1、第1章 緒 論1.1引言在我們生活中經常都需要測量物體的重量，于是就用到秤，但是隨著社會的進步、科學的發展，我們對其要求操作方便、易于識別。隨著計量技術和電子技術的發展，傳統純機械結構的桿秤、臺秤、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰，電子稱量裝置電子秤、電子天平等以其準確、快速、方便、顯示直觀等諸多優點而受到人們的青睞。電子秤向提高精度和降低成本方向發展的趨勢引起了對低成本、高性能模擬信號處理器件需求的增加。通過分析近年來電子衡器產品的發展情況及國內外市場的需求，電子衡器總的發展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術性能趨向是速率高、準確度高、穩定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非

2、控制信息并重的“智能化”功能；其應用性能趨向于綜合性和組合性。1.2 選題背景和意義稱重技術自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應用于工農業、科研、交通、內外貿易等各個領域，與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設、科學研究、內外貿易不可缺少的計量設備，衡器產品技術水平的高低，將直接影響各行各業的現代化水平和社會經濟效益的提高。稱重裝置不僅是提供重量數據的單體儀表，而且作為工業控制系統和商業管理系統的一個組成部分，推進了工業生產的自動化和管理的現代化，它起到了縮短作業時間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產品質量以及加強企業

3、管理、改善經營管理等多方面的作用。稱重裝置的應用已遍及到國民經濟各領域，取得了顯著的經濟效益。電子秤是稱重技術中的一種新型儀表，廣泛應用于各種場合。電子秤與機械秤比較有體積小、重量輕、結構簡單、價格低、實用價值強、維護方便等特點，可在各種環境工作，重量信號可遠傳，易于實現重量顯示數字化，易于與計算機聯網，實現生產過程自動化，提高勞動生產率。例如標簽秤在超市中的應用已經是耳聞目睹的了。一張小小的標簽包含著：品名、價格、重量等，一一列表在這小小的電子標簽上。標簽機的使用大大加快了銷售速度，也方便了顧客。頂尖條碼標簽稱有著許多卓越的特點，以太網功能使管理更加方便。因此，稱重技術的研究和衡器工業的發展

4、各國都非常重視。50年代中期電子技術的滲入推動了衡器制造業的發展。60年代初期出現機電結合式電子衡器以來，隨著時代科技的迅猛發展，微電子學和計算機等現代電子技術的成就給傳統的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。經過40多年的不斷改進與完善，衡器技術也在不斷進步和提高。從世界水平看，衡器技術已經經歷了四個階段，從傳統的全部由機械元器件組成的機械稱到用電子線路代替部分機械元器件的機電結合秤，再從集成電路式到目前的單片機系統設計的電子計價秤。我國電子衡器從最初的機電結合型發展到現在的全電子型和數字智能型。現今電子衡器制造技術及應用得到了新發展：電子稱重技術從靜態稱重向動態稱重發展；計量方法

5、從模擬測量向數字測量發展；測量特點從單參數測量向多參數測量發展。常規的測試儀器儀表和控制裝置被更先進的智能儀器所取代，使得傳統的電子測量儀器在遠離、功能、精度及自動化水平定方面發生了巨大變化，并相應的出現了各種各樣的智能儀器控制系統，使得科學實驗和應用工程的自動化程度得以顯著提高。1.3 國內外電子稱發展及成果隨著第二次世界大戰后的經濟繁榮，為了把稱重技術引入到生產工藝過程中去，對稱重技術提出了心動要求，希望稱重過程自動化，為此電子技術滲入衡器制造業。在1954年使用了帶新式打印機的傾斜式秤，其輸出信號能控制商用結算器，并且用電磁鐵機構與人工操作的按鍵與辦公機器聯用。在1960年開發出了與衡器

6、相聯的專門稱重值打印機。當時帶電子裝置的衡器其稱量工作是機械式的，但與稱量有關的顯示、記錄、遠傳式控制器等功能是電子方式的。電子稱的發展過程與其他事物一樣，也經歷了由簡單到復雜、又粗糙到精密、由機械到機電結合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程。特別是近30年以來，工藝流程中的現場稱重、配料定量稱重、以及產品質量的監測等工作，都離不開能輸出信號的電子衡器。這是由于電子衡器不僅給出質量或重量信號，而且也能作為總系統中的一個單元承擔著控制和檢驗功能，從而推進工業生產和貿易交往的自動化和合理化。近年來電子稱已愈來愈多地參與到數據的處理和控制過程中。現代稱重技術和數據系統已經成為工藝技術、儲運技術、

7、預包裝技術、收貨業務及商業銷售領域中不可或缺的組成部分。隨著稱重傳感器各項性能的不斷突破，為電子稱的發展奠定了基礎，國外如美國、西歐等一些國家在20世紀60年代就出現了0.1%稱量準確度的電子稱，并在70年代中期約對75%的機械稱進行了機電結合式改造。我國的衡器在20世紀40年代以前還全是機械式的，40年代開始發展了機電結合式的衡器。50年代開始出現了以稱重傳感器為主的電子衡器。80年代以來，我國通過自行研究引進消化吸收和技術改造。已由傳統的機械式衡器步入集傳感器、微電子技術、計算機技術與一體化的電子衡器發展階段。目前，由于電子衡器具有稱量快、讀數方便、能在惡劣條件下工作、便于與計算機技術相結

8、合而實現稱重技術和過程控制的自動化特點，已被廣泛應用于工礦企業、能源交通、商業貿易和科學技術等各個部門、隨著稱重傳感器技術以及超大規模集成電路和微處理器的進一步發展，電子稱重技術及其應用范圍將更進一步的發展，并被人們越來越重視。電子衡器產品量大面廣、種類繁多，從通用的各種規格的電子稱到大型的電子稱重系統，從單純的稱重、計價到生產過程檢測系統的一個測量控制單元，其應用領域不斷地擴大。根據近些年來電子稱重技術和電子衡器的發展情況及電子衡器市場的需求，電子稱的發展動向為：小型化、模塊化、智能化、集成化；其技術性能趨向于速率高、準確度高、可靠性高；其應用性趨向綜合性、組合性。1.4 本論文的研究內容及

9、結構安排首先是通過壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉換成電壓信號。輸出電壓信號通常很小，需要通過前端信號處理電路進行準確的線性放大。放大后的模擬電壓信號經V/F轉換電路轉換成數字量被送入到主控電路的單片機中，再經過單片機控制譯碼顯示器，從而顯示出被測物體的重量。按照設計的基本要求，系統可分為三大模塊，數據采集模塊、控制器模塊、人機交互界面模塊。其中數據采集模塊由壓力傳感器、信號的前級處理和V/F轉換部分組成。轉換后的數字信號送給控制器處理，由控制器完成對該數字量的處理，驅動顯示模塊完成人機間的信息交換。此部分對軟件的設計要求比較高，系統的大部分功能都需要軟件來控制。在擴展功能上，本設計增加

10、了一個過載報警提示。本文的結構安排如下：第1章緒論，簡單介紹了本課題電子稱的研究背景、研究目的、意義及國內外的研究狀況。第2章系統方案設計，本章主要內容是電子稱的方案設計，首先是對整體的方案進行選擇與設計，再針對各個模塊（傳感器、放大模塊、信號轉換模塊、電源模塊、人機交界模塊）進行具體的方案論證及設計。第3章系統硬件設計，在選定各個模塊的方案中，對各方案的用到的主要芯片進行簡單功能介紹及應用，并且給出了本次電路設計的具體電路圖。第4章系統軟件設計，本章主要是介紹電子稱的軟件設計，給出了本次設計的主程序流程圖及一些模塊的子程序圖。最后，對本次的研究課題的主要工作及結果做出了總結與討論，并且指出了

11、本次研究工作中存在的不足和發現的一些問題。 第2章 系統方案設計2.1 系統總體設計方案比較與論證在設計系統時，針對各個模塊實現的功能來設計電子秤的方案有以下幾種：方案一 數碼管顯示：結構簡圖如下：圖2.1 數碼管顯示方案此方案利用數碼管顯示物體重量，簡單可行，可以采用內部帶有模數轉換功能的單片機。由此設計出的電子秤系統，硬件部分簡單，接口電路易于實現，并且在編程時大大減少程序量，在電路結構上只有簡單的輸出輸入關系。缺點是：硬件部分簡單，雖然可以實現電子稱基本的稱重功能，但是不能實現外部數據的輸入，無法根據實際情況靈活地設定各種控制參數。由于數碼管只能實現簡單的數字和英文字符的顯示，不能顯示漢

12、字以及其他的復雜字符，不能達到顯示購物清單的要求。又因為采用了具有模數轉換功能的單片機，系統電路過于簡單，系統硬件的擴展必受到限制，電子秤的功能過于單一，達不到設計的標準。方案二 在前一種方案的基礎上進行擴展，增加一鍵盤輸入裝置，增加外界對單片機內部的數據設定，使電子稱實現稱重計價的功能。結構簡圖如下圖所示： 圖2.2 帶有鍵盤輸入的結構簡圖此方案設計的電子秤，可以實現稱物計價功能，但是局限于數碼管的功能，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，如果數碼管沒有足夠的位數，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碼管接入電路中。這樣在處理輸入輸出接口時需

13、要另行擴展足夠多的I/O接口供數碼管使用，比較麻煩。方案三 前端信號處理時，選用放大、信號轉換等措施，尤其在顯示方面采用具有字符圖文顯示功能的LCD顯示器。這種方案不僅加強了人機交換的能力，而且滿足設計要求，可以顯示購物清單、所稱量的物體信息等相關內容。結構簡圖如下圖所示：圖2.3 LCD顯示的方案目前單片機技術比較成熟，功能也比較強大，被測信號經放大整形后送入單片機，由單片機對測量信號進行處理并根據相應的數據關系譯碼顯示出被測物體的重量。單片機控制適合于功能比較簡單的控制系統,而且其具有成本低,功耗低,體積小算術運算功能強,技術成熟等優點。但其缺點是外圍電路比較復雜,編程復雜。使用這種方案會

14、給系統設計帶來一定的難度。方案四 采用現場可編程門陣列(FPGA)為控制核心采用現場可編程門陣列(FPGA)為控制核心，利用EDA軟件編程，下載燒制實現。系統集成于一片Xilinx公司的Spartan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，可實現大規模和超大規模的集成電路。采用FPGA測頻測量精度高，測量頻率范圍大，而且編程靈活、調試方便，設計要求的精度較高，所以要求系統的穩定性要好，抗干擾能力要強。從下圖中可以看到系統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VHD

15、L編程實現數據處理、LED和LCD驅動、時鐘芯片的I2C通訊、鍵盤控制等模塊。結構簡圖如下圖所示：圖2.4 電子稱系統的組成結構圖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，減低系統功耗，同時還可以提高設計的工藝性和產品的可靠性。雖然以FPGA為核心的電子稱系統很優化，但只有在大規模和超大規模集成電路中其高集成度才能更好得以體現。其主要在PC機接口卡的總線接口、程控交換機的信號處理與接口、雷達聲納系統的成像控制與數字處理、數控機床的測試系統等方面有廣泛應用。鑒于本電子稱的設計并不太復雜，單片機完全能實現所需功能，所以在具體設計時，采用了第三種設計方案。2.2 硬件的方案設計

16、與論證 傳感器傳感器的定義：能感受規定的被測量，并按照一定規律轉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，轉換部分指傳感器中能將敏感元件輸出量轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。現代科技的快速發展使人類社會進入了信息時代，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和獲取、傳輸和處理，而傳感器處于自動檢測與控制系統之首，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的接口位置，一切科學研究和生產過程要獲取的信息，都要通過它轉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。傳感器的作用是人們為了從外界

17、獲取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現象和規律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。 傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。 傳感器的靜態特性是指對靜態的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態特性可用一

18、個不含時間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有：線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移等。傳感器動態特性是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態特性也常用階躍響應和頻率響應來表示3。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

19、電式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應的特定表面產生電荷的壓電效應。壓電傳感器體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠，適用于動態力學量的測量，不適合測頻率太低的被測量，更不能測靜態量。目前多用于加速度和動態力或壓力的測量。壓電器件的弱點：高內阻、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換為電容變化的一種傳感器。它有結構簡單、靈敏度高、動態響應好、可實現非接觸測量、具有平均效應等優點。電容傳感器可用來檢測壓力、力、位移以及振動學非電參量。電容傳感器的基本工作原理可用最普通的平行極板電

20、容器來說明。兩塊相互平行的金屬極板，當不考慮其邊緣效應（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 （2.1）式（2.1）中兩極板間的距離； A兩平行極板相互覆蓋的有效面積；介質的相對介電常數；真空中介電常數。若被測量的變化使式中、A、三個參量中任一個發生變化，都會引起電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量輸出4。 雖然電容式傳感器有結構簡單和良好動態特性等諸多優點，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=1/C很大，為高阻抗元件，負載能力差；又因其視在功率P=C ，C很小，則P也很小。故

21、易受外界干擾，信號需經放大，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成的寄生電容影響很大。方案三 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將各種力學量轉換為電信號的結構型傳感器。電阻應變片式電阻應變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應變效應，電阻應變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結合彈性元件構成力學量傳感器。導體的電阻隨著機械變形而發生變化的現象叫做電阻應變效應。電阻應變片把機械應變信號轉換為R/R后，由于應變量及相應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，要采用轉換電路把應變片的R/R變化轉換成電壓或電流變化。

22、其轉換電路常用測量電橋。直流電橋的特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應變的輸出信號小，要求用高增益和高穩定性的放大器放大。下圖為一直流供電的平衡電阻電橋，接直流電源E：圖2.5 傳感器結構原理圖當電橋輸出端接無窮大負載電阻時，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。當忽略電源的內阻時，由分壓原理有：= （2.2）當滿足條件R1R3=R2R4時，即（2.3）=0，即電橋平衡。式（2.3）稱平衡條件。應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變片感受的應變所引起的電阻變化有關。若差動工作，即R1=R-R,R2=R+R,

23、R3=R-R，R4=R+R,按式（2.2），則電橋輸出為 (2.4) 應變片式傳感器有如下特點：（1）應用和測量范圍廣，應變片可制成各種機械量傳感器。（2）分辨力和靈敏度高，精度較高。（3）結構輕小，對試件影響小， 對復雜環境適應性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環境中使用，頻率響應好。（4）商品化，使用方便，便于實現遠距離、自動化測量5。 通過以上對傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。題目要求稱重范圍05Kg,滿量程量誤差不大于0.005Kg，考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重5Kg。我們選擇的是電阻應變片壓力傳感器，量程為5Kg，精度

24、為0.01% ，滿足本系統的精度要求。 前級放大器部分經由傳感器或敏感元件轉換后輸出的信號一般電平較低；經由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行信號轉換。為此，測量電路中常設有模擬放大環節。這一環節目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件構成具有各種特性的放大器來完成。放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電平低，內阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對放大器有如下一些要求：1、輸入阻抗應遠大于信號源內阻。否則，放大器的負載效應會使所測電壓造成偏差。2、抗共模電壓干擾能力強。3、在預定的頻帶寬度內有穩定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應足夠小以

25、保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩定。4、能附加一些適應特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調整、方便準確的量程切換、極性自動變換等。我們考慮了以下幾種方案：方案一 利用普通低溫漂運算放大器構成多級放大器。普通低溫漂運算放大器構成多級放大器會引入大量噪聲。由于信號轉換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此種方案不宜采用。方案二 由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器。差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放(如OP07)做成一個差動放大器，如下圖所示： 圖2.6 利用普通運放構成的放大器電阻R1、R2和電容C1、C2、C3、C4用于

26、濾除前級的噪聲，C1、C2為普通小電容，可以濾除高頻干擾，C3、C4為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。優點：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大電路，滑動變阻器R6可以調節輸出零點，最后一級可以用于微調放大倍數，使輸出滿足滿量程要求。輸出級為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合應用要求。缺點：此電路要求R3、R4相等，誤差將會影響輸出精度，難度較大。實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲，對精度影響較大12。方案三 采用專用儀表放大器，如：AD620，INA126等。此類芯片內部采用差動輸入，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。以

27、60;INA126為例,接口如下圖所示：圖2.7 INA126儀表放大結構圖放大器增益 ，通過改變RG的大小來改變放大器的增益。INA126 具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點。其最大輸入偏置電流為20nA，這一參數反映了它的高輸入阻抗。INA126在外接電阻RG時，可實現11000范圍內的任意增益；工作電源范圍為±2.3±18V；最大電源電流為1.3mA；最大輸入失調電壓為125V；頻帶寬度為120kHz（在G=100時）。基于以上分析，我決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器INA126。 信號轉換方案一 采用A/D轉換A/D轉換原

28、理：1、逐次逼近法逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉換電路，轉換的時間為微秒級。采用逐次逼近法的A/D轉換器是由一個比較器、D/A轉換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成。基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進行試探。逐次逼近法轉換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉換器，經D/A轉換后生成的模擬量送入比較器，稱為    o，與送入比較器的待轉換的模擬量i進行比較，若o<i，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數字量送D/

29、A轉換器，輸出的    o再與i比較，若o<i，該位1被保留，否則被清除。重復此過程，直至逼近寄存器最低位。轉換結束后，將逐次逼近寄存器中的數字量送入緩沖寄存器，得到數字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進行的。2、雙積分法采用雙積分法的A/D轉換器由電子開關、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。基本原理是將輸入電壓變換成與其平均值成正比的時間間隔，再把此時間間隔轉換成數字量，屬于間接轉換。雙積分法A/D轉換的過程是：先將開關接通待轉換的模擬量i，i采樣輸入到積分器，積分器從零開始進行固定時間的正向積分，時間到后，開關再接通與i極性相反的基

30、準電壓F，將F輸入到積分器，進行反向積分，直到輸出為0V時停止積分。i越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。計數器在反向積分時間內所計的數值，就是輸入模擬電壓i所對應的數字量，實現了A/D轉換。A/D轉換器選用的原則：1、A/D 轉換器的位數。A/D 轉換器決定分辨率的高低。在系統中，A/D 轉換器的分辨率應比系統允許引用誤差高一倍以上。2、A/D 轉換器的轉換速率。不同類型的A/D 轉換器的轉換速率大不相同。積分型的轉換速率低，轉換時間從幾豪秒到幾十毫秒，只能構成低速A/D 轉換器，一般用于壓力、溫度及流量等緩慢變化的參數測試。逐次逼近型屬于中速A/D 轉換器，轉換時間為納秒級，用于

31、個通道過程控制和聲頻數字轉換系統。3、是否加采樣/保持器。4、A/D 轉換器的有關量程引腳。有的A/D 轉換器提供兩個輸入引腳，不同量程范圍內的模擬量可從不同引腳輸入。5、A/D 轉換器的啟動轉換和轉換結束。一般A/D 轉換器可由外部控制信號啟動轉換，這一啟動信號可由CPU提供。轉換結束后A/D 轉換器內部轉換結束信號觸發器置位，并輸出轉換結束標志電平。通知微處理器讀取轉換結果。6、A/D 轉換器的晶閘管現象。其現象是在正常使用時，A/D 轉換器芯片電流驟增，時間一長就會燒壞芯片。為防止這種現象，可采取如下措施：（1）加強抗干擾措施，盡量避免較大的干擾電流進入電路；（2）加強電源穩壓濾波措施，

32、 在A/D 轉換器電源入口處加退耦濾波電路，為防止窄脈沖波竄入在電解電容上再接一高頻濾波電容；（3）在A/D 轉換器的電源端接一限流電阻，可在出現晶閘管現象時，有效地把電流限定在允許范圍內，以防止燒壞器件。選擇A/D 轉換器除考慮上述要點外，為防止對A/D 轉換器的技術指標的影響，還要注意以下幾個問題：（1）工作電源電壓是否穩定；（2）外接時鐘信號的頻率是否合適；（3）工作環境溫度是否符合器件要求；（4）與其它器件是否匹配；（5）外接是否有強的電磁干擾；（6）印刷線路板布線是否合理。由上面對傳感器量程和精度的分析可知：A/D轉換器誤差應在3g以下。12位A/D精度：10Kg/4096=2.44

33、g；14位A/D精度：10Kg/16384=0.61g；考慮到其他部分所帶來的干擾，12位A/D轉換器無法滿足系統精度要求。所以我們需要選擇14位或者精度更高的A/D轉換器17。方案二 采用V/F轉換V-F控制的原理是產生一個震蕩頻率的電路叫做壓控震蕩器，是一個壓敏電容，當受到一個變化的電壓時候它的容量會變化，變化的電容引起震蕩頻率的變化，產生變頻。列如LM331 LM331是性能價格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉換器、A/D轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器及其他相關器件。LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM3

34、31的動態范圍寬，可達100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01，工作頻率低到0.1Hz時尚有較好的線性；變換精度高，數字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉換精度。LM331的內部電路組成如圖所示。由輸入比較器、定時比較器、RS觸發器、輸出驅動管、復零晶體管、能隙基準電路、精密電流源電路、電流開關、輸出保護管等部分組成。輸出驅動管采用集電極開路形式，因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。LM331可采用雙電源或單電源供電，可工作在4.040V之間

35、，輸出可高達40V，而且可以防止Vcc短路18。當前，12位以上的A/D轉換器的價格仍較昂貴，用V/F變換器來代替A/D轉換器，在要求速度不太高的場合是一種較好的選擇。從傳感器來的毫伏級的電壓信號經低溫漂運算放大器INA126放大到010V后加到V/F變換器LM331的輸入端，從頻率輸出端f0輸出的頻率信號加到單片機的輸入端T1上。根據分辨率的要求利用軟件處理，最后得到A/D轉換的結果。所以我決定采用LM331芯片V/F轉換作為信號轉換的方案。2.2.4 控制單片機的選型選擇單片機型號的出發點有以下幾個方面：1、 市場貨源系統設計者只能在市場上能夠提供的單片機中選擇，特別是作為產品大批量生產的

36、應用系統，所選的單片機型號必須有穩定、充足的貨源。2、 單片機性能應根據系統的功能要求和各種單片機的性能，選擇最容易實現系統技術指標的型號，而且能達到較高的性能價格比。單片機性能包括片內硬件資源、運行速度、可靠性、指令系統功能、體積和封裝形式等方面。影響性能價格比的因素除單片機的性能價格外，還包括硬件和軟件設計的容易程度、相應的工作量大小，以及開發工具的性能價格比。3、 研制周期在研制任務重、時間緊的情況下，還要考慮所選的單片機型號是否熟悉，是否能馬上著手進行系統的設計。與研制周期有關的另一個重要因素是開發工具，性能優良的開發工具能加快系統地研制進程。在眾多的51系列單片機中，要算 ATMEL

37、 公司的AT89C51、AT89S51更實用，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為 ATMEL AT89xx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。寫入單片機內的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。再著，AT89C51、AT89S51目前的售價比8031還低，市場供應也很充足。 8051系列單片機的內部結構是各種邏輯單元及其之間的互連構成的。其主要由中央處理器（CPU）、程序存儲器（ROM）、數據存儲器（RAM）、串

38、行接口、并行I/0接口、定時/計數器、中斷系統等幾大單元，以及數據總線、地址總線和控制總線組成。AT89C51是一種帶4K字節閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT

39、89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案7。AT89C51單片機特點能與MCS-51 兼容，有 4K字節可編程閃爍存儲器，壽命能夠達到1000寫/擦循環，數據可以保留時間長達10年，全靜態工作：0Hz-24MHz，三級程序存儲器鎖定，128×8位內部RAM，32可編程I/O線，兩個16位定時器/計數器，5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內振蕩器和時鐘電路。所以AT89C51符合本次設計的主控芯片。 顯示模塊方案一 LED顯示 LED就是light emitting dio

40、de ，發光二極管的英文縮寫，簡稱LED。它是一種通過控制半導體發光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。LED顯示器結構：基本的半導體數碼管是由七個條狀發光二極管芯片排列而成的。可實現09的顯示。其具體結構有“反射罩式”、“條形七段式”及“單片集成式多位數字式”等LED顯示器與顯示方式:LED顯示塊是由發光二極管顯示字段的顯示器件。通常使用的是七段LED。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種。共陰極LED顯示塊的發光二極管陰極共地。當某個發光二極管的陽極為高電平時，發光二極管點亮；共陽極LED顯示塊的發光二極管陽極并接。在設計中使用LED顯示塊

41、構成N位LED顯示器。N位LED顯示器有N根位選線和8*N根段選線。根據顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮、暗。LED顯示器有靜態顯示與動態顯示兩種方式。我們使用的為動態顯示方式。在多位LED顯示時，為了簡化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯在一起，由一個8位I/O口控制，而共陰極點或共陽極點分別由響應的I/O口線控制。其中兩片74LS244分別用于段信號和位信號的驅動，74LS273用于段信號的鎖存，其鎖存地址為7FFFH。 圖2.8 LED數碼管顯示方式方案二 LCD顯示LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display

42、的簡稱，LCD 的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產生畫面。比LED要好的多，但是價錢較其貴。在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產品中都可以看到，顯示的主要是數字、專用符號和圖形。在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發光管、LED數碼管、液晶顯示器。發光管和LED數碼管比較常用，軟硬件都比較簡單，在前面章節已經介紹過，在此不作介紹，本章重點介紹字符型液晶顯示器的應用。 在單片機系統中應用晶

43、液顯示器作為輸出器件有以下幾個優點：（1）顯示質量高：由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質高且不會閃爍。（2）數字式接口：液晶顯示器都是數字式的，和單片機系統的接口更加簡單可靠，操作更加方便。（3）體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統顯示器要輕得多。（4）功耗低：相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控

44、制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規模集成電路直接驅動、易于實現全彩色顯示的特點，目前已經被廣泛應用在便攜式電腦、數字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領域。液晶顯示器各種圖形的顯示原理（1）線段的顯示：點陣圖形式液晶由M×N個顯示單元組成，假設LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應1字節的8位，即每行由16字節，共16×8=128個點組成，屏上64×16個顯示單元與顯示RAM區1024字節相對應，每一字節的內容和顯示屏上相應位置的亮暗對應。例如屏的第一行的亮暗由RAM區的000H00FH的16字節的內容決定，當（000

45、H）=FFH時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當（3FFH）=FFH時，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H時，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。（2）字符的顯示：用LCD顯示一個字符時比較復雜，因為一個字符由6×8或8×8點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示RAM區的8字節，還要使每字節的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內帶字符發生器

46、的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數找出顯示RAM對應的地址，設立光標，在此送上該字符對應的代碼即可。（3）漢字的顯示：漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5右邊為2、4、6根據在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數可找出顯示RAM對應的地址，設立光標，送上要顯示的漢字的第一字節，光標位置加1，送第二個字節，換行按列對齊，送第三個字節直到32B顯示完就可以LCD上得到一個完整漢字。1602字符型LCD簡介字符型液晶顯

47、示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。我們以1602LCD字符型液晶顯示器為例。1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別，1602LCD主要技術參數：顯示容量:16×2個字符，芯片工作電壓:4.55.5V，工作電流:2.0mA(5.0V)，模塊最佳工作電壓:5.0V，字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm19。由于本次設計的顯示模塊需要顯示多位數字，如果采用數碼管顯示的話將會占用多個單片機I/O口,使得電

48、路變得更為復雜。所以選用液晶顯示，1602LCD符合基本條件，能夠采用。 鍵盤輸入鍵盤輸入是人機交互界面中重要的組成部分，它是系統接受用戶指令的直接途徑。操作者通過鍵盤向系統發送各種指令或置入必要的數據信息。因此鍵盤模塊設計的好壞，直接關系到系統的可靠性和穩定性。鍵盤是由若干個按鍵開關組成，鍵的多少根據單片機應用系統的用途而定。鍵盤由許多鍵組成，每一個鍵相當于一個機械開關觸點，當鍵按下時，觸點閉合，當鍵松開時，觸點斷開。單片機接收到按鍵的觸點信號后作相應的功能處理。因此，相對于單片機系統來說鍵盤接口信號是輸入信號。方案一 專用芯片式設計專用鍵盤處理芯片一般功能比較完善，芯片本身能完成對按鍵的編

49、碼、掃描、消抖和重鍵等問題的處理，甚至還集成了顯示接口功能。列如Intel8279是一種為8位微處理器設計的比較成熟的通用鍵盤/顯示器接口芯片，其功能有：接收來自鍵盤的輸入數據，并作預處理；數據顯示的管理和數據顯示器的控制。專用鍵盤處理芯片的優點很明顯，可靠性高，口簡單，使用方便，適合處理按鍵較多的情況。但在很多應用場合，考慮成本因素，可能并不是最佳選擇。 方案二 矩陣式鍵盤設計矩陣式鍵盤又叫行列式鍵盤。用I/O口線組成行、列結構，按鍵設置在行列的交點上。例如，用2×2的行列結構可構成4個鍵的鍵盤，4×4行列結構可構成16個鍵的鍵盤。因此，在按鍵數量較多時，可以節省I/O口

50、線。相對于專用芯片式可以節省成本，且更為靈活。缺點就是需要用軟件處理消抖、重鍵等問題。 圖2.9 4×4矩陣鍵盤考慮到成本方面，我決定采用矩陣鍵盤。 電源模塊系統需要多種電源，單片機需要5V電源，運放需要±5V，V/F轉換器需要±12V，傳感器需要5V以上的線性電源。穩壓電源的設計，是根據穩壓電源的輸出電壓Uo、輸出電流Io、輸出紋波電壓Uop-p等性能指標要求，正確地確定出變壓器、集成穩壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數，從而合理的選擇這些器件。穩壓電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節范圍等；

51、另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩定程度，包括穩壓系數、輸出電阻、溫度系數及紋波電壓等16。此次設計的穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四個部分組成，如圖 圖2.10 穩壓電源組成圖 方案一 采用LM317、LM337共地可調式三端穩壓器電源LM317可調式三端穩壓器電源能夠連續輸出可調的直流電壓，不過它只能允許可調的正電壓，穩壓器內部含有過流，過熱保護電路；由一個電阻（R）和一個可變電位器(RP)組成電壓輸出調節電路，輸出電壓為：Vo=1.25(1+RP/R)。LM337輸出為負的可調電壓，采用兩個獨立的變壓器分別和LM317及LM337組裝，操作比較簡單。電路圖如下

52、所示： 圖2.11 LM317與LM337組裝電路方案二: 采用7805,7905，7812和7912組成穩壓電路 7805，7905固定式三端穩壓器可輸出±5V,固定式三端可調穩壓器7812和7812組裝電路可對稱輸出±12v,其電路圖如圖所示. 圖2.12 LM317與LM337組裝電路方案一的電路由三端可調式穩壓器LM317和LM337組裝而成,可輸出范圍為±1.25 -±12連續可調,通過對滑動變阻器的調整可輸出+5V,±12,(3-9)V連續可調.其電路組裝比較簡單,但輸出所需電壓時需要調整可變電阻,不能直接輸出,因此使用時不方便.方

53、案二由三端可調式穩壓器和三端固定式穩壓器共同組成,所用器件比方案一多,但電路組裝簡單,不會增添麻煩,在方案二中可直接得到+5v和±12的輸出電壓.使用時比較方便,綜上所述,方案二比方案一合理,因此選擇方案二。2.3 具體實施方案簡介根據以上設計方案，硬件部分采用51系列單片機AT89C51為控制核心部件，實現電子秤的基本控制功能。AT89C51是一款8位的內帶4K程序存儲器的微控制器，考慮到用軟件實現電子秤系統的各項功能時，所需的軟件量并不是很大，不需要太大的程序存儲空間，因此在對AT89C51實際設計時不需要在片外再擴展程序存儲器，這樣不僅節省了硬件資源，也優化了電路的設計。系統的

54、硬件部分不僅包括以單片機AT89C51為核心的最小系統部分，而且還包括數據采集、人機接口界面、系統電源部分。數據采集部分由壓力傳感器、信號放大處理和V/F轉換部分組成。在具體選擇傳感器時，考慮到在稱量物品時必要的精度、準確性要求，所稱物品的重量誤差必須要控制在一定的范圍之內。另外由于秤臺的自身重量、振動和沖擊分量，以及還要避免物體超重時對傳感器的損壞，所以在選擇傳感器時要保證有一定的承重裕量，所選的傳感器量程應該比系統設計要求的要大。一般選擇滿量程時候的誤差不能大于規定量。由于傳感器的輸出信號中含有一定的干擾噪聲，所以必須要對傳感器的輸出信號進行濾波，在濾波電路的設計時利用普通小電容濾除高頻干

55、擾，利用大的電解電容濾除低頻干擾。傳感器輸出的電信號比較微弱，一般為毫伏級，必須采用適當的電路進行信號放大處理，這樣才能保證整個系統的精度和穩定性能。這時需要共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度好，而且外部接口簡單的專用儀表放大器INA126。在選擇V/F轉換器時根據系統精度的要求，選擇了具有很強抗干擾能力V/F轉換器LM331，雖然轉換速度慢，但精度高，輸入阻抗高，可自動調零，具有超量程信號，全部輸出的TTL電平信號兼容。作為電子秤，系統對V/F轉換的速度要求不高，而且LM331的轉換精度足以滿足系統的誤差要求。人機交互部分的鍵盤在系統中，可以輸入數字和已經固定的控制命令等。在這次設計

56、中我們采用了4×4鍵盤控制。顯示用的LCD我們根據要求選用了字符點陣式液晶顯示器LCD1602，可以一次滿屏幕顯示多個個中文字符或英文字符，滿足電子秤在稱物時的購物清單顯示要求。2.4 本章小結本章主要是對本次設計的方案選擇與論證，按照設計的基本要求，通過分析與論證，最后確定系統可分為三大模塊，數據采集模塊、控制器模塊、人機交互界面模塊。其中數據采集模塊由壓力傳感器、信號的前級處理和V/F轉換部分組成。轉換后的數字信號送給51單片機控制器處理，由單片機完成對該數字量的處理，驅動液晶顯示模塊完成人機間的信息交換。第3章系統硬件設計根據設計要求以及系統所需要實現的功能，在設計系統時可以分

57、成以下幾個部分：單片機控制模塊，前端信號采集、處理、轉換模塊，人機接口界面以及系統電源部分（為實現系統超量程與欠量程的報警功能，還擴展了報警電路）。3.1 基于AT89C51的主控電路 AT89C51簡介芯片功能介紹及設計：AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh  Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。此外，AT89C51設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。3.1.2 引腳說明AT89C51芯片圖如下： 圖3.1 AT89C51 的引腳圖VCC：供電電壓。   &#