基于单片机SPCE061A电子秤控制电路毕业设计

黄冈职业技术学院毕业论文黄冈职业技术学院毕业设计说明书课题名称 电子秤控制电路的设计 系 别 起讫时间：2010年9月1日2010年11月1日（共8 周）目录摘 要2ABSTRACT3一、绪论3（一）电子秤概述4（二）电子秤的发展41、电子技术渗入衡器制造业42、电子秤步入社会4（三）电子衡器简介51、电子衡器的分类52、电子衡器的发展动态5二、系统方案的选择与设计6（一） 方案的选择6（二）系统整体设计方案8三、硬件电路设计9（一）61板硬件电路91、SPCE061A内部结构112、SPCE061A芯片的引脚排列和说明123、SPCE061ASPCE061A单片机封装144、SPCE061A单片机的最小系统15(二）电源电路设计18（三） 数据采集部分电路设计191、 传感器和其外围以及放大电路设计19（四）显示和语音输出模块的设计32（五）低电压报警及睡眠唤醒32四、系统软件设计33（一）主程序设计34（二）子程序设计351、 A/D转换启动及数据读取程序设计352、数制转换子程序设计353、显示子程序设计364、键盘扫描子程序的设计375、报警子程序的设计38设计总结39致 谢40参考文献41附 录42附录1 系统总图42附录2 程序清单44摘 要本系统采用单片机SPCE061A 为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。系统的硬件部分包括最小系统板，数据采集、人机交互界面三大部分。最小系统部分主要是扩展了外部数据存储器，数据采集部分由压力传感器、超声波传感器、信号的前级处理和 A/D 转换部分组成。人机界面部分为键盘输入 ， 128 64 点阵式液晶显示，可以直观的显示中文，使用方便。软件部分应用单片机 C 语言实现了本设计的全部控制功能，包括基本的测量身高体重功能、语音播报测量结果的功能，还具有低电压报警功能。可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。实现了电子秤的智能化。关键词 SPCE061A，电子秤ABSTRACTThis system uses monolithic integrated circuit SPCE061A is the control core, realizes electronic scales basic control function. Systems hardware part including smallest system board, data acquisition, man-machine interaction contact surface three major parts. The smallest system part mainly expanded the exterior data-carrier storage, the data acquisition part before the pressure transmitter, the ultrasonic sensor, signal level processing and a/D conversion fraction is composed. The man-machine contact surface part is the keyboard entry, 128 64 lattice type liquid crystal display, may direct-viewing demonstration Chinese, the easy to operate. The software part has realized this design complete control function using the monolithic integrated circuit C language, including the basic survey height body weight function, the pronunciation disseminates news the measurement result the function, but also has the low voltage warning function. It can be said that this design completes the electronic scale has met the application need to a great extent. Has realized electronic scales intellectualization. Key word SPCE061A, electronic scale 一、绪论（一）电子秤概述称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。下面简单介绍电子秤或电子衡器的有关知识。（二）电子秤的发展1、电子技术渗入衡器制造业随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术不断渗入衡器制造业。在1954年使用了带新式打印机的倾斜杠杆式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与代替人工操作的按键与办公机器联用。在1960年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。当时的带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。2、电子秤步入社会电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可缺少的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了其础，国外如美国、西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0 .1 %称量准确度的电子秤，并在70年代中期约对75 %的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。我国的衡器在20世纪40年代以前还全是机械式的，40年代开始发展了机电结合式的衡器。50年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。80年代以来， 我国通过自行研制、引进消化吸收和技术改造，已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术于一体的电子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣环境下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化等特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门。随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。（三）电子衡器简介1、电子衡器的分类电子衡器实际上由两个测量部分组成，即“力电”转换元件（称重传感器）以及显示仪表。电子衡器大致可以分为两大类，一类是在杠杆式机械衡器的基础上增加一套“位移数字”转换及测量装置，将被称物体的重量直接用数字显示出来。这类衡器，通常采用码盘、光栅、电磁平衡力矩器、同步感应器或陀螺传感器等。这种电子衡器人们通常称其为光栅电子秤、码盘电子秤、电子磁力电子秤、同步感应电子秤或陀螺电子秤。另一类电子衡器是通过称重传感器，将被称物体的重量直接转换为与被测重量成正比的电量信号，再由电子测量装置计量其大小，并直接显示其重量数据，这类电子衡器一般称为传感器式电子衡器，我们本讲所学的就是此类电子衡器。2、电子衡器的发展动态电子衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子秤到大型的电子称重系统，从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元，其应用领域在不断地扩大。根据近年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，电子衡器总的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其应用性趋向于综合性、组合性。小型化：体积小、高度低、重量轻，即小薄轻。为使电子衡器的承载器达到小、薄、轻，开始采用重量轻且刚度大的空心波纹铜板和方形闭合截面的薄壁型材。模块化：电子衡器的承载器采用模块式一体组合或分体组合，产生新的品种和规格。这种模块化组合不但提高了产品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生产效率，降低了成本。智能化：与电子计算机组合或开发称重用计算机，利用计算机的智能来增加称重显示控制的功能，使其在原有功能的基础上增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能。集成化：对于某些品种和结构的电子衡器，可以实现承载器与称重传感器一体化或承载器、称重传感器与称重显示控制器一体化。综合性：电子称重技术和电子衡器产品的应用范围不断扩大，它已渗透到一些学科和工业自动控制领域。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。组合性：在工业生产过程或工艺流程中，不少称重系统还应具有可组合性，即：测量范围可以任意设定；硬件能够依据不定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可使用不同的语言，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。二、系统方案的选择与设计（一） 方案的选择方案一：用52单片机实现电子秤控制电路的设计，设计思路框图如图2-1所示。压力、超声波传感器波传感器A/D转换器放大电路AT89S52单片机键盘LCD显示语音显示图2-1设计思路框图数据采集部分由压力和超声波传感器采集，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。方案二：用SPCE061A实现电子秤控制电路的设计，设计思路框图如图2-2所示。图2-2设计思路框图本设计由于要求语音播报数据，所以我们选择了SPCE061A这款芯片，该芯片具有8路10位精度的ADC，其中就有一条通道为音频转换通道，并且内置有自动增益电路。这为实现语音播报提供了方便的硬件条件。综上所述：我们最终选择了用SPCE061A来实现系统的功能要求。选用SPCE061A ，它不但能够满足我们的需要，而且不用外接扩展电路！（二）系统整体设计方案本电子秤控制电路的整体设计方案如图 2-3所示，此系统采用 61板为控制核心。由电阻应变式传感器、压电超声波传感器、SPLC501等组成。图2-3系统整体设计框图三、硬件电路设计（一）61板硬件电路61板是一个完整的16位单片机开发系统，板上包含了模拟电子线路、数字电子电路和 SPCE061A单片机系统电路。具体内容可分为4个部分介绍： SPCE061A单片机系统、电源电路、音频输入输出电路和程序下载区电路。 “61板”上一共有4片集成电路，各集成电路的简要描述如表3.1所列。表3.1集成电路说明芯片编号芯片型号芯片名称芯片封装引脚数目数量U1SPCE061A凌阳16位单片机PLCC84841U3SPY00293.3V三端集成稳压电路SOT-89贴片1U2SPY0030功率放大集成电路DIP881U474HC244八通道三态缓冲器DIP20201SPCE061A是凌阳科技推出的一款16位单片机，片内采用的nSP核心具有较高的处理速度，能够更快速地处理复杂的数字信号。SPCE061A的主要性能特点：16位nSP微处理器；工作电压(CPU) VDD为3.03.6V (I/O) VDDH为3.05.5V ；CPU时钟：0.32MHz49.152MHz ；内置2K字SRAM；内置32K FLASH；可编程音频处理；晶体振荡器;系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2A（3.6V）；2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数-模转换)输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源和按键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog功能。1、SPCE061A内部结构SPCE061A单片机内部结构如图 3.2从图中可知SPCE061A单片机内部主要包括16位nSP微 处理核心、ICE在线仿真电路接口、32K字闪存器、2K字SRAM数据存储器、实时时钟、锁相环振荡器和CPU时钟、32位通用IO端口、2个16位定时/计数器、中断控制、数/模转换器、模/数转换器、通用异步串行输入输出接口UART、串行设备输入输出接口SIO、低电压监测和复位等部分。图3.2 SPCE061A的内部结构2、SPCE061A芯片的引脚排列和说明61板上SPCE061A的封装形式为PLLCC84，引脚排列如图3.3所示。其中有15个未用引脚，其余引脚可以分为工作条件类，控制类引脚和输入输出引脚类，其中引脚最多的是输入输出类引脚。工作条件类引脚说明如下：工作条件类引脚电源和地线：VDD-36脚 模拟电路（A/D、D/A和2V稳压源）VDD参考电压。VSS-24脚 模拟电路（A/D、D/A和2V稳压源）GND参考电压。VDD-7、15脚 逻辑电路的VDD参考电压。VSS-9、19、38脚 逻辑电路与IO端口的GND参考电压。VDDH-51、52、75脚 IO端口的VDD参考电压。该点输入一个5V的参考电压，则IO输入输出高电平为5V.VSS-49、50、62脚 IO端口的GND参考电压。时钟输入输出OSC32I-13 脚 32 768HZ 晶体振荡器输入；OSC32O-12 脚 32 768HZ 晶体振荡器输出；VCP(VCOIN)-8脚 PLL锁相环压控振荡器RC输入引脚。3、SPCE061ASPCE061A单片机封装如图所示为SPCE061A的封装实物图。SPCE061A有2种封装形式：一种为84个引脚，即PLCC84封装（见图3.4 ）；另一种为80个引脚，即LQFP80封装。61板采用的是PLCC84封装形式的芯片。4、SPCE061A单片机的最小系统61板的SPCE061A单片机系统包括SPCE061A最小系统（含晶体振荡器电路）、复位电路、IO输入输出接口、按键输入部分、以及A/D、D/A转换部分。(1)SPCE061A单片机的最小系统SPCE061A单片机的最小系统接线如图 3.5所示。（2）时钟电路nSP时钟电路采用晶体振荡器电路。图3.6 是SPCE061A单片机时钟电路接线图。Y1是石英晶体，晶体频率是32 768 HZ，C14(20pF)和C15(20pF)是谐振电容。 图3.6 晶体振荡器电路(3)复位电路通过某种方式，使单片机内部各寄存器值变为初始的操作称为复位。SPCE061A芯片的复位就是对其内部的硬件初始化，只要在SPCE061A的引脚6（即RES_B端）外加一个低电平就可令其复位。SPCE061A的复位电路如图 3.7 所示。图3.7 SPCE061A的复位电路(4)61板按键电路按键是通过通断控制来实现其功能，如图 3.8 所示是61板的3只独立式按键电路接线图。61板设置了3个按键：S1、S2、S3;而IOA0IOA2为扩展按键接口，可利用这些按键来实现简单的人机交互功能。 图3.8 61板上的键盘电路(5)32位输入输出IO接口如图 3.9 所示，SPCE061A的32个通用IO端口引脚全部引出到61板上，共4排插针。16位IOA口的IOA0IOA15分别对应插针J8、J9;16位IOB口的IOB0IOB15分别对应插针J6、J7。并标记端口号，方便开发使用。 图3.9 32位输入输出IO接口(6)A/D和D/A部分A/D部分的作用就是把外部输入的模拟信号转换为数字信号，供CPU处理。SPCE061A的A/D转换内置了8个通道：7个10位ADC（模拟数字转换器）Line_In输入通道，与IOA口的IOA0IOA6共享，作为外部模拟电压信号输入通道；另一个就是10位ADC（模拟数字转换器）min_in传声器输入通道，内置传声器放大电路和自动增益功能。D/A部分的作用就是把CPU内部数字量转换为模拟量输出，SPCE061A内置了2个10位电流型DAC （数字模拟转换器）音频输出通道分别是DAC1 和DAC2。SPCE061A单片机内置的音频A/D、D/A，可编程音频处理提供了硬件基础，再利用凌阳科技开发的音频处理库函数，61板就能完成语音的录制、播放及辨识。 (二）电源电路设计根据设计需要，本系统中需要设计两种不同级别的电源，即传感器需要的电源，和61板的电源。考虑本次设计的实际要求，使系统稳定工作，提高产品的性价比，电源电路的 设计决定采用如下方案：图3.3 电源电路图220V的交流电经过变压器后输出15V的电压，经整流滤波电路后， 通过LM7812和LM7905进行DC/DC变换得到12V和+5V、-5V供器和系统的其他芯片使用。在变压器的原边加入熔断保护装置和MFC网络，使得系统获得的电源更稳定，效果更好，且电路短路时，熔断装置会迅速切断电源，保护其他电路元件不被损坏，供电电路如图3.3所示。（三） 数据采集部分电路设计数据采集部分电路包括传感器输出信号放大电路、单片机接口电路。1、 传感器和其外围以及放大电路设计（1）称重传感器的选择根据系统要求，我们选择了电阻应变式传感器应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。应变式传感器特点精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。（2）应变式传感器的工作原理(1) 金属的电阻应变效应金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。 公式推导：若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为，其未受力时的电阻为R，则:(9.1)如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积S变化dS，电阻率变化 ，因而引起电阻R变化dR。将式(9.1)微分，整理可得:(9.2)对于圆形截面有： (9.3)为金属丝轴向相对伸长，即轴向应变；而 则为电阻丝径向相对伸长，即径向应变，两者之比即为金属丝材料的泊松系数，负号表示符号相反，有:(9.9)将式(9.9)代入(9.3)得:(9.5)将式(9.5)代入(9.2)，并整理得：(9.6)或(9.7)K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。 公式简化过程：由式 可以明显看出，金属材料的灵敏系数受两个因素影响：一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即 项；另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即 项。对于金属材料 项比 项小得多。大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数，于是可以写成：(9.8)通常金属电阻丝的K0=1.74.6。通常金属电阻丝的K0=1.74.6。(2) 应变片的基本结构及测量原理应变片的基本结构l 称为栅长(标距)，b称为栅宽(基宽)， bl称为应变片的使用面积。应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如320mm2，120。结构简介电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基底上。电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护作用的覆盖层。应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，即可测量应变。若通过弹性体或试件把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换成应变，则可测量上述各量，而做成各种应变式传感器。在设计中,传感器是一个十分重要的元件,因此对传感器的选择也显的特别的重要,不仅要注意其量程和参数,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等.传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。其公式如下：CK0K1K2K3(WmaxW)/N （2.1）C单个传感器的额定量程；W秤体自重；Wmax被称物体净重的最大值；N秤体所采用支撑点的数量；K0保险系数，一般取值在1.21.3之间；K1冲击系数；K2秤体的重心偏移系数；K3风压系数。本设计要求称重范围05kg，重量误差不大于0.01kg，根据传感器量程计算公式（2.1）可知：C1.2511.031（201.9）1 (2-1)9.01205为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。在实际工作中，要求称重传感器的有效量程在20%80%之间，线性好，精度高。重量误差应控制在0.01Kg，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，根据式2.1的计算结果，所以我们确定传感器的额定载荷为7.5Kg，允许过载为150%F.S，精度为0.05%，最大量程时误差0.01kg，可以满足本系统的精度要求.综合考虑,本设计采用SP20C-G501电阻应变式传感器,其最大量程为7.5 Kg.称重传感器由组合式S型梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置。由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，所以该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点，广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秤的一次仪表。该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，其工作原理如图2.1所示：图2.1称重传感器原理图表一 压力传感器主要技术指标准确度等级 Accuracy classC3 0.02 0.03额定载荷Rated loadkg1、2.5、5、7.5、10、15灵敏度 SensitivitymV/V1.80.08非线性 Nonlinearity%F.S.0.02滞后 Hysteresis0.02重复性 Repeatability0.02蠕变 Creep%F.S./30min0.02蠕变恢复 creep recovery零点输出 Zero balance%F.S.1零点温度系数 Zero temperature coefficient%F.S./100.02额定输出温度系数Rated output temperature coefficient输入电阻 Input resistance415445输出电阻 Output resistance349355绝缘电阻 Insulation resistanceM5000供桥电压 Supply voltageV12（DC/AC）温度补偿范围 Temperature compensation range-10+50允许温度范围 Safe temperature range-20+60允许过负荷 Safe overload%F.S.120极限过负荷 Ultimate overload%F.S.200四角误差 Four corner error%F.S.0.03连接电缆Connect cablemm3.8300接线方式 Method of connecting wire输入 Input（+）: Red 输入 Input（-）:White输出Output（+）:Green 输出Output（-）:Blue屏蔽 Shield : Yellow其测量原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。由于内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出： （2-2）（2）超声波传感器的选择压电超声波传感器压电式超声波传感器测距原理 ：当电压作用于雅典陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形；另一方面，当振动作用于雅典陶瓷时，则会产生电荷。利用这一原理，由两片雅典陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成振动器，称为双压电晶片元件，当向双压电晶片元件施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生电信号。基于以上作用，便可以讲压电陶瓷用作超声波传感器。压电式超声波发生器是利用压电晶体的谐振来工作的，它由两个压电晶片和一个共振板组成。当两极外家脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确使用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。因此传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关键环节。传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，由于惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，又因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以在本设计中选用最终方案我们选择的是上海开沐自动化有限公司生产的NS-TH1系列称重传感器，额定载荷20Kg，该称重传感器均采用全桥式等臂电桥。由于传感器输出的电压信号很小，是mV级的电压信号，因此为了提高系统的抗干扰能力，在传感器外围电路的设计过程中，增加了由普通运放设计的差动放大器增益调节电阻Rg选用10K 电阻，是为了满足系统抗干扰的要求而设计。其电路图如3.2所示。图3.2传感器和其外围电路图这是一个电阻应变片式称重传感器，将电阻应变片贴在金属的弹性体（即力敏感器）上，并连接成一差动全桥电路。电阻应变片实心轴沿轴向线应变为： （3-1）实心轴沿圆周向线应变为： （3-2）金属材料的电阻相对变化公式为： (3-3)把3-1、3-1代入3-3可以得到其输出电压为： (3-4)其中F为压力（即重物重量）A为受力面积E为弹性材料的弹性模量。如果在电阻的两侧都加入应变片，则其输出为 (3-5)SP20C-G501的输出电压为1-5V相应压力为1-50KPa。供电电流变动会直接影响传感器的输出电压，因此希望电流变动要小。此外，增大或减小驱动电流可调整输出电压，但电流过小，输出电压降低同时抗噪声能力减弱；电流过大，会使传感器发热等，将对传感器特性影响加大。因此在电路中使用1mA的驱动电流。即使用的电流为1mA左右。电路中，采用通用运算放大器LM324，由稳态二极管VS提供2.5V的输出电压经电阻R2和R3分压得到基准电压，作为运放A1输入电压，并供给1mA的电流。传感器的驱动电流流过基准电阻R4，其上的压降等于输入电压。R13和R14为失调电压的温度补偿电阻，阻值选择500k-1.5M。输入采用高输入阻抗的差动输入方式，再有差动放大器电路进行放大，输出1-5V的电压。RP2用于调整电路输入的灵敏度，RP1用于失调电压的调整，调整时，压力为0KPa时输出电压为1V，调整RP1，当压力为达到20Kg的力时，输出电压为5V即可。而有式(3-5)得三运放放大电路的输出信号与输入信号的关系式为： (3-6)通过上式可以看出，放大系数为 (3-7)代入数值可以计算出，其放大系数在70150之间，完全符合设计要求。有(3-6)可以得到电桥输入电压U0与被测重量x成正比，即 （3-8）式中：电桥的电源电压传感器系数（3）放大电路选择称重传感器输出电压振幅范围020mV。而A/D转换的输入电压要求为02V，因此放大环节要有100倍左右的增益。对放大环节的要求是增益可调的（70150倍），根据本设计的实际情况增益设为100倍即可，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。按照输入电压20mV，分辨率20000码的情况，漂移要小于1V。由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（1V），从而保证了放大环节对零点漂移的要求。残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。由2.2.1中称重传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成R/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120，灵敏系数 K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000，应变电阻相对变化量为：R/R = K= 21000106 =0.002 （2-3）由式2-3可以看出电阻变化只有0.24，其电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的R/R变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A/D转换芯片接收的信号。在前级处理电路部分，我们考虑可以采用以下几种方案：方案一、利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路；普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。方案二、主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路；差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器。其设计电路如图2-2所示：方案（三）：采用专用仪表放大器，如：INA126，INA121等构成前级处理电路。下面举例用INA128仪用仪表放大器来实现。图2.2利用普通运放设计的差动放大器一般说来，集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器。然而，绝大多数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。而集成化仪器放大器作为心电前置放大器时，由于极化电压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。有学者试图在前置放大器的输入端加上隔直电容（高通网络）来避免极化电压使高增益的前置放大器进入饱和状态，但由于信号源的内阻高，且两输入端不平衡，隔直电容（高通网络）使等共模干扰转变为差模干扰，结果适得其反，严重地损害了放大器的性能。 为了实现信号的放大，设计电路如下：图2.3 采用INA128设计的放大电路1. 前级采用运放A1和A2组成并联型差动放大器。理论上不难证明，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。更值得一提的是，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。2 阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称（匹配）导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。3. 后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。从理论上计算整个电路的共模抑制比为： (2-4)式中：CMRTotal或CMRRTotal放大器的总共模抑制比；CMR1第一级放大器的共模抑制比；CMR2或CMRR2第二级放大器的共模抑制比；A1d、A1c、A2d和A2c分别为第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。经过实际测量，图2.4所示的电路采用图中所给出的参数时，电路的共模抑制比在120dB以上。有以上分析以及基于电子秤的要求精确度不是很高，所以选择由普通放大器所组成的差动放大器作为本设计的信号放大电路。1、测量算法A/D转换结果D与被测量x存在以下关系： （3-9）式中：S传感器及其测量电路的灵敏度（即被测量X转换成电压U的转换系数）K放大器的放大倍数A/D转换器满量程输入电压A/D转换器满量程输出数字而被测量X总是以其测量数字N和测量单位x1表示 （3-10）将式（3-10）代入（3-9）得 （3-11）由上式可见只要满足以下条件 （3-12）就可以使A/D转换结果D与被测量x的数值N相等，即D=N，在这种情况下将A/D转换结果作为被测量的数值传送到显示器显示出来。（四）显示和语音输出模块的设计数据显示是电子秤的一项重要功能，是人机交换的主要组成部分，它可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。数据显示部分可以有以下两种方案供选择。的组成有以下两种方案可供选择：一是 LED数码管显示,二是LCD液晶显示两种选择. LCD液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表到计算器，从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器。所以我们选择SPLC501液晶模组，采用并行方式，占用IOA4-15共12根I/O线。语音输出我们采用 SPCE061A 内部的 DAC1 输出信号到语音电路。使用 A2000 格式放音。（五）低电压报警及睡眠唤醒智能仪器一般都具有报警和通讯功能，报警主要用于系统运行出错、当测量的数据超过仪表量程或者是超过用户设置的上下限压为提醒用户而设置。在本系统中，设置报警的目的就是在超出电子秤的最低工作电压时，发出报警信号，提示用户，防止损坏仪器。低电压报警：它是 61板本身就具有的内部功能，当电池电力不足的时候，系统会进行语音报警。我们利用 SPCE061A 内部的 LVD 单元就可以完成低电压检测的功能，不需外接其它元器件。睡眠唤醒：61板系统有一个睡眠唤醒键，我们把这个键接在压力传感器上，这样当有人站在电子秤上，系统就被唤醒了。SPCE061A 具有触键唤醒的功能。为了节省能源，让电池工作得更长久，系统平时都是处于睡眠状态。四、系统软件设计程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法。其步骤可概括为以下三点： 分析系统控制要求，确定算法：对复杂的问题进行具体的分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的步骤。这是能否编制出高质量程序的关键。 根据算法画流程图：画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。编写程序：根据程序框图所表示的算法和步骤，选用适当的指令排列起来，构成一个有机的整体，即程序。程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法。结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，特别是限制转向语句(或指令)的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、下文顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错误和易于修改、调试。根据系统的控制任务，本系统的软件设计主要由主程序、初始化程序、显示子程序、数据采集子程序和延时程序等组成。（一）主程序设计图4.1 系统主程序流程图系统上电后，初始化程序将 RAM 的30H5FH内存单元清零，P2.6引脚置成低电平，防止误报警。主程序模块主要完成编程芯片的初始化及按需要调用各模块（子程序），在系统初始化过程中，将系统设置成5Kg量程，并写5Kg量程标志。设计流程图如图4.1所示。（二）子程序设计系统子程序主要包括A/D转换启动及数据读取程序设计、键盘输入控制程序设计、显示程序设计、以及中断程序设计等。1、 A/D转换启动及数据读取程序设计A/D转换子程序主要是指在系统开始运行时，把称重传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机所涉及到的程序设计。设计流程图如图4-2所示。4.2 A/D转换启动及数据读取程序流程图2、数制转换子程序设计在数制转换前要进行系数调整, 在IN0输入的数最大为5V，要求的质量500g对应的是4.8V，为十六进制向十进制转换方便，将系数放大100倍。并用小数点位置的变化体现这一过程。数制之间的转换：在二进制数制中，每向左移一位表示数乘二倍。以每四位作为一组对数分组，当第四位向第五位进位时，数由8变到16，若按十进制数制规则读数，则丢失6，所以应进行加六调整。DA指令可完成这一调整。可见数制之间的转换可以通过移位的方法实现。其中，移出数据的保存可以通过自乘再加进位的方法实现，因为乘二表示左移一位，左移后，低位进一，则需加一。否则，加零。而通过移位已将要移入的尾数保存在了进位位中，所以能实现。图4.3 数据处理流程图3、显示子程序设计显示子程序主要是来判断是否需要显示,以及如何去显示,也是十分重要的程序之一。而显示子程序是其他程序所需要调用的程序之一，因此，显示子程序的设计就显得举足轻重，设计的时候也要十分的小心和卖力。设计显示子程序的流程图如下图4-4所示：图4.4显示子程序流程图4、键盘扫描子程序的设计如图3.4.1所示：键盘电路设计成4X4矩阵式，由键盘编码方式可以得出0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E各键对应的键值： 0D8H,0D0H,0D1H,0D2H,0C8H,0C9H,0CAH,0C0H,0C1H, 0C2H， 0C3H,0CBH,0D3H,0DBH,0DAH,0D9H 。在程序中可以先判断按键编码，然后根据编码将键盘代表的数值送到相应的存储单元，再进行功能选择或数据处理。图4.5键盘扫描子程序流程图5、报警子程序的设计由于要求要键盘设定阈值，所以要求有报警电路，报警电路可以有声报警也可有光报警，将设定的阈值与实时显示的值进行比较，如果设定值小于实时显示的值，则将P1.0置为1，将发光二极管点亮，或使蜂鸣器发出声音。这就需要一段比较程序以及一小段置1清0程序。图4.6 报警子程序框图设计总结随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。本次设计中的电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的。因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。首先是传感器的精密度，它将直接影响电子秤的称重准确度。设计时由于传感器发出的信号不是很稳定，所以称重时误差很大。如果使用精密度较高的传感器，效果会好的多。其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，然后进行A/D转换。该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。还有就是进行数据处理时，选取适当的数据转换系数，使输出满足量程要求。致 谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里要感谢我的导师温锦辉老师。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是温老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩温老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 最后还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。 参考文献1赵茂泰 智能仪器原理及应用M.北京：电子工业出版社.2004：2张毅刚 MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2003：3贾伯年,俞朴.传感器技术M.东南大学出版社.2000：4单成祥 传感器理论设计基础及其应用M.北京：国防工业出版社，1999：5李道华,李玲，朱艳 传感器电路分析与M.武汉：武汉大学出版社，2000：6沙占友,王彦朋等 智能传感器系统设计与应用M.北京：电子工业出版社，2004.67何希才,薛永毅 传感器及其应用实例J.北京：机械工业出版社，2004.18李群芳 单片机微型计算机与接口技术M.电子工业出版社.9周立功 单片机实验与实践M.北京航空航天大学出版社.2004.610全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编J.北京理工大学出版社.2005.1111何立民 单片机高级教材M.北京：航空航天大学出版社.200012童诗白,华成英 模拟电子技术基础M. 北京：北京高等教育出社.200113程林 超省电型电子秤的设计方案J.福建：福建省计量科学技术研究所.2008.314 Leoj.scanlon:“Assembly Language programming with the IBM PC AT”Brady Communica Yion Company.,Inc.,1986:39-57.15 Donna N.Tabler:“IBM PC Assembly language” John Wiley&Sons.Inc.,1985:86-98.16 附 录附录1 系统总图电源电路附录2 程序清单定义 中文C液晶 128X64 的地址W_C_GLCD XDATA0E000HW_D_GLCD XDATA0E001HR_B_GLCD XDATA0E002HR_D_GLCD