基于PSD電子秤電路設(shè)計-大學學士學位論文

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文哈爾濱理工大學學士學位論文-PAGEII--PAGEIII-大學學士論文:基于PSD電子秤電路設(shè)計摘要電子秤是日常生活中常用的電子衡器，是衡器的一種，是利用胡克定律或力的杠桿平衡原理測定物體質(zhì)量的工具，廣泛應(yīng)用于超市、大中型商場、物流配送中心。電子秤在結(jié)構(gòu)和原理上取代了以杠桿平衡為原理的傳統(tǒng)機械式稱量工具。相比傳統(tǒng)的機械式稱量工具，電子秤具有稱量精度高、裝機體積小、應(yīng)用范圍廣、易于操作使用等優(yōu)點，在外形布局、工作原理、結(jié)構(gòu)和材料上都是全新的計量衡器。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(yōu)點而受到人們的青睞，所以電子秤替代機械秤是發(fā)展的趨勢。而目前市場上電子秤產(chǎn)品的整體水平不高，部分小型企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量差且技術(shù)力量薄弱，設(shè)備不全，缺乏產(chǎn)品的開發(fā)能力，產(chǎn)品質(zhì)量在低水平徘徊。因此，有針對性地開發(fā)出一套有實用價值的電子秤系統(tǒng)，從技術(shù)上要克服上述諸多缺點，改善電子秤系統(tǒng)在應(yīng)用中的不足之處，具有現(xiàn)實意義。該設(shè)計以單片機為控制核心，實現(xiàn)電子秤的基本控制功能，并且以位置敏感傳感器作為稱重傳感器的電子稱電路計。我們選用了TI公司的MSP430系列中的MSP430F135單片機（內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換器）用于完成數(shù)據(jù)采集、運算、顯示及控制等工作。關(guān)鍵詞單片機；PSD；位置敏感傳感器；放大器；數(shù)模轉(zhuǎn)換

BasedonPSDElectronicScaleDesignAbstractElectronicscalesiscommonlyusedelectronweighingapparatusindailylife,isakindofinstruments,istouseHookerlawortheleverprincipleofbalanceofforceasdeterminationofthequalityoftheobjecttools.widelyusedinsupermarket,largeandmedium-sizedstores,logisticsdistributioncenter,Electronicscalesinthestructureandprincipleofthesubstitutedwiththeprincipleofleverbalancefortraditionalmechanicalweighingtools.Comparedwiththetraditionalmechanicalweighingtools,electronicscaleshastoweighthehighprecision,smallvolume,installedtheapplicationrange,easytooperate,etc,andinshapelayout,workingprinciple,structureandmaterialarenewmeasuringinstruments.Electronicweighingdeviceelectronicscale,electronicbalancetoitsaccurate,rapidandconvenient,directdisplayalotofadvantageandgetthefavourofpeople,soelectronicscalesalternativemachineryscaleisthetrendofthedevelopment.Andonthemarketatpresentthewholeproductmicro-electroniclevelisnothigh,somesmallenterprisepoorproductqualityandtechnicalforceisweak,theequipmentisnotcomplete,lackofproductdevelopmentability,qualityofproductswanderatalowlevel.So,havespecificaimtodevelopasetofhavethepracticalvalueoftheelectronbalancesystem,fromtechnologytoovercomethedisadvantagestheabove,improvetheelectronbalancesysteminthedefectsoftheapplication,haverealisticsignificance.ThisdesignwithSingle-chipmicrocomputerascontrolcore,realizethebasiccontrolfunctionelectronicscales,andwithdisplacementsensorsensitiveasweighingtransducerelectronicscalescircuitdesign.WeselectMSP430F135mcuofTI’sMSP430family(12bitA/Dinside)toacquireinformation,calculate,display,control,etc.Keywordssingle-chipmicrocomputer；PSD；displacementsensorsensitive；amplifier；analog-to-digitalconversionPAGEII---PAGEV-目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章緒論 11.1課題背景 11.2課題研究的目的和意義 11.3電子秤的組成 21.3.1電子秤的基本結(jié)構(gòu) 21.3.2電子秤的工作原理 31.3.3電子秤的計量性能 31.4設(shè)計思路 4第2章系統(tǒng)方案論證與選型 52.1控制器部分 52.2數(shù)據(jù)采集部分 62.2.1傳感器的選擇PSD光電位置傳感器 62.2.2放大電路的介紹 72.3顯示電路部分的選擇 112.4超量程報警部分選擇 112.5本章小結(jié) 11第3章硬件電路設(shè)計 123.1TI公司MSP430單片機簡介 123.1選用MSP430的原因 133.1.1單片機與放大電路的接口 143.1.2單片機與按鍵的接口 153.1.3單片機與顯示電路的接口 163.1.4復(fù)位電路的設(shè)計 163.2電源電路設(shè)計 173.3數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計 183.3.1PSD器件的工作機理 183.3.2MSP430F135單片機的A/D轉(zhuǎn)換 193.4報警電路的設(shè)計 203.5本章小結(jié) 20第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計 214.1主程序設(shè)計 214.2子程序設(shè)計 214.2.1A/D轉(zhuǎn)換啟動及數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計 224.2.2顯示子程序設(shè)計 244.2.3報警子程序的設(shè)計 244.3本章小結(jié) 25結(jié)論 26致謝 27參考文獻 28附錄A英文文獻 29附錄B中文翻譯 34附錄C整體電路 43-PAGE10--PAGE46-緒論課題背景本課題研究的是基于PSD電子秤電路設(shè)計。物體重量是實際應(yīng)用中非常重要的物理量，所以它的測量工具在工作和生活中經(jīng)常被使用。利用作用于物體上的重力來測量該物體質(zhì)量的計量儀器稱做秤。物品稱量是市場交易中很基本的活動，是商業(yè)領(lǐng)域最基本的衡具。電子秤是衡器的一種，人類最早使用的衡器是原史天平約在公元前5000年，埃及就已使用等臂天平秤。它是在簡易杠桿中點設(shè)一支點，在杠桿一端的盤（鉤）上放置被測物，在另一端的盤上逐個放置形狀、質(zhì)量一樣的物體，當這種裝置平衡時，就意味著兩邊的質(zhì)量相等，并可從左端物體的個數(shù)確定右端被測物的質(zhì)量，中國杠桿的應(yīng)用歷史也比較悠遠。傳統(tǒng)的量具是桿秤或盤秤，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，20世紀70年代開始出現(xiàn)了電子秤。二十世紀初期外國人將金屬質(zhì)電子秤帶進我國。據(jù)載，我國于1918年出現(xiàn)了修理外國電子秤的作坊。當時英國人到中國來進行貿(mào)易，貨船自帶電子秤，電子秤損壞了由中國工人為他們修理，但控制很嚴格，不準仿造。后來我們掌握了技術(shù)，于1922年在上海開始仿造，首家廠名為“岑南德記臺秤修理廠”；1926年南洋華僑陶志祖先生在上海開辦“陶記磅臺秤修理制造廠”，修理并制造臺秤，秤的承重件都是鑄造的，標尺是鑄銅件，承重轉(zhuǎn)換件為“球式”；1931年日本產(chǎn)品進入中國，他們用的承重轉(zhuǎn)換件為“刀式”，由鑄刀改為鑲刀。早期的電子秤多通過模擬電路實現(xiàn)，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字芯片的價格下降，模擬控制已經(jīng)逐步被數(shù)字控制所代替[4]。在科學技術(shù)高速發(fā)展的今天，如何用簡單便宜，性能良好的元器件制造出對人類生活有用的產(chǎn)品，已經(jīng)成為人們研究的主要趨勢數(shù)字電子秤在各種生產(chǎn)領(lǐng)域和人民日常生活中得到廣泛應(yīng)用。1.2課題研究的目的和意義衡器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研、醫(yī)療衛(wèi)生等部門。衡器是利用力的形變平衡原理（胡克原理）或力的杠桿平衡原理測定物體質(zhì)量的。形變平衡根據(jù)被測物自身重量所引起的彈性體形變量來測定被測物質(zhì)量，形變量隨著重力加速度的變化而變化；杠桿平衡根據(jù)標定砝碼重量與被測物重量在杠桿上的平衡來測定被測物質(zhì)量。杠桿平衡與重力加速度的變化無關(guān)，但在重力加速度等于零時，衡量失效。衡器主要由承重系統(tǒng)（如秤盤）、傳力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（如杠桿傳力系統(tǒng)）和示值系統(tǒng)（如刻度盤）三部分組成。衡器按照結(jié)構(gòu)和原理可分為三大類：機械秤、電子秤、機電結(jié)合秤。衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的提高。稱重裝置的應(yīng)用已遍及到國民經(jīng)濟各領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟效益。因此，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國都非常重視。衡器發(fā)展的重點是電子衡器。60年代初期出現(xiàn)機電結(jié)合式電子衡器以來，經(jīng)過40多年的不斷改進與完善，我國電子衡器從最初的機電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型?，F(xiàn)今電子衡器制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新發(fā)展。電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展：計量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展；測量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展，特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應(yīng)用。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性。生產(chǎn)工藝，質(zhì)量保證，可靠性考核等規(guī)模生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)與工藝，提高批量生產(chǎn)能力，使我國的民族衡器工業(yè)走上健康持續(xù)發(fā)展的軌道。1.3電子秤的組成電子秤主要由承重系統(tǒng)（如秤盤、秤體）、傳力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（如杠桿傳力系統(tǒng)、傳感器）和示值系統(tǒng)（如刻度盤、電子顯示儀表）三部分組成。1.3.1電子秤的基本結(jié)構(gòu)電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質(zhì)量（重量）的測量儀器，也可用來確定與質(zhì)量相關(guān)的其它量大小、參數(shù)、或特性。不管根據(jù)什么原理制成的電子秤均由以下三部分組成：（1）承重、傳力復(fù)位系統(tǒng)它是被稱物體與轉(zhuǎn)換元件之間的機械、傳力復(fù)位系統(tǒng)，又稱電子秤的秤體，一般包括接受被稱物體載荷的承載器、秤橋結(jié)構(gòu)、吊掛連接部件和限位減振機構(gòu)等。（2）光電位置傳感器 高靈敏度光電位置傳感器PSD(PositionSensitiveDetector)是一種新型的光電器件，或稱為坐標光電池,它是一種非分割型器件，可將光敏面上的光點位置轉(zhuǎn)化為電信號。當一束光射到PSD的光敏面上時，在同一面上的不同電極之間將會有電流流過,這種電壓或電流隨著光點位置變化而變化的現(xiàn)象就是半導體的橫向光電效應(yīng)。因此利用PSD的PN結(jié)上的橫向光電效應(yīng)可以來檢測入射光點的照射位置。它不像傳統(tǒng)的硅光電探測器只能作為光電轉(zhuǎn)換、光電耦合、光接收和光強測量等方面的應(yīng)用；而能直接用來測量位置、距離、高度、角度和運動軌跡等。它與陣列式圖像傳感器也不一樣，不像固態(tài)圖像傳感器的測量表面由于敏感單元有一定大小而存在死區(qū)；PSD器件能連線檢測光點的位置，沒有死區(qū)，分辨力高，適配電路簡單等特點；正日益引起人們的重視[1]。（3）測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置即處理稱重傳感器信號的電子線路（包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電流源或電壓源、調(diào)節(jié)器、補償元件、保護線路等）和指示部件（如顯示、打印、數(shù)據(jù)傳輸和存貯器件等）。這部分習慣上稱載荷測量裝置或二次儀表。在數(shù)字式的測量電路中，通常包括前置放大、濾濾、運算、變換、計數(shù)、寄存、控制和驅(qū)動顯示等環(huán)節(jié)。1.3.2電子秤的工作原理電子秤采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)一體化的電子稱量裝置，才能滿足并解決現(xiàn)實生活中提出的快速、準確、連續(xù)、自動稱量要求，同時有效地消除人為誤差，使之更符合法制計量管理和工業(yè)生產(chǎn)過程控制的應(yīng)用要求。首先是通過壓力傳感器采集到物體重量的變化，并將其轉(zhuǎn)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(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量被送入到主控電路的單片機中，再經(jīng)過單片機控制譯碼顯示器，從而顯示出被測物體的重量。1.3.3電子秤的計量性能電子秤的計量性能涉及的主要技術(shù)指標有：量程、分度值、分度數(shù)、準確度等級等。（1）量程：電子衡器的最大稱量Max，即電子秤在正常工作情況下，所能稱量的最大值。（2）分度值：電子秤的測量范圍被分成若干等份，每份值即為分度值。用e或d來表示。（3）分度數(shù)：衡器的測量范圍被分成若干等份，總份數(shù)即為分度數(shù)用n表示。電子衡器的最大稱量Max可以用總分度數(shù)n與分度值d的乘積來表示，即Max=n?d。（4）準確度等級國際法制計量組織把電子秤按不同的分度數(shù)分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類等級，分別對應(yīng)不同準確度的電子秤和分度數(shù)n的范圍，如下表1所示：表1電子秤等級分類標志及等級電子秤種類分度數(shù)范圍特種準確度基準衡器n>100000高準確度精密衡器10000<n≤100000中準確度商業(yè)衡器1000<n≤10000普通準確度粗衡器100<n≤1000（5）電子稱技術(shù)指標：測量范圍：0—1000g測量精度：1g1.4設(shè)計思路目前，臺式電子秤在商業(yè)貿(mào)易中的使用已相當普遍，但存在較大的局限性：體積大、成本高、需要工頻交流電源供應(yīng)、攜帶不便、應(yīng)用場所受到制約?，F(xiàn)有的便攜秤為桿秤或以彈簧、拉伸變形來實現(xiàn)計量的彈簧秤，居民用戶使用的基本是桿秤。彈簧盤秤制造工藝要求較高，彈簧的疲勞問題無法徹底解決，一旦超過彈簧彈性限度，彈簧秤就會產(chǎn)生很大誤差，以至損壞，影響到稱重的準確性和可靠性，只是一種暫時的代用品，也被列入逐漸取消的行列。微控制器技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子產(chǎn)品的更新速度達到了日新月異的地步。本系統(tǒng)在設(shè)計過程中，系統(tǒng)的微控制器部分選擇了兼容性比較好的MSP430系列單片機，在系統(tǒng)更新?lián)Q代的時候，只需要增加很少的硬件電路，甚至僅僅刪改系統(tǒng)控制程序就能夠?qū)崿F(xiàn)。另外由于實際應(yīng)用當中，稱可以有一定量的過載，但不能超出要求的范圍，為此我們還設(shè)計了過載提示和聲光報警功能。綜上所述，本課題的主要設(shè)計思路是：利用光電位置傳感器采集因位移變化產(chǎn)生的電壓信號，經(jīng)過電壓放大電路放大，然后再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，最后把模擬信號送入單片機。單片機經(jīng)過相應(yīng)的處理后，得出當前所稱物品的重量，然后再顯示出來。這種高精度智能電子秤體積小、計量準確、攜帶方便，集質(zhì)量稱量功能與價格計算功能于一體，能夠滿足商業(yè)貿(mào)易和居民家庭的使用需求。系統(tǒng)方案論證與選型按照本設(shè)計功能的要求，系統(tǒng)由6個部分組成：控制器部分、測量部分、報警部分、數(shù)據(jù)顯示部分、和電路電源部分，系統(tǒng)設(shè)計總體方案框圖如圖2-1所示。放大電路放大電路A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換壓力信號采集MSP430F135單片機LED顯示報警裝置圖2-1設(shè)計思路框圖測量部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號，得到微弱的電信號（本設(shè)計為電壓信號），而后經(jīng)處理電路（如濾波電路、差動放大電路）處理后，送A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出?？刂破鞑糠纸邮軄碜訟/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過復(fù)雜的運算，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為物體的實際重量信號，并將其存儲到存儲單元中?？刂破鬟€可以通過對擴展I/O的控制，對整個系統(tǒng)進行控制。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實現(xiàn)顯示功能。當超載時報警裝置報警?？刂破鞑糠直驹O(shè)計由于要求必須使用單片機作為系統(tǒng)的主控制器，而且以單片機為主控制器的設(shè)計，可以容易地將計算機技術(shù)和測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測量控制系統(tǒng)”。這種新型的智能儀表在測量過程自動化、測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進展。再則由于系統(tǒng)沒有其它高標準的要求，又考慮到本設(shè)計中程序部分比較大，根據(jù)總體方案設(shè)計的分析，設(shè)計這樣一個簡單的的系統(tǒng)，可以選用帶EPROM的單片機，由于應(yīng)用程序不大，應(yīng)用程序直接存儲在片內(nèi)，不用在外部擴展存儲器，這樣電路也可簡化。這些配置能夠很好地實現(xiàn)本儀器的測量和控制要求。51系列單片機：由ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。而且，它還具有一個看門狗（WDT）定時/計數(shù)器，如果程序沒有正常工作，就會強制整個系統(tǒng)復(fù)位，還可以在程序陷入死循環(huán)的時候，讓單片機復(fù)位而不用整個系統(tǒng)斷電，從而保護你的硬件電路[3]。430系列單片機：MSP430系列單片機是一個特別強調(diào)超低功耗的單片機品種，很適合應(yīng)用與電池供電的長時間工作場合。在這個系列中有很多個型號，它們是由一些基本功能模塊按不同的應(yīng)用目標組合而成。MSP430系列的CPU采用16位精簡指令系統(tǒng)，集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率。它采用數(shù)字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時間小于6μs。其中MSP430x41x系列微控制器設(shè)計有一個16位定時器，一個比較器，96段LCD驅(qū)動器和48個通用I\O引腳。MSP430F1x系列具有以下一些共同特點：超低功耗。強大的處理能力。豐富的片上外圍模塊。方便高效的開發(fā)方式。多種存儲器形式。適應(yīng)工業(yè)及運行環(huán)境。在本設(shè)計中選擇MSP430F135系列單片機[14]。數(shù)據(jù)采集部分電子秤的數(shù)據(jù)采集部分主要包括稱重傳感器、處理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，因此對于這部分的論證主要分三方面。2.2.1傳感器的選擇PSD光電位置傳感器在設(shè)計中，傳感器是一個十分重要的元件，因此對傳感器的選擇也顯的特別的重要，不僅要注意其量程和參數(shù)，還有考慮到與其相配置的各種電路的設(shè)計的難以程度和設(shè)計性價比等等。高靈敏度光電位置傳感器PSD是一種新型的光電器件，或稱為坐標光電池，它是一種非分割型器件，可將光敏面上的光點位置轉(zhuǎn)化為電信號。當一束光射到PSD的光敏面上時，在同一面上的不同電極之間將會有電流流過，這種電壓或電流隨著光點位置變化而變化的現(xiàn)象就是半導體的橫向光電效應(yīng)。因此利用PSD的pn結(jié)上的橫向光電效應(yīng)可以來檢測入射光點的照射位置。它不像傳統(tǒng)的硅光電探測器只能作為光電轉(zhuǎn)換、光電耦合、光接收和光強測量等方面的應(yīng)用;而能直接用來測量位置、距離、高度、角度和運動軌跡等。它與陣列式圖像傳感器也不一樣,不像固態(tài)圖像傳感器的測量表面由于敏感單元有一定大小而存在死區(qū)；PSD器件能連線檢測光點的位置，沒有死區(qū)分辨力高。適配電路簡單等特點；正日益引起人們的重視。PSD應(yīng)用于位移測量基本原理如圖所示，由半導體激光器(LD)發(fā)射出的光束經(jīng)過透鏡1聚焦，光斑照射到待測物體上，部分反射光通過透鏡2會聚到PSD的光敏面上。當激光光斑投射到被測物的某一位置時，會聚到PSD的光斑恰好位于光敏面的中央位置。此時，PSD兩電極輸出電流相同。由圖(2-2)可知光敏面上位置坐標x=0，以該位置作為基準點。圖中B點表示待測物的基準點，則其散射光斑會聚到PSD光敏面中央b處，而待測點A和C的散射光斑分別會聚到PSD光敏面ac兩處，分別測得兩電極的電流信號，再經(jīng)過后續(xù)處理電路就可以精確測試出A、C兩點與基準點B之間的位移[2]。圖2-2位移測試原理圖當重力壓在位移敏感傳感器的重力盤上時，重力盤彈性元件的形變位移在上圖中位置A、B、C范圍內(nèi)變化，此時PSD的敏感表面上的光斑位置發(fā)生變化，從而使PSD產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號，有電流信號的變化可以看出重力大小的變化，再經(jīng)過后續(xù)一系列處理使電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號顯示出來。2.2.2放大電路的介紹經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低；經(jīng)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A/D轉(zhuǎn)換。為此，測量電路中常設(shè)有模擬放大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件構(gòu)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(nèi)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(yīng)遠大于信號源內(nèi)阻。否則，放大器的負載效應(yīng)會使所測電壓造成偏差。2．抗共模電壓干擾能力強。3．在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。4．能附加一些適應(yīng)特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調(diào)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(gòu)成多級放大器。普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大器會引入大量噪聲。由于A/D轉(zhuǎn)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(gòu)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，如圖2-3所示：圖2-3利用普通運放構(gòu)成的放大器電阻R1、R2和電容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(yōu)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(diào)節(jié)輸出零點，最后一級可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，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(yīng)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(nèi)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AD620為例，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-4所示：圖2-4AD620的內(nèi)部等效圖接口如圖2-5所示：圖2-5AD620的接口圖AD620由傳統(tǒng)的三運算放大器發(fā)展而成，但一些主要性能卻優(yōu)于三運算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計，如電源范圍寬(±2.3～±18V),設(shè)計體積小，功耗非常低(最大供電電流僅1.3mA)，因而適用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場合。AD620的單片結(jié)構(gòu)和激光晶體調(diào)整，允許電路元件緊密匹配和跟蹤，從而保證電路固有的高性能。AD620為三運放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，為保護增益控制的高精度,其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入，并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流，通過輸入級內(nèi)部運放的反饋，保持輸入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻RG上。AD620的兩個內(nèi)部增益電阻為24.7k8，因而增益方程式為：(2-1)對于所需的增益，則外部控制電阻值為：(2-2)AD620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(shù)反映了它的高輸入阻抗。AD620在外接電阻Rg時，可實現(xiàn)1~1000范圍內(nèi)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(diào)電壓為125V；頻帶寬度為120kHz（在G=100時）[6]。在本設(shè)計中，根據(jù)PSD原理選用相應(yīng)的放大電路，且先需要首先應(yīng)對PSD輸出的光電流進行電流-電壓轉(zhuǎn)換，在進行放大，如圖2-6所示：圖2-6常用的PSD測量電路及相應(yīng)的放大電路2.3顯示電路部分的選擇數(shù)據(jù)顯示是電子秤的一項重要功能，是人機交換的主要組成部分，它可以將測量電路測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過微處理器處理后直觀的顯示出來。數(shù)據(jù)顯示部分可以有以下兩種方案供選擇。的組成有以下兩種方案可供選擇：一是LED數(shù)碼管顯示，二是LCD液晶顯示兩種選擇。LCD液晶顯示器是一種極低功耗顯示器，從電子表到計算器，從袖珍時儀表到便攜式微型計算機以及一些文字處理機都廣泛利用了液晶顯示器。2.4超量程報警部分選擇智能儀器一般都具有報警和通訊功能，報警主要用于系統(tǒng)運行出錯、當測量的數(shù)據(jù)超過儀表量程或者是超過用戶設(shè)置的上下限時為提醒用戶而設(shè)置。在本系統(tǒng)中，設(shè)置報警的目的就是在超出電子秤測量范圍時，發(fā)出報警信號，提示用戶，防止損壞儀器。超限報警電路是由單片機的I/O口來控制的，當稱重物體重量超過系統(tǒng)設(shè)計所允許的重量時，通過程序使單片機的I/O值為高電平，從而三極管導通，使蜂鳴器SPEAKER發(fā)出報警聲。2.5本章小結(jié)本章對電路設(shè)計所用元件進行了比較和選型，并主要對控制器部分和數(shù)據(jù)采集部分進行了進行了分析。最后決定采用MSP430F135單片機，內(nèi)含A/D轉(zhuǎn)換器；數(shù)據(jù)采集部分運用PSD常用的測量電路以及其相應(yīng)的放大電路。硬件電路設(shè)計TI公司MSP430單片機簡介MSP430系列是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，在1996年問世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。MSP430系列單片機的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴大，主要取決于以下的特點。強大的處理能力MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動下指令周期為125ns。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。在運算速度方面，MSP430系列單片機能在8MHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)125ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125μs的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如FFT等）[15]。MSP430系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只用6μs。超低功耗MSP430單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先，MSP430系列單片機的電源電壓采用的是1.8~3.6V電壓。因而可使其在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在200~400μA左右，時鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1μA。其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計。在MSP430系列中有兩個不同的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（FLL和FLL+）時鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。有的使用一個晶體振蕩器（32768Hz），有的使用兩個晶體振蕩器）。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在等待方式下，耗電為0.7μA，在節(jié)電方式下，最低可達0.1μA。系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設(shè)置適當?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。豐富的片上外圍模塊：MSP430系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A（Timer_A）、定時器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10位/12位ADC、I2C總線直接數(shù)據(jù)存?。―MA）、端口0（P0）、端口1~6（P1~P6）、基本定時器（BasicTimer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復(fù)位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設(shè)計出A/D轉(zhuǎn)換器；16位定時器（Timer_A和Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、PWM等；有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應(yīng)用；具有較多的I/O端口，最多達6-8條I/O口線；P0、P1、P2端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12/14位硬件A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達200kbps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動液晶多達160段；實現(xiàn)兩路的12位D/A轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（DMA）模塊。MSP430系列單片機的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便[5]方便高效的開發(fā)環(huán)境目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后在燒寫或掩膜芯片；對于FLASH型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因為器件片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有電可擦寫的FLASH存儲器，因此采用先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計者調(diào)試使用的方法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺PC機和一個JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和C語言。MSP430單片機目前主要以FLASH型為主。適應(yīng)工業(yè)級運行環(huán)境MSP430系列器件均為工業(yè)級的，運行環(huán)境溫度為-40~+85攝氏度，所設(shè)計的產(chǎn)品適合用于工業(yè)環(huán)境下[10]。3.1選用MSP430的原因?qū)τ谝粋€以單片機為核心的系統(tǒng)來說，單片機的選擇至為重要。MSP430F135是一款功能強大的16位單片機，但我們選擇它還是基于系統(tǒng)設(shè)計的考慮。我們選擇TI公司的MSP430F135的主要原因是：MSP430F135具有6-8個通用I/O口，大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計。所以在顯示電路中，我們對8段LED的段選直接用了8個I/O口，而沒有使用八段譯碼器（如74LS249等）；對5個LED的位選也直接用了5個I/O口。這樣大大簡化了電路的設(shè)計，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時也節(jié)省了成本。MSP430系列單片機一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式。在運算速度方面，MSP430系列單片機能在8MHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)125ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（F135無）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法，如平均值算法、折線或是多次曲線擬合算法、濾波算法等。MSP430系列單片機具有豐富的片內(nèi)外設(shè)：12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC12可把測量電路的輸出信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，而無需外加獨立的A/D轉(zhuǎn)換芯片。16位定時器可用來定時5個LED數(shù)碼管動態(tài)顯示時刷新的時間間隔。MSP430系列單片機是一款超低功耗單片機，并有多種低功耗模式。這樣一起可用電池供電，從而使儀器小型化。方便以后把儀器改造成便攜儀器。MSP430的F系列引入了Flash和JTAG技術(shù)，使得在開發(fā)過程中不需要仿真器和編程器，十分便于開發(fā)調(diào)試[11]。其它，如價格相對便宜，家族成員豐富，熔絲燒斷后可升級等。3.1.1單片機與放大電路的接口與放大電路的接口設(shè)計MSP430F135單片機內(nèi)部有一個12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12，并有8個外部輸入通道A0–A7，我們把放大電路通道1的輸出接至A0，放大電路通道2的輸出接至A2。為了使輸出電壓在單片機I/O口能承受的范圍之內(nèi)，我們在放大電路后加了鉗位電路。單片機與放大電路的接口如圖3-1所示：在放大電路與單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器之間加一個鉗位電路。鉗位電路的作用是：防止放大器輸出的電壓信號高于2.5V損壞A/D轉(zhuǎn)換器，破壞電路。圖3-1單片機與放大電路的接口示意圖3.1.2單片機與按鍵的接口除“復(fù)位”鍵外，“調(diào)零”(KEY1)與“測量”(KEY2)兩個按鍵。其中，“調(diào)零”實現(xiàn)的功能是：測量當前重量值，把測得值在LED上顯示出來，并把此值作為一個零點，成為測量的一個基準；“測量”實現(xiàn)的功能是：測量當前重量，減去零點值，完成相對測量，并在LED上顯示出來。與單片機的接口如圖3-2所示：圖3-2單片機與按鍵的接口示意圖3.1.3單片機與顯示電路的接口本次設(shè)計采用LED作為顯示元件，在顯示方法上用動態(tài)顯示的方法實現(xiàn)5個LED數(shù)碼管的顯示，如圖3-3所示：圖3-3單片機與顯示電路的接口示意圖3.1.4復(fù)位電路的設(shè)計當儀器出現(xiàn)異常故障時，可用“復(fù)位”鍵使其復(fù)位，其設(shè)計如圖3-4所示：MSP430系列單片機復(fù)位信號只在芯片上電或PST/NMI設(shè)置成復(fù)位模式，在RST/NMI引腳上出現(xiàn)低電平信號兩個事件發(fā)生時產(chǎn)生。復(fù)位信號的發(fā)生總是會產(chǎn)生PUC信號，但是PUC信號的發(fā)生不會產(chǎn)生復(fù)位信號。產(chǎn)生PUC信號的事件為：發(fā)生復(fù)位信號；處于看門狗模式下，看門狗定時器時間到；看門狗定時器寫入錯誤的安全鍵值；RST/NMI引腳上出現(xiàn)低電平信號；FLASH存儲器寫入錯誤的安全鍵值[13]。圖3-4復(fù)位電路3.2電源電路設(shè)計本系統(tǒng)為單片機供電+3.3V。如圖3-5所示：圖3-5電源電路圖3.3數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計數(shù)據(jù)采集部分電路包括傳感器、輸出信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器。3.3.1PSD器件的工作機理PSD(PositionSensitiveDetectors)器件是自本世紀70年代研制成功的一種新型位置傳感器，由于該器件具有體積小、靈敏度高、線性范圍大、噪聲低、響應(yīng)速度快、后續(xù)處理電路簡單等優(yōu)點，所以廣泛應(yīng)用于光電位置測量、光學遙控、位移和振動的檢測和監(jiān)控、方向探測、光學邊界判別、醫(yī)用器械、三維位置測量系統(tǒng)以及機器人視覺等方面。PSD是一種獨特的半導體光電器件，他的PN結(jié)結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、光電轉(zhuǎn)換原理等與普通光電二極管類似，但他的工作原理與普通光電二極管的完全不同，后者基于PN結(jié)或肖特基結(jié)的縱向光電效應(yīng)，普通光電二極管通過光電流的大小反映入射光的強弱，是光電轉(zhuǎn)換器件和控制器件，而位置敏感探測器不僅是光電轉(zhuǎn)換器，更重要的是光電流的分配器，通過合理設(shè)置分流層和收集電流的電極，根據(jù)各電極上收集到的電流信號的比例確定入射光的位置[7]。PSD的主要特點如下：（1）響應(yīng)速度快。PSD的光電轉(zhuǎn)換響應(yīng)速度和輸出電阻及結(jié)電容的乘積成反比（約幾個微秒），與一般的光敏二極管相比，響應(yīng)速度要低一點，但由于它是非掃描型的，因此比掃描型的光敏器件響應(yīng)速度要快的多。（2）位置分辨率高。CCD器件的分辨率取決于像素的間距，一般都在十幾個微米左右，而PSD器件由于其敏感面十連續(xù)的，它的分辨率與外部檢測電路的噪聲及入射光所產(chǎn)生的光電流大小有關(guān)，一般為零點幾個微米。（3）可同時檢測位置和光強。因光強和總的光生電流有關(guān)，所以只要加上一線路，把從信號電極輸出的電流相加得到總電流，就可以求出入射光強。（4）位置輸出與光點強度及尺寸無關(guān)，只與光的重心位置相關(guān)。這一特點使得PSD在應(yīng)用時無需苛求復(fù)雜得光學聚焦系統(tǒng)【9】。當有幾條光束分別照射在敏感面時，按x=L(I2-I1)/(I2+I1)計算出各光束的入射位置，然后根據(jù)這些位置和入射光強所計算出來的“能量中心”，與這幾條光束同時照射PSD表面時，按上式計算出的位置，二者是一致的。PSD敏感表面被未經(jīng)聚焦的光束照射時，輸出所反映的位置與經(jīng)聚焦光束照射時輸出所反映的位置是一致的。光斑大小對PSD的非線性沒有影響，只有在內(nèi)部不均勻而光斑直徑較大時，由于平均效應(yīng)才可能降低非線性。（5）頻譜響應(yīng)寬，響應(yīng)范圍從330到1100nm。（6）外圍電路簡單，信號檢測方便，價格相對光電陣列器件要便宜的多。在本設(shè)計中PSD作為稱重傳感元件應(yīng)用在電路中。3.3.2MSP430F135單片機的A/D轉(zhuǎn)換因為MSP430內(nèi)部有一個12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12，所以需要對其進行編程。我們采用了“序列通道單次轉(zhuǎn)換”的方式，裝換過程自動完成，無需軟件轉(zhuǎn)換，其流程圖如圖3-6所示：啟動一次序列通道單次轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)值對應(yīng)啟動一次序列通道單次轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)值對應(yīng)RAM存儲區(qū)累加求和入口子程序返回圖3-6A/D轉(zhuǎn)換流程圖ADC的結(jié)構(gòu)特點:ADCl2有8個外部模擬信號采樣通道(a0～a7)和4個內(nèi)部通道(a8～a11)，各個通道的參考電平可以由用戶根據(jù)需要編程選擇。ADCl2的轉(zhuǎn)換時鐘ADCl2CLK可選自多個時鐘源，如內(nèi)部振蕩器ADC12OSC或ACLK、MCLK和SMCLK，并可引人一個l～8的分頻因子。采樣時序可以通過控制位用軟件直接控制，也可以用3種內(nèi)部或外部的信號來控制。在例程中會對采樣時序作具體的介紹。一般的A/D操作通常用中斷請求來通知A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，并需要在下一次A/D執(zhí)行前將轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)存到另一位置。但是，ADCl2有16個轉(zhuǎn)換存儲寄存器(ADCl2MEMx)，使得A/D可以進行多次轉(zhuǎn)換而不需要軟件干預(yù)。每個存儲寄存器都有一個控制寄存器(ADCl2MCTLx)來說明每次轉(zhuǎn)換的采樣通道和參考電平，為轉(zhuǎn)換提供了靈活性。ADC內(nèi)核與參考電平發(fā)生器可分別進入省電模式，分別由ADCl2ON和REFON這兩個控制位來控制。當這2位全復(fù)位時，A/D完全關(guān)閉，但ADCl2的寄存器不受影響，可在任何時間訪問及修改。下面詳細介紹ADC的使用方法并給出部分應(yīng)用例程[8]。3.4報警電路的設(shè)計圖3-7報警電路圖當電路檢測到稱重的物體超過儀器的測量限制時，將產(chǎn)生一個信號給報警電路。使報警電路報警從而提醒工作人員注意，超限報警電路如圖3-7所示。它是有MSP430F135的P1.6口來控制的，當超過設(shè)置的重量時（1000g），通過程序使P1.6口值為高電平，從而使三極管導通，報警電路接通，使蜂鳴器SPEAKER發(fā)出報警聲，這一任務(wù)的實現(xiàn)主要靠程序來完成，在此不再贅述。3.5本章小結(jié)本章就系統(tǒng)的設(shè)計理念及所設(shè)計的系統(tǒng)組成框圖進行了簡要闡述。簡要說明了系統(tǒng)各個組成部分的分工及大致完成的功能。就系統(tǒng)的MSP430F135單片機的特點和數(shù)據(jù)采集部分進行了主要說明。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計程序設(shè)計是一件復(fù)雜的工作，為了把復(fù)雜的工作條理化，就要有相應(yīng)的步驟和方法。其步驟可概括為以下三點：（1）分析系統(tǒng)控制要求，確定算法：對復(fù)雜的問題進行具體的分析，找出合理的計算方法及適當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而確定編寫程序的步驟。這是能否編制出高質(zhì)量程序的關(guān)鍵。（2）根據(jù)算法畫流程圖：畫程序框圖可以把算法和解題步驟逐步具體化，以減少出錯的可能性。（3）編寫程序：根據(jù)程序框圖所表示的算法和步驟，選用適當?shù)闹噶钆帕衅饋?，?gòu)成一個有機的整體，即程序。程序數(shù)據(jù)的一種理想方法是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計是對利用到的控制結(jié)構(gòu)類程序做適當?shù)南拗?，從而控制了程序的?fù)雜性，力求程序的上、下文順序與執(zhí)行流程保持一致性，使程序易讀易理解，減少邏輯錯誤和易于修改、調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)的控制任務(wù)，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由主程序、初始化程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)采集子程序和延時程序等組成。4.1主程序設(shè)計主程序模塊主要完成編程芯片的初始化及按需要調(diào)用各模塊（子程序），在系統(tǒng)初始化過程中，將系統(tǒng)設(shè)置成1000g量程，并寫1000g量程標志。設(shè)計流程圖如圖4-1所示。4.2子程序設(shè)計系統(tǒng)子程序主要包括A/D轉(zhuǎn)換啟動及數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計、鍵盤輸入控制程序設(shè)計、顯示程序設(shè)計、以及中斷程序設(shè)計等。開始LCD初始化初始化開始LCD初始化初始化中斷初始化數(shù)據(jù)初始化調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用顯示模塊數(shù)據(jù)是否變化Y是否達到極限？Y調(diào)用報警子程序N圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖4.2.1A/D轉(zhuǎn)換啟動及數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換子程序主要是指在系統(tǒng)開始運行時，把稱重傳感器傳遞過來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞到單片機所涉及到的程序設(shè)計。設(shè)計流程圖如圖4-2所示。開始啟動A/D轉(zhuǎn)換開始啟動A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換是否完成？N數(shù)據(jù)存儲YA/D初始化結(jié)束圖4-2A/D轉(zhuǎn)換啟動及數(shù)據(jù)程序流程圖開始開始初始化（寫指令、寫時序）寫數(shù)據(jù)結(jié)束圖4-3顯示子程序流程圖4.2.2顯示子程序設(shè)計顯示子程序主要是來判斷是否需要顯示，以及如何去顯示，也是十分重要的程序之一。而顯示子程序是其他程序所需要調(diào)用的程序之一，因此，顯示子程序的設(shè)計就顯得舉足輕重，設(shè)計的時候也要十分的小心和賣力。設(shè)計顯示子程序的流程圖如圖4-3所示。4.2.3報警子程序的設(shè)計由于要求要鍵盤設(shè)定閾值，所以要求有報警電路，報警電路可以有聲報警也可有光報警，將設(shè)定的閾值與實時顯示的值進行比較，如果設(shè)定值小于實時顯示的值，則將P1.6置為1，將發(fā)光二極管點亮，或使蜂鳴器發(fā)出聲音。這就需要一段比較程序以及一小段置1清0程序。如圖4-4所示。報警程序的設(shè)計的主要作用是在稱重過程中，為了不損壞電器元件，在稱重超過量程時發(fā)出警報，提醒工作人員注意重物是否超重。從而更好地利用電子秤，減少對秤體的損壞。開始百位是否為5？開始百位是否為5？報警YN結(jié)束圖4-4報警子程序框圖

4.3本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容是對軟件設(shè)計的流程框圖，簡單了解了電子稱在工作當中的軟件程序運行流程。在本章里，分別對主程序設(shè)計、子程序設(shè)計、A/D轉(zhuǎn)換啟動及數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計等進行介紹。結(jié)論1．選擇光電位置傳感器它的精度可達0.2微米，保證設(shè)計出的電子秤測量精度要求。2．選用精度較高的運算放大器AD620，具有功耗低（最大供電電流僅是1..3ma）。組成三運放儀表放大器使測量電路滿足電路放大要求。3．使用MSP430F135單片機完成A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)值運算。4．使用數(shù)碼管顯示出測量結(jié)果。5．設(shè)計電子秤的測量范圍：0—1000g，精度1g。致謝本畢業(yè)設(shè)計在選題及研究過程中得到張福君老師的悉心指導。在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從查閱資料，設(shè)計草案，到中期檢查，以及到后期的詳細設(shè)計及測試的整個過程中張老師都給予了我極大的幫助，在我碰到難題時及時給予指導，使我茅塞頓開，難題迎刃而解，在我懈怠時，及時提醒時間的急迫。我的設(shè)計較為復(fù)雜煩瑣，但是張老師仍然細心地糾正設(shè)計中的錯誤，不厭其煩的幫我解決設(shè)計過程中的一些技術(shù)難題。張老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，在畢業(yè)季指導我完成論文的過程中，老師對教學上的嚴謹已深深感染了我。老師的精心點撥、熱忱鼓勵使我終身難忘。最后，謹以此稚嫩的論文獻給所有在大學四年中關(guān)心和幫助過我的老師、親人、同學、和朋友們。我唯有在以后不斷地努力進取，以學業(yè)和工作的繼續(xù)求索來感謝培育我的母校和所有關(guān)心我的師長、親朋！希望你們都幸福快樂！參考文獻1于麗霞，王福明．一維PSD器件及其在測量中的應(yīng)用．現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(7)：143.2任樹梅，蔣圣平，郝曉劍．用位置敏感器進行位移測試的技術(shù)研究[J].測試技術(shù)學報，2002(02)：151~155.3張秋鄂，張榮，董樺．微細激光焊接中PSD定位方法研究．應(yīng)用激光，2010(4)：15~17.4于光平，李延吉，馮英薦．基于PSD的一維位移測量系統(tǒng)，儀表技術(shù)與傳感器，2008，30（12）：12~15.5許忠寶．位置敏感器件PSD抗干擾方法研究，儀表技術(shù)與傳感器，2000(s)：9~40.曾超，李鋒，徐向東．光電位置傳感器PSD特性及其應(yīng)用，2002年8月，24（4）：15~17.袁峰，丁振良，蔣作民，強錫富，譚定忠．光電位置傳感器及光電位置測量，1994年12月，18（4）：6~8.左涵之，甘若馨．光電位置傳感器測量精度的改進，電子技術(shù)，2010年9月25日，15（6）：9張新，高勇，安濤，王彩琳．PSD光電位置傳感器的實現(xiàn)及SOI結(jié)構(gòu)研究，西安理工大學學報，2005年月30日，13（3）：4.高經(jīng)伍，趙鳳華．PSD傳感器的原理及應(yīng)用，國外電子元器件，2002年8月22日，16（8）：56~11Jeong-GiLee.Do-MyungKimandJin-YoungSuk.Developmentofa3DPositionDeterminationDeviceusingPSDSensor.HouYing-gang.XieYan-gen.Researchof3DSpatialLocalizingSystemBasedonPSDSensor.ShenyangUniversityofTechnologyShenyang.China.JongKyuJung.SeongguKangIntensity.ControlofTriangulationBasedPSDSensorIndependentofObjectColorVariationVOL.11.NO.12.DECEMBER2011.張俊謨．MSP430單片機系列簡介（上），電子世界，2004（1）：22~23.張俊謨．MSP430單片機系列簡介（下），電子世界，2004（2）：37~38.

附錄A英文文獻

附錄B中文翻譯PSD在空間點位置測量的應(yīng)用張欣隋金雪楊麗（學校的信息和電子工程，山東工商學院和技術(shù)學院、煙臺264005,中國）摘要：介紹了一種新型光電PSD（位置敏感探測器）在二維空間、三維空間點光源位置檢測的應(yīng)用，并進行了實驗測量二維空間點光源，根據(jù)點光源建立坐標系,并在水平面上建立x,y方向位移，輸出位移變化導致PSD的變化按照一定的關(guān)系，發(fā)送4組關(guān)于兩套PSD輸出信號處理模塊的電路的輸出，輸出信號后所收集的數(shù)據(jù)采集卡,進行數(shù)據(jù)處理和通過軟件處理點光源二維位置計算。最后分析了在實驗中存在的問題，改進措施以及PSD在應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。關(guān)鍵詞PSD，位置測量，點光源，信號處理1介紹位置敏感PSD是（位置敏感探測器）的英文縮寫，它是一種基于橫向光電效應(yīng)，可提供連續(xù)移動的發(fā)光點在它的光敏面位置，具有測量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，中間廣泛應(yīng)用對象位移和位置檢測[1]，并且在光學位置，角度測量和控制系統(tǒng)，激光光束校準，自動檢測系統(tǒng)范圍內(nèi)，人體運動與分析系統(tǒng)和機器人視覺方面也有應(yīng)用。2PSD測量原理PSD是一種基于橫向光電效應(yīng)的位置敏感傳感器，事實上這是一個大區(qū)域的PN結(jié)，僅僅有一維PSD敏感的兩側(cè)窄邊表面都配備了電極，但是二維PSD四方都配備有電極，當PSD靈敏的表面接收到了部分non-even因子來評價光斑照明，在它的敏感表面建立與光斑位置和與敏感表面平行的橫向電壓。如果在PSD的電極上與外部電路連接，然后將會在兩極形成流動電流，雙刀電流與光斑位置相關(guān)，因此會根據(jù)電流找到光斑的位置。

圖1一維PSD模型像圖1中指出，當入射光在敏感的表面上照亮的某個點，由于橫向電場作用，導致了photon-generated載體在兩端形成了I1和I2兩個電流，它們的和等于輸入。一般PSD表面電阻均勻，從發(fā)光點到R1和R2兩端的電阻遠大于負載電阻RL，那么：在計算之后，先前的形式會改變：由此可見，通過電流I1，I2可以獲得發(fā)光點的位置信息。通過相同的原理，二維PSD可以利用測量坐標位置x、y來確定光斑在互相垂直的方向（測量坐標系），當在PSD前加意象鏡頭，焦距f，可以測量在測量坐標系統(tǒng)中光源的方向仰角：定向角：3二維空間點測量算法

圖2二維坐標系統(tǒng)建立光學系統(tǒng)的坐標測量系統(tǒng)，因為圓柱鏡只能對光的光線起到匯合的作用，在光軸垂直生成線的方向沒有對光線起到匯聚的作用，這樣很容易實現(xiàn)角度的測量。在PSD的有效范圍角度測量領(lǐng)域內(nèi)，電光源S在圓柱形鏡焦點-平面的作用下形成的象是在PSD敏感表面長度方向的垂直光線，假設(shè)在這個光線和PSD圖像敏感表面的幾何中心的間隔點是T，O1、O2是圓柱形鏡的光軸，像點S’的距離T，O2S’可以獲得在SS’和光軸O1O2之間的夾角，例如圖像2顯示，那么θ=arctg（T/f）。θ是PSD測量的點光源S與光軸相反的偏移的角度，符號表示的是電光源的發(fā)光點S與光軸相反的方向。基于測量角度的原理，建立像圖2所示的單獨的點光源二維坐標系，PSD1的幾何中心設(shè)定為坐標O1的原點，PSD2的幾何中心設(shè)定為坐標O2的原點，O1O2的距離是d0，這兩個鏈接設(shè)想是x軸。OO1、OO2分別是關(guān)于兩組光學系統(tǒng)的光軸，包括和x軸的夾角，分別是β1、β2，β1、β2、d0，是載體設(shè)置工作的插入角。在PSD的視角里，點光源S分別通過圓柱形透鏡在兩個PSD的圖像敏感表面生成圖像S1，S2。O1S1,O2S2是像平面中的像點的高度，設(shè)定為T1，T2。S點對應(yīng)的兩條主要射線交x軸于A，B兩點，并且分別包含和光軸OO1，OO2的夾角θθ1、θ2，包含與X軸的夾角α1，α2，A和B之間的距離設(shè)定為d。然后根據(jù)相應(yīng)的幾何關(guān)系可以確定定點S的二維位置。4三維空間點測量算法像圖2所示，兩個二維PSD平行擱置，兩個中心的距離是2L，將兩個透鏡的中點O1，O2的中心點O作為坐標系的原點，使用一種圖像表示法測量坐標系，同時分別采取O1、O2為零點制作坐標系統(tǒng)O1X1Y1Z1和O2X2Y2Z2，同源的軸與X，Y，Z平行，可能是單一的PSD測量坐標?？臻g目標是P，分別用兩個PSD坐標系統(tǒng)測量坐標X'Y'和X"Y"，分別以三個坐標系統(tǒng)（γ1，ψ1，θ1）、（γ2，ψ2，θ2）、（γ3，ψ3，θ3）為目標設(shè)立空間系統(tǒng)，并且：圖3三維坐標系統(tǒng)可以從圖3得到關(guān)系表達式：通過公式(15),(16),(19)，(20)可以提取r1、r2：以公式（21）替換公式（15）（17）（19），將提取γ、ψ、θ：圖4目標位置的三維PSD的調(diào)查像圖4顯示，任何空間坐標系統(tǒng)，己知零點O。X軸方向有兩點A、B，Y軸方向有兩點C、D，空間目標P，那么可能會導致三維坐標系統(tǒng)的目標坐標系：空間坐標系統(tǒng)X軸的單位矢量。三維坐標系統(tǒng)Y軸單位矢量：于是Z軸方向單位矢量：也因為：于是P坐標在三維坐標系統(tǒng)是：5二維空間點位置測量實驗信號調(diào)理電路框圖,像圖5顯示[5]。第一層次實現(xiàn)I/V變換，因為PSD輸出弱低電流，然而輸出阻抗高，因此在放大之前選用低偏差電流、低噪音、高精度運算放大器，也為了提高抗干擾能力，可以采取I/V轉(zhuǎn)換和PSD放置在一起，再放大之前層次選擇OP627，以降低噪聲和消除振動，經(jīng)常及時反饋電阻并聯(lián)小電容，但是可以影響輸入信號的頻帶寬度，因此應(yīng)該注意電容的取值范圍。第二個層次通過二階帶通濾波器(100赫茲)過濾環(huán)境燈光和高頻率噪聲，并且選擇調(diào)制頻率信號去過濾，這個水平為了降低干擾獲得假設(shè)為1。第三層次選擇AD521，采用放大器實現(xiàn)信號交流擴大，降低以下直流增益和直流漂移。最后用AD536水平交流有效值計算，其價值反映被測信號的變化，以及ICL7650斬波放大器，進行微調(diào)直流電流增益。為了提高精度，設(shè)計電線路板時，在ICL7650的輸入管腳IN-和IN+增加了保護圈，減少輸入管腳和鄰近管腳的壓差。計算機控制的數(shù)據(jù)采集卡采集兩組輸入電腦里的四個電壓信號，進行數(shù)據(jù)處理和位置計算。圖5信號處理電路放置兩組PSD及相應(yīng)的光學系統(tǒng)進行工作平臺的開始和結(jié)束，一個發(fā)光二極管的電光源放置在工作平臺的下面，支持300mrn距離工作。LED向上發(fā)出擴散燈光同時照到兩個PSD，按照圖2建立坐標系統(tǒng)，使x和y方向在水平面移動，位移測量范圍是200mm。兩個方向移動桌子的測量精度為0.0lmm，每一次移動x和y方向同時移動l毫米，同時測量200次。根據(jù)x和y位移觀測值，每一個位移觀測值的電腦計算誤差為?Xi和?Yi，x位移方向非線性誤差為15%、y位移方向非線性誤差為0.13%。全部的二維測量系統(tǒng)的合計誤差是。誤差產(chǎn)生的原因和改進的測量方法：（1）圖像源LED的發(fā)光點沒有在LED的球體中心，不理想點光源，因此發(fā)散不均勻的光，在光源移動一定距離后，兩組PSD接收不再變化的信號并且影響測量精度。（2）PSD輸出電流是微安等級，在進行位移計算時，因為大部分的PSD的兩組輸出作為坐標的操作分母，,因此當圖像源位移遠離PSD，接收信號變?nèi)?，位移微小的變化導致了測量結(jié)果的非常大的變化，造成測量誤差。（3）參數(shù)引起的誤差。在位移的計算中，有一些參數(shù)用常數(shù)來計算，在計算中它的值通常得到操作和任命，因此誤差可能在接下來的計算中變得更大，從而影響計算結(jié)果。（4）信號調(diào)理電路的穩(wěn)定性和抗干擾性也會影響檢測結(jié)果。（5）測量系統(tǒng)的主要噪聲源：圖像源激勵電流波動引起的亮度的噪音，在放大之前的輸入噪聲，反饋電阻導入溫度噪聲和圖像制造的電流導入直流的噪聲。針對以上問題，下一步的改進措施：選擇理想的點光源或進行處理當前點光源，例如對LED的發(fā)光球體進行磨削和拋光，增加發(fā)散角、提高一致性和入射光的強度，信號調(diào)理電路的進一步完善，提高了抗干擾能力，提高了電流控制電路在點光源的調(diào)制電路，補償信號波動，合理的設(shè)計數(shù)據(jù)的算法，采用FFT來消除噪聲。6結(jié)論PSD是一種基于橫向光電效應(yīng)的位置敏感傳感器，可以利用發(fā)光點在它的敏感表面照亮的位置進行精確定位。本文分別介紹了一維PSD的測量，二維空間點和二維PSD測量三維空間點算法，并且用測量二維空間點算法來進行實驗研究，并且進行了設(shè)計硬件電路，最后分析了實驗數(shù)據(jù)，整個二維位置測量系統(tǒng)總誤差±3σx=±0.23mm，±3σy=±0.21mm，它證明了PSD在位置測量上是快速的，測量準確，誤差小，利用PSD的這些特征，可在某些即時、高的精確度要求的系統(tǒng)中使用PSD。

致謝注意：本文受到中華人民共和國國家自然科學基金會的支持（60673153）參考文獻【1】J.T.Wallmark。一個新的采用橫向光電效應(yīng)半導體光電管。Proc.IRE.1957,474~183【2】ChelappanNarayanan.用相位檢測多光束位置檢測。IEEE進化計算會刊，儀器分析，尺寸。Dec1994，Vol.43,NO.6:830~836【3】張小芳。利用PSD理論研究三維坐標測量系統(tǒng)。光學技術(shù)[J]。2001,04:362~366【4】陸愛民。實驗法研究了光源對PSD定位精度的影響[J]。激光技術(shù)。2000，03：192~195【5】郭淑麗，李麗君，“PSD信號處理電路的研究結(jié)果”，佳木斯大學日報[J]，vol.18,no.3,pp.291~295,September2000作者傳記張欣：生于1965年，在山東信息與電子工程學校商業(yè)與技術(shù)學院任教師一職，主要從事智能控制與檢測的研究工作。

附錄C整體電路

基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制HYPERLINK"/det