盤的輸入信號(hào)。單片機(jī)可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。 示模塊的功能是顯示所需測(cè)量物品的重量、單價(jià)總價(jià)。 在這 2 種方案中第 2 個(gè)方案較為全面，所以選擇第二種方案為本次設(shè)計(jì) 的最終的電子秤研制制作的方案。 統(tǒng)各模塊的選擇 單片機(jī)的選擇要根據(jù)系統(tǒng)的功能需求來(lái)選擇，選擇比較容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的單片機(jī)型號(hào)，在選擇的同時(shí)也要考慮到單片機(jī)的價(jià)格，所以要選擇能達(dá)到較高性價(jià)比的單片機(jī)。除了上面的之外還要考慮到自己對(duì)單片機(jī)的熟悉程度，是不是拿起來(lái)就能熟練的使用，不然還要去熟悉單片機(jī)的使用，這樣可能導(dǎo)致由于時(shí)間的不夠而無(wú)法設(shè)計(jì)出完成硬件。 單片機(jī)是電子秤的中心控制模塊，相當(dāng)于人的大腦一樣，它需要對(duì)電子秤整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行接收處理和分析。本次設(shè)計(jì)中，不管是鍵盤輸入模塊的信號(hào)、還是信號(hào)處理模塊的輸入信號(hào)，都必須輸入到單片機(jī)中心控制單元中進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。除此之外，單片機(jī)模塊還要能夠輸出顯示控制信號(hào)、信號(hào)處理控制信號(hào)等等。單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的中心控制芯片，扮演著一個(gè)中心樞紐的角色，不僅有信號(hào)的輸入，也有信號(hào)的輸出，所以單片機(jī)在這次設(shè)計(jì)中起到至關(guān)重要的作用。所以在選用單片機(jī)芯片的時(shí)候，最好能夠選用內(nèi)存大，可靠性高，速度快而且價(jià)格便宜的芯片。 在選 擇能實(shí)現(xiàn)功能的單片機(jī)的同時(shí)考慮到價(jià)格的不同，選擇性價(jià)比較高的單片機(jī)。單片機(jī)的性價(jià)比主要由單片機(jī)價(jià)格和他的各種性能決定的。單片機(jī)的各個(gè)方面都會(huì)影響到它的性能強(qiáng)度，包括它的運(yùn)行速度和片內(nèi)硬件資源甚至是他的體積和封裝的形式。這些都能影響到單片機(jī)好還與否，所以必須全方面考慮在去選擇單片機(jī)型號(hào)。 根據(jù)自身的對(duì)單片機(jī)的使用熟練度和本次設(shè)計(jì)的要求，在這里我有 4 種型號(hào)的單片機(jī)可以選擇，在選擇單片機(jī)前我們要先分析各個(gè)單片機(jī)的有缺點(diǎn)。 列的單片機(jī)和 列的單片機(jī)相比功能較差， 列的單片機(jī)的運(yùn)算速度要 比 時(shí) 列單片機(jī)的靜態(tài)工作頻率為 0~33還含有雙數(shù)據(jù)指針 定時(shí)監(jiān)視器；除了這些之外這一系列的單片機(jī)還具有低功耗休閑狀態(tài)關(guān)電方式及關(guān)電方式下的中斷恢復(fù)等重要的功，可以滿足設(shè)計(jì)的各種不同的應(yīng)用要求。所以在這次設(shè)計(jì)中選擇 列的單片機(jī)。 在這次的設(shè)計(jì)中程序的存儲(chǔ)量也比較大，這里 號(hào)單片機(jī)的片內(nèi)存儲(chǔ)容量比 號(hào)單片機(jī)要大整整一倍。除了這個(gè)優(yōu)點(diǎn)之外， 號(hào)的單片機(jī) 第 5 頁(yè) 共 38 頁(yè) 在編入程序方面也是非常的簡(jiǎn)單，它不需要程序燒寫(xiě)器， 只需要簡(jiǎn)單的下載電路并借用就可以將程序?qū)懭氲絾纹瑱C(jī)中。在這里的下載電路還可以包含在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的里面，可以隨時(shí)的修改程序而不需要去修改系統(tǒng)的硬件。綜合上述的優(yōu)點(diǎn)在這里我選擇了 號(hào)的單片機(jī)。 數(shù)據(jù)采集模塊的作用是將所稱物體的重量這個(gè)非電量，轉(zhuǎn)換為電流或者電壓這些電量形式，以便后續(xù)的處理、輸出，因此需要用到壓力傳感器。 方案一 采用電容式壓力傳感器 。 電容式傳感器是一種利用電容明感元件可以將壓力這個(gè)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化的傳感器裝置。壓力和電量存在著一定的關(guān)系。它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、靈敏度高。同時(shí)也具有低的輸入力和侏儒能量，高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，小的自然效應(yīng)，環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。 電容式傳感器的工作原理，可以借助平行電容器來(lái)解釋說(shuō)明。兩塊平行的金屬板上面的電容量（不考慮邊緣效應(yīng)）如公式 2示 C = ε(2符號(hào)代表的意思為： εε0用來(lái)表示真空中的介電常數(shù)； d 表示的是兩塊平行板之間的距離。 隨著被測(cè)物體重量的改變，等式中的 ε0、 ε A、 d 的大小的值也會(huì)改變，電容量也會(huì)改變，進(jìn)而將變化量轉(zhuǎn)化為電量的輸出。但是電容式壓力傳感器初始時(shí)的電容比較小，因此會(huì)在雜散電路中產(chǎn)生較大的寄生電容。而且電容式壓力傳感器的功率小、阻抗高。因?yàn)槠叫邪宓某叽巛^小，電容式傳感器的電容量都比較小，所以它的容抗 1 ωc? 很大，屬于高阻抗的元件，因此負(fù)載能力不行；同時(shí)，由于 P = 當(dāng)電容 C 很小時(shí)，功率 P 也就很小。因此，電容式傳感器外界干擾的抵抗能力較弱，需要采取必要的抗干擾措施。較為麻煩。 方案二采用壓電式壓力 傳感器 壓電式壓力傳感器的原理主要是壓電效應(yīng)。它是利用電氣元件和其他機(jī)械把待測(cè)的壓力轉(zhuǎn)換成電量。當(dāng)改變外力的大小時(shí)，電荷會(huì)在它的表面形成，且通過(guò)電荷放大器和測(cè)量電路的放大以及變換阻抗之后，會(huì)被轉(zhuǎn)換電量，以電量的形式輸出，受到的外力與電量形成正比關(guān)系。壓電式壓力傳感器除了有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)外，它還具有動(dòng)態(tài)好壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但是它的缺點(diǎn)也非常的明顯，那就是它很容易受到溫度、濕度因素的影響。而且內(nèi)阻較大、功率偏小 ,防噪聲性能不是很好 ,輸出特性受到影響 ,因此由它輸出的能量比較薄弱 ,需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的外接電路進(jìn) 行矯正。因此由它輸出的能量比較薄弱，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的外接電路進(jìn)行矯正。 方案三采用電阻式壓力傳感器 電阻式壓力傳感器主要是由 4 個(gè)電阻組成，一般來(lái)說(shuō)這 4 個(gè)電阻在同一個(gè)平面上不 第 6 頁(yè) 共 38 頁(yè) 同的方向以對(duì)稱的方式形成惠斯通電橋。它可以把壓力這個(gè)非電物理量轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器；利用壓力傳感器受到壓力時(shí)不同方向上電阻的阻值的變化不同 ,輸出的電壓與壓力成線性變化的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 電阻應(yīng)變式壓力傳感器里面含有彈性和電阻式應(yīng)變片，當(dāng)物體被測(cè)量時(shí)，由于物體壓力的作用電阻應(yīng)變片會(huì)發(fā)生機(jī)械形變，根據(jù)所測(cè)量物體重量的不同形變量也會(huì)不同，產(chǎn)生 的電阻值也不同。因?yàn)樾巫兊漠a(chǎn)生是電阻值發(fā)生了改變讓電橋失去了平衡，形變量的不同會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同的差動(dòng)信號(hào)，然后再讓后續(xù)電路進(jìn)行測(cè)量和處理。如圖 2。 圖 2壓器實(shí)物圖 電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，正因?yàn)檫@一原理使得電阻式傳感器能將力學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這個(gè)原理可以簡(jiǎn)單的理解為電阻應(yīng)變片在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變來(lái)改變電阻的大小。如圖 2在壓力 P 的作用下時(shí)， 4 塊電阻之間的梁會(huì)發(fā)生形變，電阻應(yīng)變片 為受到壓迫而拉伸，阻值增加。如果是 到外力而壓縮時(shí)，阻值會(huì)減小。由于電阻阻值的變化 電橋也失去了平衡，產(chǎn)生一個(gè)不平衡的電壓 U，電壓U 與作用在傳感器上的正壓力 P 存在一種正比的關(guān)系，從而可以將非電量轉(zhuǎn)化為電量輸出。 電阻應(yīng)變式傳感器是一種非常常用的傳感器，因?yàn)樗粌H具有精確度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得優(yōu)點(diǎn)，還具有使用范圍廣響應(yīng)頻率好等特點(diǎn)。除了上面所描述的優(yōu)點(diǎn)之外，這種壓力傳感器還可以在惡劣條件下工作，除了能實(shí)現(xiàn)小型化之外，還能實(shí)現(xiàn)整體化和品種多樣化等，有著很好的作用。 綜合對(duì)比分析以上三種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，10誤差 ≤ 1%。 因此，為了提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性、精確度以及 可靠性，本次設(shè)計(jì)選用的是第三種方案，即采用電阻式壓力傳感器。 信號(hào)放大與信號(hào)轉(zhuǎn)換是信號(hào)處理模塊中的兩個(gè)重要功能，所以信號(hào)處理這個(gè)大模塊含有兩個(gè)小模塊分別是：信號(hào)放大模塊和 A/D 轉(zhuǎn)換模塊。 方案一 分別用兩個(gè)模塊來(lái)單獨(dú)完成各自工作 信號(hào)放大器采用 A/通過(guò)外接電阻來(lái)達(dá)到放大的效果，增益范圍可調(diào)，且精度高，成本低。 第 7 頁(yè) 共 38 頁(yè) 是一種分辨率為 8，含有兩條通道的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，采用的是逐次逼近式的轉(zhuǎn)換方法。體積小、兼容性是 兩大優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗母咝詢r(jià)比很多的單片機(jī)設(shè)計(jì)都會(huì)用到它，使用率、普及率都較高。兩個(gè)模塊一起使用可以達(dá)到設(shè)計(jì)的指標(biāo)，但是兩者之間需要電路的連接，會(huì)產(chǎn)生一些不可避免的誤差和干擾，因此不是特別完美。并且 對(duì)于需要高精度的電子秤來(lái)說(shuō)，不是很好的選擇。 方案二 采用稱重專用集成模塊 4位 A/D 轉(zhuǎn)換的高精度集成模塊。 ，它不僅集成了轉(zhuǎn)換芯片所需要的外圍電路同時(shí)還包含了穩(wěn)壓電源和片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等。 有非常高額集成度；響應(yīng)速度非常的快、抗干擾性也比其他同類型的芯片要強(qiáng)。使用這一集成模塊不僅可以降低了電子秤的整機(jī)成本，最主要的是可以減少不必要的電路簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)線路，從使整個(gè)系統(tǒng)更高的可靠和準(zhǔn)確。除上面所述之外，單 片機(jī)與 間主要是通過(guò)管腳來(lái)驅(qū)動(dòng)的 ,接口電路簡(jiǎn)單 ,不需要對(duì)芯片內(nèi)的寄存器進(jìn)行單獨(dú)的編程。 比較兩種方案得出發(fā)現(xiàn)第二種方案更有優(yōu)勢(shì)，所以選擇使用 為信號(hào)處理模塊的主要芯片。這樣不僅能夠節(jié)省成本，而且可以在很大程度上提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。 顯示模塊主要是用來(lái)顯示物品所測(cè)出來(lái)的重量、設(shè)置的單價(jià)和得出來(lái)的總價(jià)，在此有兩個(gè)可以選擇的顯示的方法。 方案一使用 碼管顯示 碼管看上去很像一個(gè)“ 8”字型的器件，他是有 8 個(gè)發(fā)光而二極管一起組成的。他們的內(nèi)部連接已經(jīng)完成。 8 個(gè)發(fā)光二極管中有 7 個(gè)組成“ 8”字型器件，其中有 1個(gè)二極管表示小數(shù)點(diǎn)。 但是數(shù)碼管的顯示信息有限，不能顯示較多的信息。此外數(shù)碼管對(duì)大部分字符不能很好的顯示，容易出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。除此之外數(shù)碼管的耗電也比其他的顯示模塊多。 方案二采用 示 晶顯示模塊可以顯示出字符，所以應(yīng)常用于字符的顯示模塊，在單片機(jī)中的使用也較多。它擁有很多數(shù)碼管不具備的優(yōu)點(diǎn)。 擁有 8 位數(shù)據(jù)總線和三個(gè)控制端 口，工作電壓為 5V， 晶顯示屏還可以通過(guò)調(diào)節(jié)特殊的按鈕來(lái)調(diào)節(jié)顯示屏的亮度。它不但可以在屏幕上同時(shí)顯示 16 32 個(gè)字符（ 16 列 2 行）。同時(shí)也具備液晶顯示模塊的所有優(yōu)點(diǎn)，不僅功耗低、驅(qū)動(dòng)電壓小、顯示信息量大，而且使用周期長(zhǎng)，不會(huì)產(chǎn)生輻射與污染。 對(duì)比兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)可以看出 晶顯示更加合適做電子秤的顯示模塊。 第 8 頁(yè) 共 38 頁(yè) 按鍵有兩種選擇一是專用鍵盤接口芯片式，二是使用 4*4矩陣薄膜鍵盤。 專用鍵盤芯片內(nèi)部集成了接收鍵盤輸入數(shù)據(jù)的模塊，帶有顯示的接口，可以獨(dú)立的處理對(duì)鍵盤的 掃描、消除抖動(dòng)以及編碼的問(wèn)題。因此，對(duì)于提高可靠性和準(zhǔn)確性很有幫助，而且接口電路簡(jiǎn)單，使用起來(lái)非常的方便，但是成本比較高。 4*4矩陣薄膜鍵盤由 4個(gè)下小部分組成：上電路、面板、下電路、隔離層。它屬于眾多薄膜開(kāi)關(guān)中的一種，內(nèi)部集成了 4*4（ 16）個(gè)小的按鍵開(kāi)關(guān)，并且按照矩陣式的排列著。它包含了薄膜開(kāi)關(guān)所應(yīng)具有的各個(gè)特點(diǎn)，美觀的外形、小巧的構(gòu)造、集成性能高，而且密封性強(qiáng)，具有防塵、防潮等優(yōu)點(diǎn)。 考慮到成本的因素，同時(shí) 4*4矩陣薄膜鍵盤的可靠信也很好，并且還有很多其他優(yōu)點(diǎn)，所以按鍵模塊選擇了 4*4矩陣薄膜鍵盤。 體實(shí)施方案的簡(jiǎn)介 綜合上面所描述的各個(gè)模塊的分析和本設(shè)計(jì)的要求，硬件采用了 51 系列型號(hào)為單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心部分，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能?？紤]到電子秤要設(shè)計(jì)的功能不是很多，所需要編寫(xiě)的程序量也就不大，不需要太大的程序存儲(chǔ)空間。內(nèi)帶 8K 的程序存儲(chǔ)器已經(jīng)夠用。因此在對(duì) 際設(shè)計(jì)師不必要在片外在擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，這樣不僅可以避免硬件的浪費(fèi)，也優(yōu)化了電路的設(shè)計(jì)。 數(shù)據(jù)采集的信號(hào)采集部分選擇了電阻式壓力傳感器，信號(hào)處理部分采用了 擇的傳感器 必須要滿足測(cè)得重量的誤差在一定的范圍之內(nèi)，只有這樣高精度的要求才能得到滿足。由傳感器輸出的信號(hào)一般都是比較微弱的，集成模塊 能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。兩者的結(jié)合可以提高設(shè)計(jì)的精確度以及可靠性，減少不必要的誤差。 在人機(jī)交互部分的鍵盤系統(tǒng)中，采用了 4× 4 矩陣薄膜鍵盤，可以手動(dòng)輸入數(shù)字和已經(jīng)設(shè)置好的控制命令等，來(lái)實(shí)現(xiàn)一些特定的功能。顯示部分使用了 晶顯示器，這樣的選擇即可以一次滿屏幕顯示 2 行每行 16 個(gè)字符，看上去又美觀。在擴(kuò)展上，這次設(shè)計(jì)添加了去皮的功能。 章小結(jié) 本此章節(jié)在各個(gè)方案和模塊上進(jìn)行選擇，選取最適合這個(gè)最適合課題要求的模塊和方案，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的東西才能更加的完美。 第 9 頁(yè) 共 38 頁(yè) 3 系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的基礎(chǔ)好壞有硬件電路決定的，能否合理的設(shè)計(jì)硬件電路，設(shè)計(jì)的性能是否優(yōu)秀，將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可實(shí)現(xiàn)性，如果硬件電路沒(méi)有設(shè)計(jì)好，那么軟件程序做得再好也是無(wú)用的。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)可以分成以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、信號(hào)采集模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、 示模塊、按鍵模塊。 片機(jī)系統(tǒng) 片機(jī)除了具有 51 系列單片機(jī)的典型特征外，還具有以下幾個(gè)更加出色的性能特點(diǎn)：（ 1）、 片機(jī)具有 3 個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，比 51 單片機(jī)多出定時(shí) /計(jì)數(shù)器；（ 2）、含有 8程序存儲(chǔ)器（ （ 3）、 片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ 有 256 片機(jī)的封裝類型有 3 種管腳分布如圖 3，這三種的區(qū)別主要是引腳的數(shù)量不同，在這里擇了第一個(gè)封裝的單片機(jī)。外部晶振輸入頻率支持最大 24了正常工作狀態(tài)外，還有空閑工作方式和掉電保護(hù)方式?？臻e方式運(yùn)行時(shí)的片機(jī)會(huì)停止工作，但是它的 中斷系統(tǒng)（定時(shí) /計(jì)數(shù)器、串行中斷、外部中斷）會(huì)繼續(xù)工作；在掉電方式時(shí)，單片機(jī) 自動(dòng)保存 的內(nèi)容，停止振蕩器振動(dòng)同時(shí)禁止單片機(jī)其他的所有功能直到下一次硬件復(fù)位的到來(lái)。 圖 3片機(jī) 3 種引腳圖 第 10 頁(yè) 共 38 頁(yè) 單片機(jī) 為整個(gè)電路中心控制器，它包含了晶振電路、復(fù)位電路、程序下載 口、端口連接。 1、晶振電路 每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)里都會(huì)有一個(gè)晶振電路，因?yàn)閱纹瑱C(jī)執(zhí)行程序是需要有一個(gè)工作頻率。 行程序也需要有一個(gè)工作頻率，這個(gè)工作頻率由外部的晶振電路和單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘電路組成。單片機(jī)工作頻率的大小是由晶振電路中的晶振的大小決定的，單片機(jī)執(zhí)行程序也就越快就說(shuō)明晶振電路提供的時(shí)鐘頻率越大。在這里因?yàn)槭?外接晶振，所以 片機(jī)的 腳需要對(duì)地接一個(gè) 30右的電容。如圖3示 . 圖 3外部晶振電路圖 雖然 片機(jī)支持最大 24外部晶振，但是在這次設(shè)計(jì)中 12就可以滿足系統(tǒng)的要求。在這里電容的選擇因該是相同的，不然對(duì)造成諧振的不平衡。這里我選擇了 22際應(yīng)用時(shí)，需要將晶振和電容盡可能安裝在單片機(jī) 腳 附近，這樣就可避免產(chǎn)生大量的寄生電容，從而讓振蕩器可以保持穩(wěn)定可靠的工作。 2、復(fù)位電路 單片機(jī)復(fù)位原理，只要在 腳上加一個(gè)持續(xù)時(shí)間為 24 個(gè)振蕩周期（即兩個(gè)機(jī)器周期）的高電平就可以了。 12 個(gè)振蕩周期就是一個(gè)機(jī)器周期，大小為 1以需要2電平。 片機(jī)外部復(fù)位電路的基本功能：電路系統(tǒng)上電時(shí)由 聯(lián)電路提供復(fù)位信號(hào)，等到系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，程序開(kāi)始在 片機(jī)內(nèi)運(yùn)行單片機(jī)內(nèi)。要讓須在復(fù)位引腳 次設(shè)計(jì)的 復(fù)位電路如圖 3示。 圖 3位電路 第 11 頁(yè) 共 38 頁(yè) 如圖 3示，復(fù)位電容為 10阻的 大小是 10據(jù) 聯(lián)電路原理，可算出其時(shí)間常數(shù)為 100 系統(tǒng)上電時(shí)，電容 電到 壓的 需要的時(shí)間為時(shí)間常數(shù) 系統(tǒng)上電的 ，電容 端的電壓時(shí)從 0V 增加到 時(shí)電阻 端的電壓從 5V 減少到 以在 ， 的電壓從 5V 下降到 片機(jī)在檢測(cè)輸入電壓時(shí)，將 0~電壓視為低電平， V 的電壓視為高電平。在系統(tǒng)上電時(shí)， 電壓在 上的時(shí)間約為 機(jī) 器周期為 1統(tǒng)上電時(shí)能提供足夠時(shí)間的高電平使單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。在系統(tǒng)上電后，電容 持續(xù)充電到 5V（即 此時(shí) 電壓為 0V， 正常的進(jìn)行工作 按下手動(dòng)復(fù)位按鍵 關(guān)接通后電容 短路。在按鍵 下過(guò)程中，電容釋放之前存儲(chǔ)的電量，從 5V 釋放到變?yōu)榱?至更小。根據(jù)串聯(lián)電路中電壓總和為 5V 可知，這個(gè)時(shí)候電阻 端的電壓為 至更大，達(dá)到了 行復(fù)位。斷開(kāi)按鍵 ， 路執(zhí)行系統(tǒng)上電時(shí)的工作，充電完成后 新執(zhí)行程序。 在不需要手動(dòng)復(fù)位的系統(tǒng)中，按鍵 可以不用的，但是電容 電阻 必須。 3、 序下載接口 程序下載接口組要是用于下載程序和方便程序的調(diào)試。 片機(jī)具有兩種程序下載方式，一種是傳統(tǒng)高壓編程，需要大型的編程器也就是并行編程，但是要使用大型的編輯器，實(shí)際使用時(shí)并不方便；另一種是基于 載協(xié)議 線格式的四根線下載方式，這里只需要用到一個(gè) 載器就可以實(shí)現(xiàn)程序下載，這是普遍被采用的一種程序下載方式。在本次設(shè)計(jì)中我們采用的是第二種較為方便的程 序下載方式， 載器實(shí)物圖如圖 3示。下載器與 連接如圖 3的示，只需對(duì)應(yīng)的連接 個(gè)引腳和共地即可實(shí)現(xiàn)程序下載。 圖 3載器實(shí)物圖和程序下載接口 4、 片機(jī)端口連接 端口的連接主要是與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 上拉電阻增加 I/O 的驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)也連接 晶顯示。 口為按鍵的控制端口，根據(jù)按鍵的信息做出相應(yīng)的工作。 接 號(hào)處理模塊。單片機(jī)的模塊端口連接圖如下圖 3。 第 12 頁(yè) 共 38 頁(yè) 圖 3片機(jī)端口連接圖 5、 10K 上拉電阻 片機(jī)由 4 組 8 位并行的 I/O 口組成，其中出除了 其他的端口都是內(nèi)部自帶上拉電阻的準(zhǔn)雙向 I/O 口， 內(nèi)部是不帶上拉電阻的漏極開(kāi)路輸出，需要外接上拉電阻才能提供驅(qū)動(dòng)電流。 外接上拉電阻的阻值為 10K，選用 9 引腳的排阻，排阻實(shí)物圖如圖 3示。它與單片機(jī)連接電路圖如圖 3的 示與 相聯(lián)。 圖 30K 排阻 據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)的采集用到了電阻式壓力傳感器。當(dāng)電阻式壓力傳感器受到物品重量而受到擠壓時(shí)，受到物體壓力的電阻應(yīng)變片發(fā)生形變從而改變電阻的阻值。 4個(gè)電阻應(yīng)變片是按照惠更斯電橋的方式連接的，如圖 3阻值得增加或者減少與輸出的共模電壓有著一種近似于線性的關(guān)系。 假設(shè)圖 3電路的分壓原理可以得到（不計(jì)電源內(nèi)阻）。 3 ( = 1 + 3 當(dāng)滿足條件 第 13 頁(yè) 共 38 頁(yè) 3 0，即電橋平衡。式（ 3衡條件。 在測(cè)量之前要保持電橋的平衡，這樣才能保證電橋的輸出電壓只跟電阻的變化有關(guān)。出到信號(hào)處理模塊中做進(jìn)一步的處理。 圖 3感器原理圖 號(hào)處理模塊 兩個(gè)通道有一個(gè)是可增益 128或 64的通道 A，另一個(gè)是只能增益 32的通道 B。兩個(gè)通道都可以輸入選擇開(kāi)關(guān)來(lái)用，與 樣可以簡(jiǎn)化開(kāi)機(jī)的初始化過(guò)程。