實用電子秤

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本系統采用單片機 AT89S52 為控制核心，實現電子秤的基本控制功能。系統的硬件部分包括最小系統板，數據采集、人機交互界面三大部分。最小系統部分主要是擴展了外部數據存儲器，數據采集部分由壓力傳感器、信號的前級處理和 A/D 轉換部分組成。人機界面部分為鍵盤輸入， 128 64 點陣式液晶顯示，可以直觀的顯示中文，使用方便。
軟件部分應用單片機 C 語言實現了本設計的全部控制功能，包括基本的稱重功能，和發揮部分的顯示購物清單的功能，可以設置日期和重新設定 10 種商品的單價，具有超重報警功能，由于系統資源豐富，還可以方便的擴展其應用
第一部分：方案論證與比較
一、控制器部分
本系統基于 51系列單片機來實現，因為系統需要大量的控制液晶顯示和鍵盤。不宜采用大規模可編程邏輯器件：CPLD、FPGA來實現。（因為大規模可編程邏輯器件一般是使用狀態機方式來實現，即所解決的問題都是規則的有限狀態轉換問題。本系統狀態較多，難度較大。）另外系統沒有其它高標準的要求，我們最終選擇了AT89S52通用的比較普通單片機來實現系統設計。內部帶有8KB的程序存儲器，在外面擴展了32K數據存儲器，以滿足系統要求。
二、數據采集部分
（ 1 ）、傳感器
題目要求稱重范圍 9.999Kg ，重量誤差不大于 Kg ，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— 。我們選擇的是 L-PSIII 型傳感器，量程 20Kg ，精度為，滿量程時誤差 0.002Kg 。可以滿足本系統的精度要求。其原理如下圖所示：
稱重傳感器主要由彈性體、電阻應變片電纜線等組成，內部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產生變形時，輸出信號電壓可由下式給出：
（ 2 ）、前級放大器部分
壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級，所以對運算放大器要求很高。我們考慮可以采用以下幾種方案可以采用：
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 A/D 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，此中方案不宜采用。
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。
電阻 R1 、 R2 電容 C1 、 C2 、 C3 、 C4 用于濾除前級的噪聲， 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。
方案三：采用專用儀表放大器，如： INA126，INA121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 INA126為例,接口如下圖所示：
放大器增益，通過改變的大小來改變放大器的增益。
基于以上分析，我們決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器 INA126 。
（ 3 ）、 A/D 轉換器
由上面對傳感器量程和精度的分析可知： A/D 轉換器誤差應在以下
12 位 A/D 精度： 10Kg/4096=2.44g
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 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。
方案一、逐次逼近型 A/D轉換器，如：ADS7805、ADS7804等。
逐次逼近型 A/D轉換，一般具有采樣/保持功能。采樣頻率高，功耗比較低，是理想的高速、高精度、省電型 A/D 轉換器件。
高精度逐次逼近型 A/D轉換器一般都帶有內部基準源和內部時鐘，基于89C52構成的系統設計時僅需要外接幾個電阻、電容。
但考慮到所轉換的信號為一慢變信號，逐次逼近型 A/D轉換器的快速的優點不能很好的發揮，且根據系統的要求，14位AD足以滿足精度要求，太高的精度就反而浪費了系統資源。所以此方案并不是理想的選擇。
方案二、雙積分型 A/D轉換器：如：ICL7135、ICL7109等。
雙積分型 A/D轉換器精度高，但速度較慢(如：ICL7135),具有精確的差分輸入，輸入阻抗高（大于），可自動調零，超量程信號，全部輸出于TTL電平兼容。
雙積分型 A/D轉換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50HZ的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產生影響。尤其對本系統，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型A/D轉換器可大大降低對濾波電路的要求。
作為電子秤，系統對 AD的轉換速度要求并不高，精度上14位的AD足以滿足要求。另外雙積分型A/D轉換器較強的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價格。綜合的分析其優點和缺點，我們最終選擇了ICL7135。
三、人機交互界面
（ 1 ）、鍵盤輸入
鍵盤輸入是人機交互界面中最重要的組成部分，它是系統接受用戶指令的直接途徑。我們采用了專用的鍵盤顯示芯片 ZLG 7289。
Intel8279 是一種比較成熟的可編程鍵盤 / 顯示芯片，可以滿足小系統的要求。
ZLG7289 是周立功單片機公司設計的串行輸入輸出可編程鍵盤 / 顯示芯片有強大的鍵盤顯示功能，支持 64 鍵控制。可以比較方便的擴展系統。另外 ZLG7289 內部有譯碼電路，大大簡化了程序。
我們選擇功能更好的 ZLG7289 作為鍵盤掃描顯示芯片
（ 2 ）、顯示輸出
雖然 ZLG7289 具有控制數碼管顯示的功能，但考慮到本題目要求中文顯示，數碼管無法滿足，只能考慮用帶有中文字庫的液晶顯示器。由于可以分頁顯示，無需太大屏幕，我們選擇了點陣式 128 × 64 型 LCD — OCM4X8C 。
第二部分：具體實現方案
一、硬件組成：
（一）、硬件結構框圖如下：
（二）、各部分硬件電路實現
(1)、基于AT89S52的主控電路圖
主控電路以 89C52為核心擴展32K RAM；單片機使用6M晶振，P0口外接上拉電阻，增大了帶負載能力；A12～A15接74LS138譯碼器，輸出作外部片選信號。擴展了幾個接口用于其它部分于單片機的通信
（ 2）前端信號處理
INA126構成的放大器及濾波電路：
通過調節的阻值來改變放大倍數。微弱信號Vi1和Vi2被分別放大后從INA126的第6腳輸出。A/D轉換器ICL7135的輸入電壓變化范圍是-2V～+2V，傳感器的輸出電壓信號在0～20mv左右，因此放大器的放大倍數在200～300左右，可將接成的滑動變阻器。
由于 ICL7135對高頻干擾不敏感，所以濾波電路主要針對工頻及其低次諧波引入的干擾。因為壓力信號變化十分緩慢，所以濾波電路可以把頻率做得很低。
（ 3）A/D轉換器
基于 ICL7135的A/D轉換器實現電路：
基準源選用芯片 MC1403 2.5V分壓得到：
由于 ICL7135內部沒有振蕩器，所以需要外接。但A/D轉換器精度與時鐘頻率的漂移無關。正向積分時間T1和反向積分時間T2按相同比例增加并不影響測量的結果。ICL7135的時鐘頻率典型值為200kHz最高允許為1200kHz，時鐘頻率越高，轉換速度越快。每輸出一位BCD碼的時間為200個時鐘周期，選通脈沖位于數據脈沖的中部，如果時鐘頻率太高，則數據的接受程序還沒有接受完畢，數據就已經消失了。考慮到此系統頻率要求不是太高，且單片機的工作頻率也不是很高，因此我們取時鐘頻率的典型值：200kHz。由于頻率比較低，對時鐘漂移要求不高，我們采用阻容方式實現了基本的振蕩電路。如下：
振蕩頻率約為 160kHz。
此外 ICL7135外部還需要外接積分電阻、積分電容，但A/D轉換器精度與外接的積分電阻、積分電容的精度無關，故可以降低對元件質量的要求。不過積分電容和積分電容的介質損耗會影響到A/D轉換器的精度，所以應采用介質損耗較小的聚丙乙烯電容
ICL7135還需要外接基準電源，這是因為芯片內部的基準源一般容易受到溫度的影響，而基準電源的變化會直接影響轉換精度。所以當精度要求較高時，應采用外接基準源。一般接其典型值1V。
(4) 、人機交互界面
(a) 、鍵盤接口圖：
鍵盤控制芯片 ZLG7289 控制鍵盤的掃描，當監測到有鍵按下后 ZLG7289 的 9 腳便產生一個低電平通知單片機，單片機可以采用查詢或者中斷方式將數據通過 P1.5 以串行方式讀入。因為查詢方式會浪費大量的時間 , 所以本系統采用的是中斷方式。
(b) 、 LCD 顯示接口電路
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LCD 復位信號通過反相器接到單片機的 RESET 上，上電或手動復位時將隨單片機同時復位。由于復位后并行口輸出高電平， LCD 處于選中狀態，此時 LCD 將輸出內部狀態字，將會影響數據總線上的數據傳輸。所以外接一個反相器。

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