山东省电子设计大赛(电子称)

１山东省电子设计大赛（2014年）实用电子秤（C）编号：C甲1009参赛学校：指导教师：设计者：2004年9月13号摘要２本系统采用单片机AT89S52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、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，包括基本的称重功能，和发挥部分的显示购物清单的功能，可以设置日期和重新设定10种商品的单价，具有超重报警功能，由于系统资源丰富，还可以方便的扩展其应用第一部分：方案论证与比较一、控制器部分本系统基于51系列单片机来实现，因为系统需要大量的控制液晶显示和键盘。不宜采用大规模可编程逻辑器件：CPLD、FPGA来实现。（因为大规模可编程逻辑器件一般是使用状态机方式来实现，即所解决的问题都是规则的有限状态转换问题。本系统状态较多，难度较大。）另外系统没有其它高标准的要求，我们最终选择了AT89S52通用的比较普通单片机来实现系统设计。内部带有8KB的程序存储器，在外面扩展了32K数据存储器，以满足系统要求。二、数据采集部分３（1）、传感器题目要求称重范围9.999Kg，重量误差不大于005.0Kg，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，所以传感器量程必须大于额定称重—Kg999.9。我们选择的是L-PSIII型传感器，量程20Kg，精度为%01.0，满量程时误差0.002Kg。可以满足本系统的精度要求。其原理如下图所示：称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，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：EinR4R4R3R3R2R2R1R1)42(42E△△△△RRRRout（2）、前级放大器部分压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。我们考虑可以采用以下几种方案可以采用：方案一、利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。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，此中方案不宜采用。方案二、由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通４运放(如OP07)做成一个差动放大器。电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。缺点：此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量，每一级运放都会引入较大噪声。对精度影响较大。方案三：采用专用仪表放大器，如：INA126，INA121等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。以INA126为例,接口如下图所示：５放大器增益GRKG805，通过改变GR的大小来改变放大器的增益。基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126。（3）、A/D转换器由上面对传感器量程和精度的分析可知：A/D转换器误差应在%03.0以下12位A/D精度：10Kg/4096=2.44g14位A/D精度：10Kg/16384=0.61g考虑到其他部分所带来的干扰,12位A/D无法满足系统精度要求。所以我们需要选择14位或者精度更高的A/D。方案一、逐次逼近型A/D转换器，如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型A/D转换，一般具有采样/保持功能。采样频率高，功耗比较低，是理想的高速、高精度、省电型A/D转换器件。高精度逐次逼近型A/D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟，基于89C52构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。６但考虑到所转换的信号为一慢变信号，逐次逼近型A/D转换器的快速的优点不能很好的发挥，且根据系统的要求，14位AD足以满足精度要求，太高的精度就反而浪费了系统资源。所以此方案并不是理想的选择。方案二、双积分型A/D转换器：如：ICL7135、ICL7109等。双积分型A/D转换器精度高，但速度较慢(如：ICL7135),具有精确的差分输入，输入阻抗高（大于M310），可自动调零，超量程信号，全部输出于TTL电平兼容。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。作为电子秤，系统对AD的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。综合的分析其优点和缺点，我们最终选择了ICL7135。三、人机交互界面（1）、键盘输入键盘输入是人机交互界面中最重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。我们采用了专用的键盘显示芯片７ZLG7289。Intel8279是一种比较成熟的可编程键盘/显示芯片，可以满足小系统的要求。ZLG7289是周立功单片机公司设计的串行输入输出可编程键盘/显示芯片有强大的键盘显示功能，支持64键控制。可以比较方便的扩展系统。另外ZLG7289内部有译码电路，大大简化了程序。我们选择功能更好的ZLG7289作为键盘扫描显示芯片（2）、显示输出虽然ZLG7289具有控制数码管显示的功能，但考虑到本题目要求中文显示，数码管无法满足，只能考虑用带有中文字库的液晶显示器。由于可以分页显示，无需太大屏幕，我们选择了点阵式128×64型LCD—OCM4X8C。第二部分：具体实现方案一、硬件组成：（一）、硬件结构框图如下：（二）、各部分硬件电路实现８(1)、基于AT89S52的主控电路图主控电路以89C52为核心扩展32KRAM；单片机使用6M晶振，P0口外接上拉电阻，增大了带负载能力；A12～A15接74LS138译码器，输出作外部片选信号。扩展了几个接口用于其它部分于单片机的通信（2）前端信号处理INA126构成的放大器及滤波电路：９通过调节GR的阻值来改变放大倍数。微弱信号Vi1和Vi2被分别放大后从INA126的第6脚输出。A/D转换器ICL7135的输入电压变化范围是-2V～+2V，传感器的输出电压信号在0～20mv左右，因此放大器的放大倍数在200～300左右，可将GR接成K1的滑动变阻器。由于ICL7135对高频干扰不敏感，所以滤波电路主要针对工频及其低次谐波引入的干扰。因为压力信号变化十分缓慢，所以滤波电路可以把频率做得很低。（3）A/D转换器基于ICL7135的A/D转换器实现电路：１０基准源选用芯片MC14032.5V分压得到：由于ICL7135内部没有振荡器，所以需要外接。但A/D转换器精度与时钟频率的漂移无关。正向积分时间T1和反向积分时间T2按相同比例增加并不影响测量的结果。ICL7135的时钟频率典型值为200kHz最高允许为1200kHz，时钟频率越高，转换速度越快。每输出一位BCD码的时间为200个时钟周期，选通脉冲位于数据脉冲的中部，如果时钟频率太高，则数据的接受程序还没有接受完毕，数据就已经消失了。考虑到此系统频率要求不１１是太高，且单片机的工作频率也不是很高，因此我们取时钟频率的典型值：200kHz。由于频率比较低，对时钟漂移要求不高，我们采用阻容方式实现了基本的振荡电路。如下：振荡频率约为160kHz。此外ICL7135外部还需要外接积分电阻、积分电容，但A/D转换器精度与外接的积分电阻、积分电容的精度无关，故可以降低对元件质量的要求。不过积分电容和积分电容的介质损耗会影响到A/D转换器的精度，所以应采用介质损耗较小的聚丙乙烯电容ICL7135还需要外接基准电源，这是因为芯片内部的基准源一般容易受到温度的影响，而基准电源的变化会直接影响转换精度。所以当精度要求较高时，应采用外接基准源。一般接其典型值1V。(4)、人机交互界面(a)、键盘接口图：１２键盘控制芯片ZLG7289控制键盘的扫描，当监测到有键按下后ZLG7289的9脚便产生一个低电平通知单片机，单片机可以采用查询或者中断方式将数据通过P1.5以串行方式读入。因为查询方式会浪费大量的时间,所以本系统采用的是中断方式。(b)、LCD显示接口电路.LCD复位信号通过反相器接到单片机的RESET上，上电或手动复位时将随单片机同时复位。由于复位后并行口输出高电平，LCD处于选中状态，此时LCD将输出内部状态字，将会影１３响数据总线上的数据传输。所以外接一个反相器。二、软件组成：（一）、流程图主程序流程如图所示：１４１５中断服务程序流程图如下：１６（2）、软件说明由于涉及到大量数据的运算，程序不宜采用汇编语言，C语言大大缩短了开发时间，且程序可读性非常好。１７程序中对AD采入的数据进行了数字滤波，进一步减小AD读入数据的误差。7289键盘控制采用中断方式，加快了程序的执行效率。详细的操作过程见使用说明。第三部分：测试及结果分析一、测试结果及误差分析：砝码重量（g）实际显示重量1（g）实际显示重量2（g）实际显示重量3（g）100999998150148147149200195197198250244246244300295296294350342344343400393395396450443443444500493494495550552551553600590593594650641641642１８7006896926937507407407418007907917908508398408429008878888889509389389381000986987987注：由于传感器和其他器件本身并非理想线性，程序中对实测数据进行了线性补偿。误差分析：经校准，非线性补偿后，误差已基本达到要求。所用测量仪器：总重1Kg的砝码，万用表，示波器第四部分：使用操作说明本系统采用32键键盘来实现，分为数字键：0-9，商品1-商品10，6个控制键。本系统开机显示公司名称，后提示输入收银员编号和当前日期。正确输入后，进入称重显示。数字键和小数点键：用于输入单价；累加键：相当于确认，可以将当然信息保存至购物清单；并且将金额累加，得到所购买商品的总金额。去皮键：用于去除皮重；清单价：用于输入的单价错误的时候，重新输入；１９购物清单键：当需要显示当前顾客的总的购物清单时，可以连续按下购物清单键，分页显示所购买的商品信息，并且若以达到最后一页，则显示总计金额，收银员编号，和公司名称，当然日期。运行中如果顾客购买已存入的10种商品，只需按下相应的商品键，既可以将商品的名称和单价以中文的形式显示，同样累加键保存此商品的信息，包括其重量，金额和当前累计金额。另外，已存入的10种商品的单价均可重新设置，直接输入其单价即可，方便实用。如果所称重物超过了系统最大量程10Kg,则蜂明器发出报警声音。第五部分：附录电子秤的信号采集、处理、显示的程序.#includereg52.h#includeabsacc.h//ad控制线#definead_244XBYTE[0xbfff];sbitad_stb=P3^3;sbitad_start=P1^1;//lcd控制线sbitlcd_di=P1^7;２０sbitlcd_rw=P1^2;sbitlcd_e=P1^0;//7289控制线sbitcs7289=P1^3;sbitclk7289=P