基于單片機(jī)的語音播報電子秤設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第5頁共39頁1引言在生活中我們經(jīng)常需要用秤來測量物體的重量，由于秤在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用十分廣泛，我們對其的設(shè)計(jì)要求就需要操作方便、易于識別。隨著計(jì)量技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)純機(jī)械結(jié)構(gòu)的桿秤、臺秤、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰，電子稱量裝置電子秤、電子天平等以其準(zhǔn)確、快速、方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞。電子秤向提高精度和降低成本方向發(fā)展的趨勢引起了對低成本、高性能模擬信號處理器件需求的增加。1.1稱重技術(shù)的發(fā)展與成果電子稱的發(fā)展過程經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、又粗糙到精密、由機(jī)械到機(jī)電結(jié)合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程[1]。特別是近30年以來，工藝流程中的現(xiàn)場稱重、配料定量稱重、以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測等工作，都離不開能輸出信號的電子衡器。近年來電子稱已愈來愈多地參與到數(shù)據(jù)的處理和控制過程中?，F(xiàn)代稱重技術(shù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝技術(shù)、儲運(yùn)技術(shù)、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)及商業(yè)銷售領(lǐng)域中不可或缺的組成部分。隨著稱重傳感器各項(xiàng)性能的不斷突破[2]，為電子稱的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，國外如美國、西歐等一些國家在20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)了0.1%稱量準(zhǔn)確度的電子稱，并在70年代中期約對75%的機(jī)械稱進(jìn)行了機(jī)電結(jié)合式改造。我國的衡器在20世紀(jì)40年代以前還全是機(jī)械式的，40年代開始發(fā)展了機(jī)電結(jié)合式的衡器，50年代開始出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子衡器，80年代以來，我國通過自行研究引進(jìn)消化吸收和技術(shù)改造，已由傳統(tǒng)的機(jī)械式衡器步入集傳感器、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與一體化的電子衡器發(fā)展階段[3]。隨著稱重傳感器技術(shù)以及超大規(guī)模集成電路和微處理器的進(jìn)一步發(fā)展，電子稱重技術(shù)及其應(yīng)用范圍將更進(jìn)一步的發(fā)展，并被人們越來越重視。根據(jù)近些年來電子稱重技術(shù)和電子衡器的發(fā)展情況及電子衡器市場的需求，電子稱的發(fā)展動向?yàn)椋盒⌒突?、模塊化、智能化、集成化；其技術(shù)性能趨向于速率高、準(zhǔn)確度高、可靠性高；其應(yīng)用性趨向綜合性、組合性[4]。1.2電子秤的組成電子秤的基本結(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)什么原理制成的電了秤均由以下三部分組成[5]：a)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(jī)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(jī)構(gòu)等。b)稱重傳感器即由非電量（質(zhì)量或重量）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它是把支承力變換成電的或其它形式的適合于計(jì)量求值的信號所用的一種輔助手段。按照稱重傳感器的結(jié)構(gòu)型式不同，可以分直接位移傳感器（電容式、電感式、電位計(jì)式、振弦式、空腔諧振器式等）和應(yīng)變傳感器（電阻應(yīng)變式、盧表面諧振式）或是利用磁彈性、壓電和壓阻等物理效應(yīng)的傳感器。對稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應(yīng)，并有良好的線性關(guān)系；有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態(tài)的影響要小；能在較差的工作條件下工作；有較好的頻響特性；穩(wěn)定可靠[6]。c)測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置[7]即處理稱重傳感器信號的電子線路（包括放人器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電流源或電壓源、調(diào)節(jié)器、補(bǔ)嘗元件、保護(hù)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(xí)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(yùn)算、變換、計(jì)數(shù)、寄存、控制和驅(qū)動顯示等環(huán)節(jié)[8]。電子秤的工作原理[9]當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力—電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系(一般成正比關(guān)系)的電信號(電壓或電流等)。此信號由放大電路進(jìn)行放大、經(jīng)濾波后再由A/D器進(jìn)行轉(zhuǎn)換[10]，數(shù)字信號再送到微處器的CPU處理，CPU不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果送到內(nèi)存貯器，需要顯示時，CPU發(fā)出指令，從內(nèi)存貯器中讀出送到顯示器顯示，或送打印機(jī)打印。一般地信號的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換以及信號各種運(yùn)算處理都在儀表中完成[11]。電子秤的計(jì)量性能電子秤的計(jì)量性能涉及的主要技術(shù)指標(biāo)有：量程、分度值、分度數(shù)、準(zhǔn)確度等級等。雖然電容式傳感器有結(jié)構(gòu)簡單和良好動態(tài)特性等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有不利因素：a）小功率、高阻抗。受幾何尺寸限制，電容傳感器的電容量都很小，一般僅幾皮法至幾十皮法。因C太小，故容抗很大，為高阻抗元件，負(fù)載能力差；又因其視在功率，C很小，則P也很小，故易受外界干擾，信號需經(jīng)放大，并采取抗干擾措施。b）初始電容小，電纜電容、線路的雜散電路所構(gòu)成的寄生電容影響很大。方案三電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片即可單獨(dú)作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為△R/R后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的△R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。直流電橋的特點(diǎn)是信號不會受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。應(yīng)變片式傳感器有如下特點(diǎn)：a）應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感器。b）分辨力和靈敏度高，精度較高。c）結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小，對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。通過以上對壓力傳感器的分析與比較，綜合考慮本次設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，選擇方案三。在實(shí)際工作中為確保傳感器線性好、精度高，要求稱重傳感器的有效量程在20%～80%之間，因此購買了最大量程為10千克的電阻應(yīng)變式傳感器，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2.1所示。表2.1壓力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)精度等級(%R.0.)0.02輸入電阻(Ω)410±5輸出靈敏度(mV/V)2.0±0.2輸出電阻(Ω)350±3零點(diǎn)輸出(%R.0.)±2絕緣電阻(MΩ)≥5000非線性(%R.0.)±0.02推薦激勵電壓(V)5—12重復(fù)性(%R.0.)±0.01允許使用溫度范圍(℃)-20—+60滯后(%R.0.)±0.02過載能力(%R.C)150蠕變(%R.0./30min)±0.02電纜線長度(m)四芯Φ4mm×0.45零點(diǎn)溫度漂移(%R.0./10℃0.02推薦秤盤尺寸(mm)250×250額定輸出溫度漂移(%R.0./10℃0.02防護(hù)等級IP65放大電路的設(shè)計(jì)[16]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(jìn)行信號轉(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(yùn)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：a)輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源內(nèi)阻。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會使所測電壓造成偏差。b）抗共模電壓干擾能力強(qiáng)。c）在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準(zhǔn)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。d）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(zhǔn)確的量程切換、極性自動變換等。由于專用儀表放大器芯片內(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。結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的情況，本設(shè)計(jì)采用OP07芯片來設(shè)計(jì)放大電路。采用OP07設(shè)計(jì)的基本放大電路如圖2.2所示，由模電和電路知識可算出OP07輸出端的電壓，計(jì)算過程為：（2.2）（2.3）（2.4）由（2.2）和（2.3）代入（2.4）得（2.5）圖2.2采用OP07設(shè)計(jì)的基本放大電路為滿足實(shí)際情況下所需的放大倍數(shù)需要，由（2.5）可知，可以增大的值，同時也可以在OP07之后繼續(xù)級聯(lián)OP07進(jìn)行對電壓的放大。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇A/D轉(zhuǎn)換部分是整個設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這一部分處理不好，會使得整個設(shè)計(jì)毫無意義。目前，世界上有多種類型的ADC，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型ADC，也有近年來新發(fā)展起來的∑-Δ型和流水線型ADC，多種類型的ADC各有其優(yōu)缺點(diǎn)并能滿足不同的具體應(yīng)用要求。目前，ADC集成電路主要有以下幾種類型：a）并行比較A/D轉(zhuǎn)換器：如ADC0808、ADC0809等。并行比較ADC是現(xiàn)今速度最快的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率在1GSPS以上，通常稱為“閃爍式”ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四種分組成。這種結(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換同時完成，其轉(zhuǎn)換時間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時間延遲等。缺點(diǎn)是：并行比較式A/D轉(zhuǎn)換的抗干擾能力差，由于工藝限制，其分辨率一般不高于8位。b）逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型ADC是應(yīng)用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，這一類型ADC的優(yōu)點(diǎn)：高速，采樣速率可達(dá)1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當(dāng)?shù)?；在分辨率低?2位時，價格較低。缺點(diǎn)：在高于14位分辨率情況下，價格較高；傳感器產(chǎn)生的信號在進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要進(jìn)行調(diào)理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。c）積分型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，是應(yīng)用比較廣泛的一類轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對時鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計(jì)數(shù)器來確定，因此所得到的表達(dá)式與時鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強(qiáng)的抑制能力。若把積分器定時積分的時間取為工頻信號的整數(shù)倍，可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而有效地抑制電網(wǎng)的工頻干擾。這類ADC主要應(yīng)用于低速、精密測量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表。其優(yōu)點(diǎn)是：分辨率高，可達(dá)22位；功耗低、成本低。缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在12位時為100～300SPS。d）壓頻變換型ADC：其優(yōu)點(diǎn)是：精度高、價格較低、功耗較低。缺點(diǎn)是：類似于積分型ADC，其轉(zhuǎn)換速率受到限制，12位時為100～300SPS?？紤]到本系統(tǒng)中對物體重量的測量和使用的場合，精度要求不是很苛刻，轉(zhuǎn)換速率要求也不高，而雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器精度高，具有精確的差分輸入，且雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力，因此本設(shè)計(jì)理想的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)選擇雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。但考慮到實(shí)驗(yàn)室只有并行比較A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0808和ADC0809）的實(shí)際情況，且本設(shè)計(jì)所選擇的壓力傳感器靈敏度較高，所產(chǎn)生的電信號變化也較快，且誤差要求50g，因此本設(shè)計(jì)選用并行比較A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。2.3顯示電路的選擇數(shù)據(jù)顯示是電子秤的一項(xiàng)重要功能，是人機(jī)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將物體質(zhì)量顯示出來。數(shù)據(jù)顯示部分可以有以下兩種方案供選擇：一是LED數(shù)碼管顯示,二是LCD液晶顯示兩種選擇。本設(shè)計(jì)中只要求顯示物體質(zhì)量，因此采用LED數(shù)碼管顯示即可。2.4語音播報功能的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)要求語音播報功能[17]，考慮到電子秤的稱量結(jié)果，語音播報模塊至少需要包含0～9十個數(shù)字、點(diǎn)和單位（千克或者公斤）這些語音量，經(jīng)過查閱相關(guān)資料，本設(shè)計(jì)選擇了深圳市億矽特科技有限公司的電子稱語音芯片SC1010B。

3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1基于AT89C51的主控電路3.1.1AT89C51芯片簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51芯片共有40個引腳，其芯片引腳圖如圖3.1所示。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：128字節(jié)內(nèi)部RAM、32個I/O口線、兩個16位定時/計(jì)數(shù)器、一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)、一個全雙工串行通信口、片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。另外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作，但RAM、定時器、計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存、振蕩器被凍結(jié)、單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。圖3.1AT89C51管腳圖3.1.2單片機(jī)管腳說明a）P0～P3口引線P0：是一個8位漏級開路的雙向I/O通道，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。P2口：是一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”P3口：是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如表3.1所示。表3.1P3口特殊功能P3口引腳第二功能P3.0RXD（串行口輸入）P3.1TXD（串行口輸出）P3.2INT0（外部中斷0輸入）P3.3INT1（外部中斷1輸入）P3.4T0（定時器0外部脈沖輸入）P3.5T1（定時器1外部脈沖輸入）P3.6EQ\X\to(WR)（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7EQ\X\to(RD)（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）b）控制信號線ALE/EQ\x\to(PROG)：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。EQ\X\to(PSEN)：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的EQ\X\to(PSEN)信號將不出現(xiàn)。EQ\X\to(EA)/VPP：當(dāng)EQ\X\to(EA)保持低電平時，CPU只執(zhí)行片外程序存儲器指令；當(dāng)EQ\X\to(EA)端保持高電平時，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器指令。在FLASH編程期間，此引腳也用于接收12V編程電源電壓（VPP）。XTAL1：作為振蕩器倒相放大器的輸入。使用外振蕩器時，需接地。XTAL2：作為振蕩器的倒相放大器的輸出和內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。使用外振蕩器時，接收外振蕩器信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。單片機(jī)復(fù)位以后，P0～P3口輸出高電平，SP指針重新賦值為07H，其他特殊功能寄存器和程序計(jì)數(shù)器PC被清零。3.1.3單片機(jī)最小系統(tǒng)電路構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)由時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路及單片機(jī)構(gòu)成，其電路圖和實(shí)物圖分別如圖3.2和圖3.3所示。單片機(jī)的時鐘信號用來提供單片機(jī)片內(nèi)各種操作的時間基準(zhǔn)，復(fù)位操作則使單片機(jī)的片內(nèi)電路初始化，使單片機(jī)從一種確定的初態(tài)開始運(yùn)行。單片機(jī)的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。圖3.2AT89C51最小系統(tǒng)電路圖圖3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)物模塊3.2數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)3.2.1傳感器參數(shù)的測量與計(jì)算在本設(shè)計(jì)中，傳感器是采集實(shí)際物體重量的元器件，主要把重量的變化轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號，因此需要測量該壓力傳感器的特性曲線。根據(jù)表2.1中傳感器的參數(shù)，將傳感器接入電路，用萬用表測得傳感器的輸入電阻為406Ω，輸出電阻為349Ω，鑒定傳感器正常，可以使用。測試傳感器可以正常使用后，開始測試傳感器的特性曲線，測試方法為：將傳感器接入電路，放上支架，測出此時的空載組織，然后依次增加砝碼測出相應(yīng)的電阻阻值，每次重量的增量為50克，測出該傳感器負(fù)載0～3000克時相對應(yīng)的電阻值，如圖3.4所示。圖3.4傳感器阻值與壓力關(guān)系測試按照上述方法，依次測出傳感器的電阻值，并將數(shù)據(jù)一一記錄，待量程范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)測完后，將數(shù)據(jù)輸入Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，描繪該壓力傳感器的特性曲線，從而得出該壓力傳感器電阻值與其所負(fù)載重量之間的關(guān)系式，從而代入放大采集電路中計(jì)算出A/D采集端口的電壓值，所測數(shù)據(jù)如表3.2所示。表3.2壓力傳感器阻值與負(fù)載重量關(guān)系砝碼質(zhì)量（g）050100150200250300阻值（Ω）352.0352.3352.6352.9353.1353.3353.6砝碼質(zhì)量（g）350400450500550600650阻值（Ω）353.8354.1354.4354.7354.9355.2355.5砝碼質(zhì)量（g）7007508008509009501000阻值（Ω）355.8356.1356.4356.6356.9357.2357.5砝碼質(zhì)量（g）1050110011501200125013001350阻值（Ω）357.8358.0358.3358.5358.7359.0359.3砝碼質(zhì)量（g）1400145015001550160016501700阻值（Ω）359.6359.9360.2360.5360.8361.1361.3砝碼質(zhì)量（g）1750180018501900195020002050阻值（Ω）361.6361.9362.2362.4362.7363.0363.3砝碼質(zhì)量（g）2100215022002250230023502400阻值（Ω）363.5363.8364.1364.4364.6364.9365.2砝碼質(zhì)量（g）2450250025502600265027002750阻值（Ω）365.5365.7366.0366.3366.6366.8367.1砝碼質(zhì)量（g）28002850290029503000阻值（Ω）367.4367.7367.9368.2368.5將以上數(shù)據(jù)輸入Excel中進(jìn)行處理，得出其關(guān)系曲線，如圖3.5所示。圖3.5傳感器阻值與負(fù)載重量關(guān)系圖由圖3.5可知，該傳感器的阻值與負(fù)載質(zhì)量為線性關(guān)系，這就便于放大電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算，并且由此可知A/D采集端的電壓與傳感器負(fù)載重量W也成線性關(guān)系。3.2.2放大電路通過對傳感器阻值特性的測試，由表3.2可知在本設(shè)計(jì)量程以及誤差范圍內(nèi)，該傳感器的阻值變化較小，因此對于放大電路的設(shè)計(jì)要求較高。在Proteus的仿真中發(fā)現(xiàn)電壓變化為百分位級別，因此放大電路的增益應(yīng)設(shè)置為放大100倍，為保證電路的穩(wěn)定性，在圖2.2的基礎(chǔ)上采用級聯(lián)OP07的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)放大電路，OP07的管腳圖如圖3.6所示，所設(shè)計(jì)的放大電路如圖3.7所示。圖3.6OP07管腳圖圖3.7放大電路由圖3.7可知：（3.1）（3.2）（3.3）由計(jì)算可知，此電路可以達(dá)到放大100倍的效果，在Ptoteus中的仿真結(jié)果如圖3.8所示。圖3.8放大電路的仿真3.2.3A/D轉(zhuǎn)換與AT89CADC0809是多通道8位A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置多路模擬開關(guān)及通道地址譯碼，能對多路模擬信號進(jìn)行分是采集與轉(zhuǎn)換。ADC0809的管腳圖圖如圖3.9所示。圖3.9ADC0809管腳圖其中IN0～I(xiàn)N7為8路模擬信號輸入端，D0～D7為數(shù)據(jù)輸出端，ADDA、ADDB、ADDC為地址碼輸入端，ALE為地址鎖存信號輸入端，上升沿有效。ADC0809與單片機(jī)接口電路連接如圖3.10所示。圖3.10ADC0809與單片機(jī)接口電路由于實(shí)驗(yàn)室缺少或非門，因此在硬件搭設(shè)中采用或門和非門，實(shí)物中該模塊如圖3.11所示。圖3.11ADC0809與單片機(jī)接口硬件電路3.2.4測量算法根據(jù)圖3.8所示的放大電路，分別改變壓力傳感器的阻值，得出放大電路輸出電壓隨壓力傳感器阻值R改變的相應(yīng)數(shù)值，由于壓力傳感器阻值與其所負(fù)載的重量有關(guān)，因而可以推出與壓力傳感器負(fù)載的重量之間的關(guān)系，所測得的數(shù)據(jù)如表3.3所示。表3.3放大電路輸出電壓與負(fù)載量關(guān)系表負(fù)載量（g）050100150200250300輸出電壓（V）0.850.931.001.071.151.221.30負(fù)載量（g）350400450500550600650輸出電壓（V）1.341.391.441.521.591.661.71負(fù)載量（g）7007508008509009501000輸出電壓（V）1.791.861.932.012.052.132.20負(fù)載量（g）1050110011501200125013001350輸出電壓（V）2.272.352.392.472.542.612.69負(fù)載量（g）1400145015001550160016501700輸出電壓（V）2.762.832.902.973.043.113.19將以上數(shù)據(jù)輸入Excel中進(jìn)行處理，得出其關(guān)系曲線，如圖3.12所示。圖3.12負(fù)載與輸出電壓關(guān)系曲線圖由圖3.12可知壓力傳感器負(fù)載重量與放大電路輸出電壓（A/D數(shù)據(jù)輸入端）成線性關(guān)系，可求出其關(guān)系式。ADC0809將采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)A/D模塊采集到的電壓量，經(jīng)過換算可以求出壓力傳感器負(fù)載重量，從而本設(shè)計(jì)的得以實(shí)現(xiàn)。3.3顯示電路的設(shè)計(jì)在2.3的顯示電路論證中，采取了LED數(shù)碼管顯示的方法。因此本設(shè)計(jì)選用了共陽極四聯(lián)數(shù)碼管SM410564，其管腳圖如圖3.13所示。圖3.13SMA410564管腳圖在實(shí)際電路中，數(shù)碼管顯示需要ULN2003驅(qū)動，數(shù)據(jù)顯示模塊的實(shí)物圖如圖3.14所示。圖3.14顯示模塊實(shí)物圖3.4語音播報電路本設(shè)計(jì)中對于語音模塊的要求是報出數(shù)碼管顯示的數(shù)值及單位，采用了電子稱語音芯片SC1010B。SC1010B是深圳市億矽特科技有限公司最新開發(fā)的語音電子稱的新型語音芯片，采用臺灣最新語音母體，真人語音報數(shù)，外圍元件少，電路簡單，控制方便，成本低。主要應(yīng)用于語音電子秤、計(jì)重秤等語音衡器。其管腳圖如圖3.15所示。圖3.15SC1010B管腳圖引腳功能表3.4SC1010B引腳功能表腳號名稱功能1RST脈沖計(jì)數(shù)復(fù)位2CNT脈沖觸發(fā)信號3BUSY工作狀態(tài)反饋4IONC5VSS電源負(fù)6PWM1NC7VDD電源正8PWM2/DACDAC信號輸出原理圖SC1010B語音芯片工作電壓在2.4V～3.6V之間，靜態(tài)電流Isb≤5μA，工作電流Iop為2mA，工作溫度在-0℃～＋70℃之間，音頻輸出方式為PWM（DA）綜上所述，在該電路中所需電壓設(shè)定為3V（兩節(jié)干電池），并在輸出端口需連接一個揚(yáng)聲器，其原理圖如圖3.16所示，模塊實(shí)物圖如圖3.17所示。圖3.16語音模塊電路圖圖3.17語音模塊實(shí)物圖芯片語音內(nèi)容在本設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)語音播報所測物體質(zhì)量的功能，語音芯片應(yīng)至少提供0～9十個數(shù)字的語音、“點(diǎn)”的語音以及質(zhì)量單位的語音，SC1010B語音芯片所包含的語音內(nèi)容如表3.5所示。表3.5SC1010B語音芯片語音內(nèi)容地址語音內(nèi)容地址語音內(nèi)容0無14千2015點(diǎn)3116元4217角5318分6419單價7520公斤8621金額9722重量10823總計(jì)11924您好12十25謝謝13百根據(jù)表3.5所示的語音內(nèi)容，確定本設(shè)計(jì)選用的單位為公斤，設(shè)定語音播報形式為“您好！X.XXX公斤”（X代表具體數(shù)值）。

4電子秤電路的軟件仿真設(shè)計(jì)4.1仿真流程圖本設(shè)計(jì)全部控制程序大體可分為若干模塊：定時器T0啟動程序、A/D采樣程序、LED數(shù)碼管顯示程序、語音播報程序等。主要流程圖如圖4.1所示。圖4.1主程序流程圖4.2程序介紹主程序voidmain(){……SC_DATA=0;SC_RST=1;delay_us(100);//上電復(fù)位防止干擾發(fā)聲芯片放音SC_RST=0;delay_us(100);sp[0]=0;sp[1]=0;sp[2]=0;sp[3]=0;sp[4]=0;sp[5]=0;sp[6]=0;//將各語音位置于0地址位while(1){if(flag){flag=0;samp();}//采樣標(biāo)準(zhǔn)為1時，調(diào)用采樣函數(shù)進(jìn)行采樣DisplaySecond(s,b);//顯示數(shù)值 sp[0]=24;//“您好”地址 sp[1]=g+2;//個位地址 sp[2]=15;//“點(diǎn)”地址 sp[3]=s+2;//十分位地址 sp[4]=b+2;//百分位地址 sp[5]=u+2;//千分位地址 sp[6]=20;//“公斤”地址 SC_Speechs();//組合24,g+2,15,s+2,b+2,u+2,20地址段放音 delay_ms(5000);//延時放音時間5秒}}A/D采樣程序voidsamp(){unsignedintc;XBYTE[0x7FF8]=0;//進(jìn)行一個寫操作，啟動A/D轉(zhuǎn)換delay();a=XBYTE[0x7FF8];//將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存為變量aresult=a*5/256;//將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果換算成十進(jìn)制數(shù)if(result<=0.85){W=0;}//進(jìn)行軟件調(diào)零 elseif(result>0.85){W=741.93*result-636.94;} //把電壓轉(zhuǎn)換為重量（單位g）c=W;g=c/1000;//顯示重量的千位s=c%1000/100;//顯示重量的百位b=c%100/10;//重量的十位u=c%10;//重量的個位 }數(shù)碼管顯示程序?qū)/D采集轉(zhuǎn)換的量逐位顯示。voidDisplaySecond(unsignedchars,b){P2=0xfe;//數(shù)碼管1亮P1=Tab1[g]+0x80;//顯示重量的個位和小數(shù)點(diǎn)delay();P2=0xff;P2=0xfD;//數(shù)碼管2亮P1=Tab1[s];//顯示重量的十分位delay();P2=0xff;P2=0xfb;//數(shù)碼管3亮P1=Tab1[b];//顯示重量的百分位delay();P2=0xff;P2=0xf7;//數(shù)碼管4亮P1=Tab1[u];//顯示千分位delay();P2=0xff;}語音播報程序控制地址段放音部分為：voidSC_Speech(unsignedcharcnt){unsignedchari;SC_RST=1;delay_us(100);//DAC,大于32段為15MSSC_RST=0;delay_us(100);for(i=0;i<cnt;i++){SC_DATA=1;//數(shù)據(jù)脈沖高delay_us(100);//延時100USSC_DATA=0;//數(shù)據(jù)脈沖低delay_us(100);//延時100US}}控制地址段組合放音部分為：voidSC_Speechs(void){SC_Speech(sp[0]);//播放第一位語音“您好” SC_WBusy(); SC_Speech(sp[1]);//播放第二位語音，個位 SC_WBusy(); SC_Speech(sp[2]);//播放第三位語音，“點(diǎn)” SC_WBusy();SC_Speech(sp[3]);//播放第四位語音，十分位 SC_WBusy(); SC_Speech(sp[4]);//播放第五位語音，百分位 SC_WBusy(); SC_Speech(sp[5]);//播放第六位語音，千分位 SC_WBusy(); SC_Speech(sp[6]);//播放第七位語音“公斤” SC_WBusy(); sp[0]=0;sp[1]=0;sp[2]=0;sp[3]=0; sp[4]=0;sp[5]=0;sp[6]=0;//播放完畢后將各位置于無語音播放的0地址位}4.3軟件的編譯在對系統(tǒng)整個軟件程序的編寫完成后，在KeiluVision2中進(jìn)行編譯調(diào)試，經(jīng)過程序糾錯后的編輯結(jié)果如圖4.1所示。圖4.1軟件編譯結(jié)果

5系統(tǒng)的整體調(diào)試5.1軟件仿真實(shí)物模型制作之前電子秤系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真由Proteus軟件完成的，通過與KeiluVision2的聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的仿真。仿真時通過改變接入電阻的阻值來模擬負(fù)載的變化。當(dāng)負(fù)載為1500g（接入電阻為360.4Ω）和2000克（接入電阻為363.0Ω）時的仿真結(jié)果分別如圖5.1和圖5.2所示。圖5.1負(fù)載1500g時的仿真結(jié)果圖5.2負(fù)載2000g時的仿真結(jié)果5.2硬件電路的調(diào)試采集放大電路的調(diào)試由于實(shí)際電路與軟件仿真結(jié)果可能存在的誤差，因此對于采集放大電路的調(diào)試顯得十分重要，需要驗(yàn)證放大電路輸出電壓與壓力傳感器電阻阻值之間的關(guān)系。通過對硬件電路的調(diào)試發(fā)現(xiàn)輸出電壓與仿真結(jié)果有較大誤差，因此需調(diào)節(jié)放大電路。經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，可以調(diào)整圖3.7中所示放大電路中R1的阻值來完善電路，最終實(shí)際電路中R1采用阻值為2.2K的電阻。對采集電路的調(diào)試如圖5.3所示，測得的結(jié)果如表5.1所示。圖5.3放大電路的硬件測試表5.1實(shí)際硬件電路采集電壓與負(fù)載關(guān)系表負(fù)載重量（g）06001200180024003000輸出電壓（V）3.5743.5953.6163.6373.6583.680將表5.1數(shù)據(jù)輸入Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出關(guān)系曲線，如圖5.4所示。由此可以分析出，完善實(shí)際電路后提高了本設(shè)計(jì)的精度，將實(shí)際測得的負(fù)載重量與輸出電壓的關(guān)系式代替原程序中的電壓質(zhì)量轉(zhuǎn)換函數(shù)即可完成設(shè)計(jì)。圖5.4負(fù)載重量與輸出電壓關(guān)系曲線圖語音報數(shù)模塊的調(diào)試在測試語音模塊時，編寫了調(diào)用芯片所有地址位發(fā)音的程序進(jìn)行測試，如圖5.5所示，測試結(jié)果正常。圖5.5語音模塊測試圖系統(tǒng)整體測試在對硬件電路分模塊測試結(jié)束后，對系統(tǒng)整體測試。將修改后的程序重新進(jìn)行編譯