实用电子秤

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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
（ 1 ）、传感器
题目要求称重范围 9.999Kg ，重量误差不大于 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— 。我们选择的是 L-PSIII 型传感器，量程 20Kg ，精度为，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：
（ 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：
放大器增益，通过改变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 转换器误差应在以下
12 位 A/D 精度： 10Kg/4096=2.44g
14 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。
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），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 ZLG 7289。
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
(1)、基于AT89S52的主控电路图
主控电路以 89C52为核心扩展32K RAM；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：
通过调节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，可将接成的滑动变阻器。
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：
基准源选用芯片 MC1403 2.5V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：
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
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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，将会影响数据总线上的数据传输。所以外接一个反相器。