智能電子秤課程設(shè)計報告

單片機課程〔設(shè)計〕〔設(shè)計目〕題：智能電子秤學(xué)院：明德學(xué)院專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化班級：機電12151學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：2015年6月20日貴州大學(xué)單片機課程〔設(shè)計〕誠信責(zé)任書本人鄭重聲明：本人所呈交的課程設(shè)計，是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下獨立進行研究所完成。在文本設(shè)計中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。特此聲明。課程〔設(shè)計〕作者簽名：日期：智能電子稱摘要現(xiàn)代社會隨著人們生活水平的提高，人們對自己的身體健康越來越關(guān)注，而體重又是衡量身體健康與否的一個重要標準，因此用一臺體重計定期測量自己的體重是很必要的。傳統(tǒng)的體重秤是儀表形式的，不僅測量的誤差比擬大，而且讀數(shù)很不方便，體積上會占用更多的空間。因此一款便攜，易操作，測量精度高的體重秤就很能滿足人們的需求。本文以松翰SN8P1937單片機為核心，基于Auto-Run功能，當待測重量到達體重秤的開機重量時便開始稱重，不像以前的體重秤要用腳踩腳踏開關(guān)才能開始稱重。該單片機內(nèi)部集成了16位的AD轉(zhuǎn)換功能，可編程增益放大器，液晶驅(qū)動等豐富的片內(nèi)資源。該系統(tǒng)只有在稱重的時候在正常模式工作，此時會翻開硬件資源，其他時間都工作在綠色模式，綠色模式芯片的電流只有幾個微安，因此，該款體重秤非常省電，有很好的實用性和環(huán)保性。該設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大局部。硬件設(shè)計局部分為：LCD顯示局部，壓力信號采集與轉(zhuǎn)變，EEPROM，低電壓檢測模塊和局部按鍵。由于壓力傳感器的輸出信號是非線性的，所以如果利用線性的處理方法有很大誤差，使測量結(jié)果不準。因此采用分段線性的方法完成AD轉(zhuǎn)換局部和放大電路局部的設(shè)計。軟件局部先完成各個模塊的底層驅(qū)動，然后完成應(yīng)用層的設(shè)計，最終使系統(tǒng)到達預(yù)期的結(jié)果。關(guān)鍵詞：體重秤，SN8P1937，Auto-Run功能，壓力傳感器IntelligentelectronicAbstractModernsociety,aspeople'slivingstandardsimproved,peoplebecomeincreasinglyconcernedabouttheirhealth,asweightisanimportantfactorwhetherhealthyornot.Itisimportantforpeopletouseascalestomeasuretheirweight.Thetraditionalformofinstrumentscalesarenotonlyrelativelylargemeasurementerrors,butalsonoteasyreading，andvolumeofthescaleswilltakeupmorespace.Soaportable,easyoperating,highprecisionscales,clearlymeettheneedsofthepeople.Inthispaper,SonixSN8P1937MCUcore,basedonAuto-Runfeature,itworkswhenweighttestedreachestheminimumoftheweighingscales,unlikethepreviousofweighingscalesusefootpedaltobegincounting.TheMCUintegratesa16-bitADconversion,programmablegainamplifiers,LCDdriverrichon-chipresourcesandsoon.Thesystemonlyweighingwheninnormalmode,openthehardwareresources,theothertimeworkinginthegreenmode,greenmodeonlycostafewmicroampsofcurrent,sothiskindofweighingscalesisverypowersavingsandhaveagoodpracticalandenvironmentalprotection.Thedesignisdividedintotwoparts,hardwaredesignandsoftwaredesign.Thepartofhardwaredesignisdividedinto:LCDdisplaypart,thepressuresignalacquisitionandchange,EEPROM,lowvoltagedetectionmoduleandsomebuttons.Asthepressuresensoroutputsignalisnonlinear,soifthelinearapproachwillcauseerror.ThemethodusedpiecewiselineartocompletethepartofADconversionpartandthedesignofamplifiercircuit.Atfirst,softwarepartcompletethebottomdriverofeachmodule,andthencompletethedesignofapplicationlayer,eventuallythesystemtoachievethedesiredresults.KEYWORDS:WeighingScale,SN8P1973,Auto-RunFunction,PressureSensor目錄誠信責(zé)任書II摘要IIIAbstractIV1緒論11.1引言11.2稱重技術(shù)和衡器的現(xiàn)狀和開展趨勢21.3體重秤的研究現(xiàn)狀和開展趨勢31.4課題提出的背景和意義41.5課題的主要工作及論文結(jié)構(gòu)安排42體重秤功能與操作方法62.1體重秤的功能62.1.1稱重62.1.2零點校正62.1.3分段校正72.1.4增益設(shè)置72.1.5AD采樣速率設(shè)置72.1.6AD參考電壓設(shè)置72.1.7LCD參數(shù)設(shè)置72.2體重秤的操作72.3本章小結(jié)83系統(tǒng)總體設(shè)計93.1系統(tǒng)方案選擇93.2單片機選擇113.3傳感器選擇15顯示器件選擇18本章小結(jié)184系統(tǒng)硬件設(shè)計194.1單片機外圍硬件電路設(shè)計194.2傳感器電路204.3液晶驅(qū)動電路設(shè)計214.4鍵盤電路設(shè)計234.5EEPROM外圍電路設(shè)計244.6通道轉(zhuǎn)換和自動增益電路264.7電池低電壓檢測電路274.8AD外圍電路設(shè)計294.9系統(tǒng)總體電路圖31315系統(tǒng)軟件設(shè)計325.1系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)設(shè)計325.1.1底層驅(qū)動層325.1.2介面層335.1.3應(yīng)用層335.2單片機模式切換335.3系統(tǒng)主程序設(shè)計345.4LCD驅(qū)動子程序的設(shè)計35365.6AD子程序的設(shè)計375.7鍵盤掃描子程序的設(shè)計385.8數(shù)據(jù)處理子程序設(shè)計395.9初始化找平衡程序414343466總結(jié)47致謝48參考文獻49附錄總體硬件電路圖501緒論隨著時代科技的迅猛開展，微電子學(xué)和計算機等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。常規(guī)的測試儀器儀表和控制裝置被更先進的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在遠離、功能、精度及自動化水平定方面發(fā)生了巨大變化，并相應(yīng)的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)，使得科學(xué)實驗和應(yīng)用工程的自動化程度得以顯著提高。作為體重測量儀器，電子體重秤以其測量的準確性和高速性開始逐漸取代傳統(tǒng)的儀表體重秤，成為測量體重領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。1.1引言重量是測量領(lǐng)域中的一個重要參數(shù)，稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視。公元前，人們?yōu)榱藢ω浳锝粨Q量進行估計，起初采用木材或陶土制作的容器對交換貨物進行計量。以后，又采用簡單的秤來測定質(zhì)量。據(jù)考證，世界上最古老的計量器具出土于中東和埃及，最古老的衡器和砝碼出自于埃及。秤是最普遍、最普及的計量設(shè)備，電子秤取代機械秤是科學(xué)技術(shù)開展的必然規(guī)律。低本錢、高智能化的電子秤無疑具有極其廣闊的市場前景。現(xiàn)在能源危機越來越嚴重，節(jié)能問題越來越被別人關(guān)注，功耗越低就越受歡送?，F(xiàn)在電子產(chǎn)品越來也多，給人們的生活提供很多方便，體重秤作為電子秤的一個分支在人們的日常生活中扮演著越來越不可或缺的角色。體積小，易操作，易讀數(shù)，測量精度高，耗電低的體重秤肯定會更加受到人們的青睞。本設(shè)計就是滿足上面需求的一種體重秤，采用16位的AD轉(zhuǎn)換，使得測量精度更高；整個秤體積很小，方便攜帶；采用液晶顯示方便使用者讀數(shù)；通過按鍵可以切換單位；系統(tǒng)上電后就運行在綠色模式下，內(nèi)部的高速時鐘關(guān)閉，所有的硬件資源也關(guān)閉，這樣電流只有5uA左右，非常省電。系統(tǒng)每隔1s從綠色模式喚醒一次，當系統(tǒng)檢測到重物的重量到達開機重量后便開始進入正常工作模式工作，這樣不僅很省電而且其自動開機功能讓操作簡化。1.2稱重技術(shù)和衡器的現(xiàn)狀和開展趨勢衡器是通過作用于被測量物體的重力來確定該物體質(zhì)量的計量器具。在整個衡器的開展過程中，先后主要出現(xiàn)了六種類型的衡器：架盤天平、不等臂平臺秤、吊車秤、傾斜象限桿秤、彈簧秤和自動秤。其中，不等臂平臺秤〔“十進秤”〕是當今動態(tài)軌道衡的鼻祖，至今它仍是最通用的一種秤。50年代中期電子技術(shù)的滲入推動了衡器制造業(yè)的開展。60年代初期出現(xiàn)機電結(jié)合式電子衡器以來，經(jīng)過40多年的不斷改良與完善，我國電子衡器從最初的機電結(jié)合型開展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。我國電子衡器的技術(shù)裝備和檢測試驗手段根本到達國際90年代中期的水平。電子衡器制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新開展。電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重開展：計量方法從模擬測量向數(shù)字測量開展；測量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量開展，特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應(yīng)用。但就總體而言，我國電子衡器產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)興旺國家相比還有較大差距，其主要差距是技術(shù)與工藝不夠先進、工藝裝備與測試儀表老化、開發(fā)能力缺乏、產(chǎn)品的品種規(guī)格較少、功能不全、穩(wěn)定性和可靠性較差等。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的開展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子衡器總的開展趨勢是小型化、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。我國的電子衡器要打入國際市場。參與國際競爭。就必須執(zhí)行國際法制計量組織制定的國際建議并要有國際水平的技術(shù)與裝備、有國際水平的質(zhì)量。這就要求企業(yè)以技術(shù)為先導(dǎo)、以質(zhì)量為中心、以管理為根底，努力提高制造技術(shù)與制造工藝水平，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。增強國際市場競爭能力。1.3體重秤的研究現(xiàn)狀和開展趨勢體重是人體健康的一個重要指標，所以人們對體重秤的要求也越來越高，從傳統(tǒng)的杠桿式到現(xiàn)在的高精度，易操作體重秤，體重秤正在隨著人們的需求不斷更新?，F(xiàn)在我們可以見到的體重秤有指針式的，和用LCD顯示的。隨著人們對精度和測量速度的要求，電子體重秤有廣闊的前景。目前市面上的體重秤做到了占用空間少，操作方便，測量精度高等根本的測量功能，但是集多功能為一體的體重秤將會是未來開展的一個趨勢。智能化和多功能化是體重秤開展的主要方向。各種新技術(shù)、新器件、新理論的出現(xiàn)和計算機網(wǎng)絡(luò)的飛速開展，必將給體重秤的開展和應(yīng)用提供廣闊的天地。目前應(yīng)用比擬廣泛、技術(shù)比擬成熟的智能化電子秤已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，該系統(tǒng)已經(jīng)能夠集體重測量，身高測量，與PC機通信及數(shù)據(jù)分析等功能于一體。隨著今后技術(shù)的開展，智能化的普及以及系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷增加，體重秤一定會有越來越廣泛的開展前景?？梢酝ㄟ^更多的傳感器測量人體的血壓，脂肪，體重，身高等。并通過串口通信與PC機進行通信，通過PC機將接收到得數(shù)據(jù)進行分析和比擬，然后結(jié)合一些醫(yī)學(xué)常識可以做一個專家系統(tǒng)。將你自身的數(shù)據(jù)進行分析，經(jīng)過專家系統(tǒng)分析后反響給用戶他自身的狀況，提醒他應(yīng)該注意的事項。這樣就可以自己在家里對自己的身體進行實施監(jiān)控。隨時關(guān)注自己身體健康。特別是對有老人的家庭，這樣的系統(tǒng)更是必不可少。在我國，集多能于一體的體重秤還并沒大量普及?？梢灶A(yù)見，多功能，智能化體重秤技術(shù)必將隨著我國相關(guān)技術(shù)的開展而逐步完善和成熟，廣泛地使用在家庭生活中，將會為提高我國的人民的身體素質(zhì)及延長平均壽命做出巨大奉獻。[1]1.4課題提出的背景和意義在歐洲國家，人們很注意自己的健康狀況，體重秤成了每家必備的工具，人們可以搭配自己的飲食結(jié)構(gòu)，使其更加的合理。隨著我國經(jīng)濟的開展，人民生活水平的提高，人們也開始注意自己的飲食結(jié)構(gòu)和生活質(zhì)量，我國市場對各種各樣的電子秤的需求也越來越旺盛，但是我國體重秤產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)興旺國家相比還有較大差距，產(chǎn)品的品種規(guī)格較少、功能不全、穩(wěn)定性和可靠性較差等問題一直困擾著我們，針對如此強大的市場需求，對體重秤的深入研究成了一種開展趨勢。而目前市場上的體重秤采用的是指針式的顯示方式，測量不準確，精度不夠高，只能給出模糊的測量結(jié)果，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性能也很差而且系統(tǒng)的功耗高，不利于節(jié)能環(huán)保。當然也有一些高檔的體重秤，采用LCD顯示，轉(zhuǎn)換精度也很高，系統(tǒng)的各項性能和功能也很優(yōu)越，但是價格又很高，所以就需要設(shè)計一款高精度低本錢，高性價比的體重秤，本文就是基于此目的，以普通稱重系統(tǒng)為例，設(shè)計出了一款最大稱重150KG，最小起秤重量2KG，低功耗，高可靠性的體重秤。1.5課題的主要工作及論文結(jié)構(gòu)安排體重秤主要從系統(tǒng)的整體設(shè)計、方案選擇和各模塊的軟硬件實現(xiàn)來說明。在系統(tǒng)的整體設(shè)計和方案選擇中對系統(tǒng)選用的各種芯片進行了說明，主控芯片選用的是SONIX公司的SN8P1937芯片，該芯片帶有一個內(nèi)部的16bitAD轉(zhuǎn)換器、一個可編程增益放大器、一個多路開關(guān)、內(nèi)置的溫度檢測電路和低電壓檢測電路，所以硬件的設(shè)計變的非常的簡單，EEPROM選用的是ATMEL公司的AT24C02。在各個模塊電路的實現(xiàn)中，軟件設(shè)計是本次設(shè)計的重點。論文結(jié)構(gòu)安排如下：第一章為緒論，主要介紹課題的背景，分析了體重秤的意義和需求，體重秤的開展現(xiàn)狀，并依此總結(jié)了提出本課題的必要性和以后的工作安排。第二章對體重秤功能進行講解，主要對它具有的功能和它的操作過程進行了詳細的描述。第三章為系統(tǒng)總體方案的設(shè)計，它主要從系統(tǒng)方案選擇，單片機選擇以及傳感器的選擇對系統(tǒng)的設(shè)計方案進行確定。第四章為系統(tǒng)的硬件設(shè)計局部，首先講述了SN8P1937的外部電路，由于SN8P1937具有強大的片內(nèi)外設(shè)，所以在硬件設(shè)計的時候只需要按著該芯片的外部電路的要求進行設(shè)計即可，其次對各外設(shè)電路進行了設(shè)計，如鍵盤電路、EEPROM電路。第五章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計局部，這局部是整個系統(tǒng)的重點，由于主控芯片SN8P1937的選擇使得整個系統(tǒng)的硬件電路變的簡單同時它的軟件設(shè)計就變的復(fù)雜，這局部主要分為LCD驅(qū)動程序的設(shè)計、鍵盤子程序的設(shè)計、AD子程序的設(shè)計、電池低壓檢測子程序的設(shè)計、校機子程序，初始化找平衡子程序和數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計。第六章為總結(jié)。對全文做了總結(jié)，講述了該系統(tǒng)最終實現(xiàn)的功能。2體重秤功能描述與操作方法2.1體重秤的功能本系統(tǒng)是基于松翰1937單片機設(shè)計的，該單片機有豐富的片內(nèi)資源，在下一章中將會詳細介紹。該單片機有四種工作模式：正常模式，綠色模式，低速模式，睡眠模式。綠色模式是一個低功耗模式。在綠色模式下，只有定時器可以繼續(xù)工作，其他的硬件資源都已經(jīng)停止工作，外部高速/內(nèi)部低速振蕩器仍在工作，芯片工作電流降低至5uA〔3V〕，可通過設(shè)定T0來確定系統(tǒng)的喚醒時間，也可以由P0/P1的電平觸發(fā)信號立即喚醒。在本系統(tǒng)中，采用T0來喚醒，喚醒的時間間隔為1s。系統(tǒng)上電之后便工作在綠色模式下，每1s喚醒一次，進入正常工作模式，檢測待測重物的重量是否到達開機重量〔5kg〕，如果沒有到那么繼續(xù)進入綠色模式。當重物的重量到達5kg的時候，系統(tǒng)進入到正常工作模式，此時硬件資源可以正常工作。該體重秤系統(tǒng)具有自動開機功能，而且功耗低很低?？蓽y量的最大重量為150kg，最小測量重量為2kg。當電池電壓低于單片機工作電壓或待測物體重量超量程的時候系統(tǒng)會報警，提醒用戶。在本次設(shè)計中，體重秤的性能可以從以下幾局部說明。稱重體重秤在檢測到有壓力信號的時候自動開機，在應(yīng)變片上將重物產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號，送到AD轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，最后將人體的體重顯示在液晶屏上。零點校正體重秤在每次開機的時候，會讀取當前狀態(tài)的AD轉(zhuǎn)換的值，并同時將該值記錄為零點的AD值，本次開機的測量均是以此為基準。分段校正由于傳感器的傳輸曲線不是線性的，而是呈現(xiàn)出拋物線的特性，為了保證稱重的精度要求，就需要對該傳輸曲線進行分段線性，使其與傳感器的傳輸曲線到達更好的擬合。增益設(shè)置在稱重的過程中可以根據(jù)待測物的重量，改變可編程增益放大器的放大倍數(shù)。來到達準確測量。2.1.5AD采樣速率設(shè)置根據(jù)采樣定理，為了消除混疊干擾，采樣速率最小為2倍的信號的速率，以不同的速率采樣信號，可以濾除不同頻率的雜波，所以可以根據(jù)實際應(yīng)用的情況選擇適當?shù)牟蓸铀俾?，使信號更加準確的被轉(zhuǎn)換。2.1.6AD參考電壓設(shè)置不同的傳感器需要不同的參考電壓，為了增強系統(tǒng)的可擴展性，使系統(tǒng)適應(yīng)不同的傳感器，可以設(shè)置AD的參考電壓的值。LCD參數(shù)設(shè)置LCD的偏壓選擇、驅(qū)動的輸出時鐘速率和時鐘源也是可以控制的，對不同的LCD可以選擇相應(yīng)的偏壓和驅(qū)動時鐘速率，使得系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的LCD屏，增強了系統(tǒng)的可擴展性。2.2體重秤的操作以上介紹了體重秤的根本功能，下面介紹體重秤的操作過程，為以后的軟件提供參考:(a)當有負載時體重秤會自動開機，開機即可稱重。(b)當稱重數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，重量會閃爍3次后鎖定，此時數(shù)據(jù)為有效讀數(shù)。(c)稱重穩(wěn)定后不會自動解鎖，重量保持顯示6秒后關(guān)機，要重復(fù)稱重必須在約6秒內(nèi)離秤后在繼續(xù)，每次稱重結(jié)束會抓取零點。(d)系統(tǒng)上電顯示零點的內(nèi)碼值。(e)切換單位的I/O口，電平變化，抓取穩(wěn)定的零點，然后進入50KG校正點。顯示50KG閃爍。(f)當內(nèi)碼較零點內(nèi)碼超出3000后，那么顯示由50KG閃爍切換到內(nèi)碼顯示。穩(wěn)定后進入100KG校正點。顯示100KG閃爍。(g)當內(nèi)碼較50KG穩(wěn)定點的內(nèi)碼超出3000后，那么顯示由100KG閃爍切換到內(nèi)碼顯示。穩(wěn)定后進入150KG校正點。顯示150KG閃爍。(h)當內(nèi)碼較100KG穩(wěn)定點的內(nèi)碼超出3000后，那么顯示由150KG閃爍切換到內(nèi)碼顯示。穩(wěn)定后寫入EEPROM，然后提示PASS后進入正常稱重模式。2.3本章小結(jié)本章主要介紹了體重秤的功能和操作方法，軟件操作將上述功能通過軟件的方式描述出來，再加上一些外圍電路便可以實現(xiàn)上述功能。3系統(tǒng)總體設(shè)計3.1系統(tǒng)方案選擇體重秤的應(yīng)用系統(tǒng)是由硬件和軟件所組成，硬件是指單片機、擴展的存儲器、輸入輸出設(shè)備等；軟件局部是各種工作程序的總稱。硬件和軟件只有緊密結(jié)合、協(xié)調(diào)一致才能提高系統(tǒng)的性能價格比。設(shè)計硬件的時候應(yīng)該考慮軟件的設(shè)計方法，而軟件的設(shè)計方法是根據(jù)硬件原理和系統(tǒng)的功能要求進行的。按照設(shè)計的根本要求，系統(tǒng)可分為三大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊，控制器模塊，人機交互界面模塊。數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、信號的前級處理和AD轉(zhuǎn)換局部組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送給控制器處理，由控制器完成對數(shù)字量的處理。驅(qū)動顯示模塊和鍵盤完成人機間的信息交換。在系統(tǒng)設(shè)計時，針對各個模塊的功能來設(shè)計體重秤的方案有以下幾種：方案一：此方案是最簡單的設(shè)計方案，將壓力傳感器的壓力信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換送入單片機，單片機對信號處理后送去顯示。結(jié)構(gòu)原理圖為：圖3-1方案一的結(jié)構(gòu)原理圖此方案就是最根本的數(shù)據(jù)采集，簡單可行。可以利用單片機內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換功能進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。該方案的硬件簡單，軟件在編寫上也不復(fù)雜。但是功能單一，只能顯示，沒有輸入接口。該系統(tǒng)的電路可擴展性不好，體重秤的功能過于單一，采集到的信號的抗干擾能力不強，所以達不到設(shè)計的標準。方案二：由于上一個方案存在沒有輸入，信號的抗干擾能力不強的缺點，所以本方案中在前一個方案的根底上增加了鍵盤輸入裝置，并在電路的前段加上信號調(diào)理電路。結(jié)構(gòu)原理圖為：圖3-2方案二的結(jié)構(gòu)原理圖此方案的優(yōu)點是可以通過按鍵進行單位的轉(zhuǎn)換，由于使用習(xí)慣的不同人們習(xí)慣用的測量單位，這樣的設(shè)計就更加人性化。因為采集到的信號一般都很微弱，如果在遇到干擾的時候可能會導(dǎo)致測量結(jié)果的錯誤，因此采集到電信號后，對電信號進行放大，濾波。增強系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會有所提高，讓顯示的數(shù)據(jù)也更加準確。此方案的缺點是電路較復(fù)雜，系統(tǒng)的硬件本錢會增加。方案三：第二種方案已經(jīng)實現(xiàn)了體重秤的根本功能，但是仍然有一些缺乏，例如當電池用完時應(yīng)該提示用戶及時更換電池，保存體重秤系統(tǒng)自身的一些信息等。這樣就需要一個低電池檢測電路和EEPROM模塊。結(jié)構(gòu)原理圖為：圖3-3方案三的結(jié)構(gòu)原理圖此方案的優(yōu)點是功能完善，而且操作方案，在上一個方案的根底上增加了一些更加人性化的設(shè)計，當電池的電量低于目以設(shè)定的值時，系統(tǒng)會報警提醒用戶更換電池。此外，加上EEPROM后系統(tǒng)的可擴展性大大提高。此方案的缺點是硬件電路復(fù)雜，硬件本錢較高。但是該系統(tǒng)在可靠性，擴展性等方面做得很好，因此該方案可以到達設(shè)計的要求。3.2單片機選擇當前市場上的單片機有51系列，PIC的單片機，考慮到設(shè)計要求，就需要找到一款內(nèi)部帶高精度的AD轉(zhuǎn)換器，最好還有可編程增益放大器，電源電壓是有電池提供的，所以這款單片機最好還要有電池低壓檢測功能，顯示的時候一般用的都是液晶顯示，也希望將液晶顯示的驅(qū)動也帶有，而這些功能全部是集成在芯片內(nèi)部的，這樣整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠選擇性將大大的提高，同時系統(tǒng)的整個設(shè)計的規(guī)模也將大大減少?；谝陨峡紤]，我選擇了SONIX公司的SN8P1937作為主控芯片，該芯片能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作；其控制器具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，圖3-3給出了該單片機的引腳圖，該單片機的特點如下：(a)存儲器配置OTPROM：2K*16bits、RAM：128*8bits(bank0)、8層堆棧緩存器LCDRAM：4*12bits。(b)I/O引腳配置單向輸入引腳：P0；雙向輸入輸出引腳：P1、P2、P5；具有喚醒功能的引腳：P0、P1；內(nèi)置上拉電阻：P0、P1、P2、P5；外部中斷：P0。(c)功能強大的指令集一個指令周期為4個時鐘周期、所有的指令均為一個字長、大局部指令只有一個周期、指令的最長周期為2個指令周期、JMP指令可在整個ROM區(qū)執(zhí)行、查表功能〔MOVC〕可尋址整個ROM區(qū)。(d)可編程增益放大器增益可選選項：1x/16x/32x/64x/128x(e)16-bitDelta-SigmaADC，具有14位精度 ADC的增益可選項：1x/2x/4x2個ADC信道配置：1個全差分通道、2個單端輸入通道。(f)兩個中斷源兩個內(nèi)部中斷：T0、TC0，一個外部中斷：INT0?！?.5V。(h)內(nèi)置看門狗定時器(i)regulator(k)LCD驅(qū)動：1/3或1/2偏壓、4common*12segment。(l)雙重時鐘提供4種操作模式外部高速時鐘：晶體，最大8MHz內(nèi)部高速時鐘：16MRC正常模式：上下速時鐘均可運行低速模式：僅低速時鐘運行睡眠模式：上下速時鐘均停止運行。MCU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖3-4所示：圖3-4SN8P1937的總體架構(gòu)由圖3-4可以看出，SN8P1937包括CPU、RAM、ROM、Chargrpump、Regulator、PGIA、16bit的ADC等各種片內(nèi)外設(shè)。CPU即為中央處理單元，是整個單片機的中樞。它由算術(shù)邏輯單元(ALU)、控制單元和裝用存放器組3局部組成。算術(shù)邏輯單元ALU是一個極強的運算器，不但可以進行簡單的算術(shù)運算和邏輯運算，還具有數(shù)據(jù)傳送、移位、判斷和程序轉(zhuǎn)移等功能。它為用戶提供了精簡的指令系統(tǒng)和極快的指令執(zhí)行速度，大局部指令執(zhí)行只需要1個時鐘周期?？刂茊卧鹬刂破鞯淖饔?，由時序發(fā)生器、指令存放器和振蕩器等電路組成。指令存放器用于存放從程序存放器中取出的指令碼，經(jīng)過定時控制邏輯進行譯碼，并在時鐘脈沖的配合下產(chǎn)生執(zhí)行指令的時序脈沖，以完成相應(yīng)的指令的執(zhí)行。時鐘發(fā)生器是控制器的心臟，能為控制器提供時鐘脈沖。在SN8P1937芯片中，時鐘可以有兩種產(chǎn)生方式：一種是片內(nèi)RC電路產(chǎn)生；另一種是外接晶振或RC振蕩器。振蕩脈沖經(jīng)過分頻后，產(chǎn)生時鐘脈沖。其頻率是單片機的重要指標之一，時鐘頻率越高，單片機的速度也就越快，同時單片機的穩(wěn)定性也就越差。專用存放器組是與CPU密切相關(guān)的一組存放器，主要用來指示要執(zhí)行的指令的內(nèi)存地址、存放操作數(shù)和指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)等。圖3-5SN8P1937的引腳圖引腳說明如表3-1表3-1SN8P1937引腳說明引腳名稱類型說明VDD,VSS,AVSSP數(shù)字/模擬電路電源輸入端VLCDPLCD電源輸入端V2,V3PLCD偏置電壓V1PLCD偏置電流激活/無效控制端AVDDRPRegulator電源輸出引腳，V=2.4V，AVE+P傳感器的Regulator輸出=1.5V，最大輸出電流為10mAACMPR+AIADC參考源輸入的正極R-AIADC參考源輸入的負極X+AIX-AIADC差分輸入的負極AI+AI模擬輸入通道的正極AI-AI模擬輸入通道的負極CL+Achargepumpregulator電極電容的正極CL-Achargepumpregulator電極電容的負極VPP/RSTP,IOTPROM編程引腳系統(tǒng)復(fù)位輸入端，施密特結(jié)構(gòu)，低電平有效，通常保持高電平XIN/LXIN/P20I,O外部高速時鐘振蕩器引腳(4M)/外部低速時鐘32768HZ晶振引腳/與P20共用IO口XOUT/LXOUT/P21I,O外部高速時鐘振蕩器引腳(4M)/外部低速時鐘32768HZ晶振引腳/與P21共用IO口IP0.0和INT0引腳共用〔施密特結(jié)構(gòu)〕/內(nèi)置上拉電阻P1[3:0]I/OP2[1:0]I/OP5[2:0]OP5.0~P5.2單向輸出引腳LBTIN1/2ICOM[3:0]OCOM0~COM3LCD驅(qū)動COM端SEG0~SEG11OLCD驅(qū)動segment引腳由SN8P1937的特點可以看出，它豐富的片內(nèi)外設(shè)將大大簡化我的設(shè)計，所以基于SN8P1937單片機的體重秤的結(jié)構(gòu)框圖，就可以簡化為圖3-6。圖3-6基于SN8P1937單片機的體重秤的結(jié)構(gòu)框圖3.3傳感器選擇傳感器是指能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器有敏感元件很熱轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的局部，轉(zhuǎn)換局部指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適用于傳出和測量的電信號局部。對于體重秤系統(tǒng)來說，傳感器的選擇尤為重要?？晒┻x擇的方案有：方案一：壓電傳感器壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)電傳感器。其工作原理是基于默寫材料受理后在其相應(yīng)的特定外表產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。壓電傳感器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學(xué)亮的測量，不適合測量頻率太低的被測量，更不能測靜態(tài)量。目前多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。壓電器件的弱點是：高內(nèi)阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影像輸出特性，這對電路要求很高。方案二：電容式傳感器電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感器。它有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點。電容傳感器可用來檢測壓力、力、位移以及振動學(xué)非電參量。電容傳感器的根本工作員立刻用最普通的平行極板電容來說明。兩塊相互平行的金屬極板，當不考慮器件邊緣效應(yīng)〔兩個極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量變化〕時，其電容量為C=ε1ε2A/d (3-1)在式〔3.1〕中：d兩極板間的距離；A兩平行極板相互覆蓋的有效面積；ε1介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε2真空中的介電常數(shù)。雖然電容式傳感器有結(jié)構(gòu)簡單和良好的動態(tài)特性等諸多優(yōu)點，但也有不利因素：(a)功率小，阻抗高。受幾何尺寸限制，電容傳感器的電容量都很小，一般為幾皮法至幾十皮法。因為C太小，故容抗很大，為高阻抗元件，負載能力差。由于C很小，功率也很小，因此容易受外界干擾，信號須經(jīng)放大，并采取抗干擾措施。(b)初始電容很小，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)化為電信號的結(jié)構(gòu)性傳感器。電阻應(yīng)變片是電阻應(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)變片既可單獨作為傳感器使用后，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)體的電阻隨著機械形變而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片把機械應(yīng)變先轉(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)換電路吧應(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，但因機械應(yīng)變的輸出信號小，要求采用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。 應(yīng)變片式傳感器有如下特點：應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機械量傳感器。(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，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。(d)商品化，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離，自動化測量。通過以上對傳感器的比擬分析，最終選擇了第三種方案。考慮到要測量的體重的量程，精度和防止超重損壞傳感器等因素。傳感器的量程必須大于體重秤的額定量程。電阻應(yīng)變式傳感器完全滿足本系統(tǒng)的精度要求。3.4顯示器件選擇方案一：數(shù)碼管顯示數(shù)碼管顯示直觀易懂，但是只能顯示數(shù)據(jù)，不能顯示文字或圖像。數(shù)碼管比擬廉價，驅(qū)動電路簡單，壽命較長，且不易出現(xiàn)故障，但在背景光較強的時候顯示不清晰，耗電比擬高。不符合本系統(tǒng)低功耗的設(shè)計原那么。方案二：液晶顯示液晶顯示顯示功能比擬強大，除可以顯示數(shù)字外，還可以顯示文字和圖像。液晶顯示的價格也不貴，但是功耗很低，抗干擾能力強，并且所選芯片自帶液晶驅(qū)動能力，因此，本設(shè)計中采用液晶顯示。液晶的顯示是由于在顯示象素上施加了電場，這個電場由顯示像素前后兩電極上的電位信號合成產(chǎn)生。在顯示像素上建立直流電場相對容易，單相的直流電場會導(dǎo)致液晶材料的化學(xué)反響以及電極老化，降低液晶的顯示壽命，因此必須建立交流驅(qū)動電場。一般地，由于采用了數(shù)字電路驅(qū)動，這種交流電場是通過脈沖電壓信號來建立的。3.5本章小結(jié)本章對系統(tǒng)的方案進行了論證，對系統(tǒng)的主控制器芯片、傳感器的類型及顯示器件進行了選擇，最終確立以SONIX公司的SN8P1937作為主控制芯片，以電阻應(yīng)變式傳感器為信號采集的器件，以液晶作為顯示器件，設(shè)計出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，這對以后的各模塊化的設(shè)計指明了方向。4系統(tǒng)硬件設(shè)計上一章中對系統(tǒng)的整體方案進行了闡述，本章將詳細說明各個模塊電路的原理及設(shè)計方法。系統(tǒng)的自動開機功能是在指將系統(tǒng)從綠色模式喚醒后，在正常模式下進行重量的測量和顯示。綠色模式是通過存放器設(shè)置的，具體將會在軟件局部介紹。4.1單片機外圍硬件電路設(shè)計單片機的外圍電路包括復(fù)位電路和振蕩電路兩局部。典型的外部復(fù)位電路有一下幾種：(a)根本RC復(fù)位電路 (b)二極管&RC復(fù)位電路圖4-1典型的外部復(fù)位電路圖4-1中(a)圖為一個根本的由電阻R1和電容C1組成的RC復(fù)位電路，它在系統(tǒng)上電的過程中能夠為復(fù)位引腳提供一個緩慢上升的復(fù)位信號。這個復(fù)位信號的上升速度低于VDD的上電速度，為系統(tǒng)提供合理的復(fù)位時間，當復(fù)位引腳到達高電平時，系統(tǒng)復(fù)位結(jié)束，進入正常工作狀態(tài)。圖4-1中(b)圖R1和C1同樣是為復(fù)位引腳提供輸入信號。二極管的作用是當電源掉電的時候，電容上的電荷可以通過電阻R快速放電，從而保證系統(tǒng)再次上電時的正常復(fù)位。對于不同應(yīng)用需求，選擇適當?shù)姆謮弘娮琛CU復(fù)位引腳上電壓的變化與VDD電壓變化之間的差值為0.7V。如果VDD跌落并低于復(fù)位引腳復(fù)位檢測值，那么系統(tǒng)將被復(fù)位。如果希望提升電路復(fù)位電平，可將分壓電阻設(shè)置為R2>R1，并選擇VDD與集電極C之間的結(jié)電壓高于0.7V。分壓電阻R1和R2的電流穩(wěn)定，在功耗電路如直流電源系統(tǒng)中，此處的功耗必須計入整個系統(tǒng)的功耗中。本系統(tǒng)的復(fù)位電路較為簡單，采用普通的電阻電容式電路即可，復(fù)位電路的電路圖為：圖4-2復(fù)位電路SN8P1937是一個雙時鐘系統(tǒng)：高速時鐘和低速時鐘。高速時鐘由外部振蕩電路或內(nèi)置16MHz高速RC振蕩電路產(chǎn)生。低速時鐘那么由內(nèi)置低速RC振蕩電路產(chǎn)生，上下速時鐘都可以作為系統(tǒng)時鐘，當系統(tǒng)工作在低速模式下時，時鐘信號4分頻之后作為系統(tǒng)指令周期Fcpu。本設(shè)計中采用內(nèi)部時鐘提供振蕩。正常模式下是內(nèi)部高速時鐘提供振蕩，綠色模式下是由內(nèi)部低速時鐘提供振蕩的。4.2傳感器電路電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計、補償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計一起變形。電阻應(yīng)變計再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。常用的電阻應(yīng)變式傳感器有應(yīng)變式測力傳感器、應(yīng)變式壓力傳感器、應(yīng)變式扭矩傳感器〔轉(zhuǎn)矩傳感器〕、應(yīng)變式位移傳感器〔位移傳感器〕、應(yīng)變式加速度傳感器〔加速度計〕和測溫應(yīng)變計等。電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點是精度高，測量范圍廣,壽命長,結(jié)構(gòu)簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。它的缺點是對于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號較弱，但可采取一定的補償措施。因此它廣泛應(yīng)用于自動測試和控制技術(shù)中。圖4-3傳感器接口電路4.3液晶驅(qū)動電路設(shè)計SN8P1937作為一種新型的8位微控制器，其內(nèi)置4*12〔48點〕LCD驅(qū)動器，可直接驅(qū)動段位式液晶顯示屏，而不用添加專用芯片，接口電路簡單。本系統(tǒng)使用SN8P1937內(nèi)部的LCD驅(qū)動器來驅(qū)動面板上的液晶顯示屏，硬件電路將在本節(jié)中詳細介紹。由于SN8P1937有內(nèi)置的LCD驅(qū)動器，驅(qū)動包括4個common引腳和12個segment引腳，LCD掃描的時序占用1/4占空比，1/2或者1/3偏壓，共有48點驅(qū)動。相關(guān)存放器只有LCDM1存放器。如表4-1所示：表4-1LCD存放器089HBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0LCDM1--LCDBNK-LCDENBLCDBIASLCDRATELCDCLK--R/W-R/WR/WR/WR/W復(fù)位后--0-0011Bit5:LCDBNK：LCD顯示控制位0=正常顯示1=關(guān)閉LCD.Bit3:LCDENB：LCD驅(qū)動使能存放器0=禁止1=使能Bit2:LCDBIAS：LCD偏壓選擇位0=LCD的偏壓是1/3 1=LCD的偏壓是1/2Bit1:LCDRATE：LCD時鐘速率控制位〔LCDCLK=1〕0=LCD時鐘=內(nèi)部RC/641=LCD時鐘=內(nèi)部RC/32Bit0:LCDCLK：LCD時鐘源選擇控制位.0=LCD時鐘=外部時鐘/2^14，幀比率=LCD時鐘/41=LCD時鐘=內(nèi)部RC/32〔LCDRATE=1〕或者內(nèi)部RC=64(LCDRATE=0) 根據(jù)硬件需求設(shè)置相應(yīng)的功能，顯示局部對應(yīng)的原理圖為：圖4-4液晶顯示接口電路4.4鍵盤電路設(shè)計鍵盤是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中是一個關(guān)鍵的部件，它能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)，傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段。鍵盤分兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤：由硬件邏輯電路完成必要的鍵識別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤自動提供被按鍵的讀數(shù)，同時產(chǎn)生一個選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時按鍵保護功能。這種鍵盤易于使用，但硬件比擬復(fù)雜，對于主機任務(wù)繁重的情況，采用可編程鍵盤管理接口芯片構(gòu)成編碼式鍵盤系統(tǒng)。非編碼鍵盤：只簡單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作例如鍵的識別，決定按鍵的讀數(shù)等僅靠軟件完成，故硬件較為簡單，但占用CPU較多時間。常見的有：獨立式按鍵結(jié)構(gòu)、矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)。非編碼式鍵盤可分獨立式鍵盤和行列式鍵盤兩種：獨立式鍵盤中，每個鍵占用一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它I/O口線上的狀態(tài)。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O口線浪費較大，且電路結(jié)構(gòu)顯得繁雜。故這種形式適用于按鍵數(shù)量較少的場合；行列式鍵盤又稱矩陣式鍵盤，設(shè)計4行4列16個鍵，只占用8根I/O口線，所以鍵數(shù)目較多時，可節(jié)省I/O口線。這種結(jié)構(gòu)的軟件較繁瑣。由于本次設(shè)計中需要的按鍵操作很少，MCU的資源很豐富，所以在設(shè)計中用了獨立式按鍵，S1接在了P11口，用于單位轉(zhuǎn)換。接口電路如圖4-5所示：圖4-5按鍵電路圖4.5EEPROM外圍電路設(shè)計EEPROM作為片外數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，在整個系統(tǒng)中的作用就是將系統(tǒng)中一些比擬重要的數(shù)據(jù)在掉電的情況下存儲起來，例如線性校正的數(shù)據(jù)。下面對系統(tǒng)中用到的AT24C02〔Atmel〕作為分析對象，其他型號類似。24C02容量為128*8Bit，由于系統(tǒng)需要存儲的數(shù)據(jù)很少，這個正好滿足系統(tǒng)的要求。施密特觸發(fā)輸入，允許頁寫入，功能性地址線不允許連接到同一條總線上，通常標準的是引腳〔PDIP、SOIC、TSSOP〕封裝。以PDIP/SOIC封裝為例，各引腳功能如下列圖所述：圖4-6AT24C02引腳圖A0、A1、A2：器件選擇輸入腳，局部器件可擴展，這三個引腳配置可尋址同一串行總線上的8個EEPROM，如24XX32/64/128/256/512；某些24XX器件是不能擴展的，如24XX00/01/02/04/08/16的這三個引腳無效。Vss：接地。SDA：雙向引腳，用以串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，漏極開路，需接上拉電阻〔通常頻率為100kHz時，阻值為10Ｋ，頻率為400kHz和1MHz時，阻值為2Ｋ〕。SCL：串行時鐘，用以數(shù)據(jù)傳輸同步。WP：寫保護輸入腳。連接到Vss,寫操作使能；連接到Vcc，寫操作禁止。Vcc：電源輸入。很明顯，從上面引腳我們可以看出SCL和SDA就是I2C(TM)協(xié)議中對應(yīng)的那兩條信號線，數(shù)據(jù)傳輸?shù)南盗袆幼鳎浩鹗?、?shù)據(jù)確認、數(shù)據(jù)改變、停止條件如下：起始條件：起始操作必須先于所有命令產(chǎn)生。在SCL高電平期間，SDA由高電平變?yōu)榈碗娖?，表示要開始傳輸數(shù)據(jù)了。傳輸條件：起始條件之后，在SCL高電平期間，SDA保持穩(wěn)定的高電平〔或低電平〕，要改變SDA的狀態(tài)，必須在SCL低電平時。一個數(shù)據(jù)位對應(yīng)一個時鐘脈沖。停止條件：所有操作以停止條件為結(jié)束。在SCL高電平期間，SDA由低電平變?yōu)楦唠娖?，表示停止條件發(fā)生。EEPROM的接口電路如圖4-7所示：圖4-7EEPROM接口電路4.6通道轉(zhuǎn)換和自動增益電路如圖4-10所示AI+和AI-輸入的模擬信號，經(jīng)過一個多路開關(guān)進入PGIA〔可編程增益放大器〕，將信號放大一定的倍數(shù)，然后再經(jīng)過一個RC的濾波電路，濾除信號中的雜信，最后進入AD轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部，這些局部全部是在MCU內(nèi)部集成的，不需要進行專門的設(shè)計，只是設(shè)置相關(guān)存放器即可。表4-1是PGIA的相關(guān)存放器，各位的功能如下所示：表4-2PGIA相關(guān)存放器090HBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0AMPM-BGRENBFDS1FDS0GS2GS1GS0AMPENBR/W-R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W復(fù)位后00001110Bit0:AMPENB：PGIA功能允許控制位0=禁止PGIA功能1=使能PGIA功能Bit[3:1]:GS[2:0]：PGIA增益選擇控制位，增益如圖4-2所示表4-3增益控制存放器GS[2:0]PGIA增益000160013201064011128100，101，110保存1111PGIA的時鐘選擇存放器如下列圖所示：表4-4PGIA時鐘選擇存放器092HBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0AMPCKSAMPCKS2AMPCKS1AMPCKS0R/WWWW復(fù)位后000Bit[2:0]AMPCKS[2:0]存放器設(shè)置PGIAChopper的工作時鐘，建議Chopper的時鐘選擇為：31.25KHZ@4MHZ。PGIA時鐘=Fcpu/32/(2^AMPCKS)在不同的Fosc頻率下，AMPCKS[2:0]存放器的值參閱下表：表4-5時鐘頻率參考AMPCKS2AMPCKS1AMPCKS0高速時鐘2M4M/IHRC8M0000010100K011100967HZ0K101488HZ874HZ976HZ110244HZ437HZ488HZ976HZ111122HZ218HZ244HZ488HZ4.7電池低電壓檢測電路SN8P1937提供2種方式檢測電源電壓：一種是通過16bit的ADC，這種方法比擬精確但是比擬費時且比擬復(fù)雜；另外一種是通過內(nèi)置的電壓比擬器，電源電壓經(jīng)過外局部壓電路連接到P5.2，與ACM〔1.2V〕進行比擬，比擬結(jié)果在LBTO位。下列圖是LBT應(yīng)用的兩種電路連接方式：一種使用P5.2和P5.1，這樣在睡眠模式下不會產(chǎn)生漏電流，圖4-8中的(a)圖；另外一種只使用P5.2，這種方式會在省電模式下產(chǎn)生一些漏電流，但是可以把P5.1作為輸入口用，圖4-8中的(b)圖。在本電路中采用的是第一種接法，P5.1的功能是低電壓檢測，不能再作為IO口。(a)P5.1為LBT功能，在睡眠模式無漏電流 (b)P5.1為輸入模式，在睡眠模式有漏電流圖4-8電池低壓檢測內(nèi)部電路圖低電壓檢測功能相關(guān)存放器功能為：表4-6低壓檢測存放器09AHBit7Bit6BIt5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0LBTMLBTOP51IOLBTENBR/WRR/WR/W復(fù)位后000Bit0:LBTENB：電池低電壓檢測模式控制位0=禁止電池低電壓檢測功能1=允許電池低電壓檢查功能Bit1:P51IO：P5.1輸入/LBT功能控制位0=P51為輸入口1=P51為LBT功能Bit2:LBTO：電池低電壓檢測輸出位0=P5.2/LBT電壓高于ACM(1.2V)1=P5.2/LBT電壓低于ACM(1.2V)表4-7中的電阻值對應(yīng)的是在不同的檢測電壓。表4-7低壓檢測電阻對應(yīng)表電池低電壓R1R2LBT0=11M1M圖4-9是本次設(shè)計中的實際電路圖，有圖中參數(shù)可以看出，檢測的電池低電壓為2.4V，所以當電池電壓低于2.4V時，系統(tǒng)就會報警，這也是SN8P1937的最低工作電壓。圖4-9電池低電壓檢測電路4.8AD外圍電路設(shè)計AD轉(zhuǎn)換局部是體重秤的核心局部，壓力傳感器選用的是橋式的，當沒有壓力的時候橋臂是平衡的，一旦有壓力兩邊的橋臂會產(chǎn)生壓力差，傳感器將壓力信號變成電流信號通過芯片的AI+,AI-腳輸入。輸入的信號經(jīng)過放大，濾波后進入AD轉(zhuǎn)換。X+,X-之間的電感和芯片內(nèi)部的電阻組成了RC濾波電路，PGIA是對電信號進行放大的。為了保證轉(zhuǎn)換過程的基準電壓一致，所以AD轉(zhuǎn)換與壓力傳感器接在同一個電壓上，這樣也可以減少由于兩者電壓不一致所帶來的誤差。AD轉(zhuǎn)換的模塊電路圖為：圖4-10ADC模塊的結(jié)構(gòu)原理圖AD轉(zhuǎn)換采用的是16位的精度，轉(zhuǎn)換結(jié)果的高八位保存在存放器ADCDH中，低八位保存在存放器ADCDL中。相關(guān)存放器如下：表4-8ADC高八位數(shù)據(jù)存放器098HBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0ADCDLADCB7ADCB6ADCB5ADCB4ADCB3ADCB2ADCB1ADCB0RRRRRRRR復(fù)位后00000000表4-9ADC低八位數(shù)據(jù)存放器099HBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0ADCDHADCB15ADCB14ADCB13ADCB12ADCB11ADCB10ADCB9ADCB8RRRRRRRR復(fù)位后00000000ADCDL[7:0]：輸出ADC數(shù)據(jù)的低字節(jié)。ADCDH[7:0]：輸出ADC數(shù)據(jù)的高字節(jié)。ADCB15位是ADC數(shù)據(jù)的符號位。ADCB15=0表示數(shù)據(jù)為正值，ADCB15=1表示數(shù)據(jù)為負值。表4-10ADC輸出控制存放器097HBit7Bit6BIt5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0DFMWRS0-DRDYBit0:DRDY：ADC數(shù)據(jù)就緒位1=ADC輸出新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到ADCDH和ADCDL0=ADCDH和ADCDL的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)還未就緒Bit2:WRS0：ADC輸出頻率選擇位圖4-11是在設(shè)計中的實際的電路圖。圖4-11ADC外圍電路設(shè)計4.9系統(tǒng)總體電路圖以上分別介紹了系統(tǒng)的各個模塊電路組成，整體電路圖見附圖。本章從傳感器、液晶顯示、鍵盤功能、EEPROM、AD外圍電路、低電壓檢測電路等幾個模塊對系統(tǒng)的硬件設(shè)計進行了詳細的闡述，并給出了各個模塊的硬件電路圖。對SN8P1937單片機的工作電路和它的外圍電路(相關(guān)模塊)以及整體電路進行了說明。5系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)設(shè)計在系統(tǒng)軟件的設(shè)計中，按照層次化的軟件設(shè)計方法，整個系統(tǒng)軟件可劃分為三層，即：應(yīng)用層，界面層，底層驅(qū)動層。圖5-1中給出了高精度體重秤系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)圖。圖5-1系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖底層驅(qū)動層底層驅(qū)動層主要包含直接和硬件相關(guān)的驅(qū)動程序，對于體重秤而言，主要包括LCD刷新程序mn_lcd、按鍵掃描程序mn_key、EEPROM讀寫子程序、AD轉(zhuǎn)換子程序等這些程序主要是面向硬件的，作為硬件驅(qū)動程序，它們處于最底層。這些程序編寫的質(zhì)量直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能，也對整個系統(tǒng)的軟件上層各局部的設(shè)計的便利性也有很大的影響。原那么上應(yīng)該保持底層的各個模塊間的獨立性，盡量降低它們之間的耦合度，不產(chǎn)生直接的數(shù)據(jù)交互，也不允許它們之間的相互調(diào)用，底層也不直接訪問應(yīng)用層，如果需要與應(yīng)用程序或者其它模塊之間通信，都要通過界面層進行數(shù)據(jù)交互，并接受應(yīng)用層的調(diào)度。介面層介面層主要是由各種存放器、標志位和緩沖區(qū)組成的，它的功能是用于提供數(shù)據(jù)交互，可以看出各個底層模塊都有自己相應(yīng)的變量及標志，這些變量是底層與應(yīng)用層或是底層與其它底層模塊對話的接口，也可以將它們理解為程序模塊間通訊的管道。應(yīng)用層應(yīng)用層主要完成體重秤具體功能的實現(xiàn)，通過對界面層各個變量及標志位的操作控制底層驅(qū)動層各模塊來完成所需功能，而并不越過介面層直接訪問底層驅(qū)動層。關(guān)于應(yīng)用層的具體編寫方法將在后面的系統(tǒng)應(yīng)用層軟件設(shè)計中詳細介紹。[5]5.2單片機模式切換松翰1937單片機有四種工作模式：綠色模式，正常模式，低速模式，睡眠模式。四種模式之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：圖5-2主程序流程圖當設(shè)置系統(tǒng)模式存放器OSCM中的CPUM0位清零，CPUM1位置一，系統(tǒng)就進入到綠色模式了，綠色模式下系統(tǒng)會將所有的硬件資源關(guān)閉，只有定時器可以計數(shù)，其他資源都不可以運行。P0口和P1口有外部喚醒功能，當P0或P1有電平變化時，系統(tǒng)會從綠色模式喚醒，T0定時器也有喚醒功能，當T0定時器溢出的時候系統(tǒng)也會從綠色模式喚醒，喚醒之后進入正常模式。由于在綠色模式下，系統(tǒng)的所有硬件資源全部都關(guān)閉，所以整個系統(tǒng)非常省電。本系統(tǒng)中用到了綠色模式和正常模式兩種，系統(tǒng)上電后便進入綠色模式，每隔一秒被喚醒一次，喚醒后進入正常模式，系統(tǒng)啟動快速稱重，檢測是否到達開機重量，如果沒有到那么進入到綠色模式，如果到達開機重量體重秤系統(tǒng)時鐘從低速模式轉(zhuǎn)換到高速時鐘，翻開硬件資源，進入正常稱重。5.3系統(tǒng)主程序設(shè)計系統(tǒng)主程序主要實現(xiàn)各個模塊化程序的組合，是整個程序設(shè)計中最主要的局部，總體流程圖如下所示：綠色模式下正常模式下圖5-3主程序流程圖由主程序的電路圖可以看出底層驅(qū)動程序分為鍵盤掃描程序，顯示程序，低電壓檢測程序，時間處理程序，AD轉(zhuǎn)換程序，快速稱重子程序，校準子程序。5.4LCD驅(qū)動子程序的設(shè)計根據(jù)前面硬件電路接口設(shè)計局部中SN8P1937與段位式LCD的電路連接方法，其顯示內(nèi)容為6位。因為每一個LCDRAM空間只有低4位是有效的，為了減少表格占用的空間，所以將兩bit的數(shù)據(jù)存放在一個表格中的位置，在查表的過程中，讀出顯示數(shù)據(jù)的高位和地位分別送到對應(yīng)的顯示緩沖區(qū)中，同時將刷新標志置高，在刷新程序通過檢測刷新標志來決定是否進行刷新操作，如果有刷新標志那么將顯示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成顯示碼，并送入LCDRAM中，否那么直接退出刷新程序。刷新子程序應(yīng)置于主程序中并定時調(diào)用，當顯示緩沖區(qū)內(nèi)容改變時必須置刷新請求標志，以保證顯示內(nèi)容的及時更新。圖5-4為刷新子程序的流程圖。圖5-4LCD子程序流程圖在體重秤正常工作的過程中，需要對電池的電壓進行檢測，防止由于電池電壓過低而造成的測量數(shù)據(jù)不準確，而SN8P1937系列單片機帶有低壓檢測功能，如4.7節(jié)中介紹的只要開啟低壓檢測功能，然后再判斷LBTO位即可。程序如下：bat_test: xb0bts1 flbto jmp bat_test20 b0bts0 F_vcc_low jmp bat_test90 incms R_low_count mov a,R_low_count cmprs a,#C_LOW_TIME jmp bat_test90 b0bset F_vcc_low mov a,#15 //lo b0mov dis_mode_buf,a b0mov dis_mode_back,a b0bset f_update_disp mov a,#AUTO_SLEEP_2S ;2s mov auto_off_cnt,a CLR time_1s_cntbat_test20: clr R_low_countbat_test90: ret5.6AD子程序的設(shè)計在AD轉(zhuǎn)換的程序中，每次只要檢測DRDY位，判斷ADC數(shù)據(jù)是否準備就緒，準備就緒后，在ADCDL,ADCDH中讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)即可，輸出的AD的數(shù)據(jù)是有正負之分的，為了減少在程序中對有符號數(shù)的操作的難度，在讀到AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)后，全部將它轉(zhuǎn)換為正數(shù)進行處理，AD程序的流程圖如圖5-5所示：圖5-5AD轉(zhuǎn)換子程序流程圖5.7鍵盤掃描子程序的設(shè)計體重秤的控制面板中有1個獨立式按鍵，在按鍵掃描的過程中，為了增強系統(tǒng)的實時性，減少按鍵的誤判，在鍵的消抖動的過程中不是采用原來的delay的做法，而是采用了debounce的處理方法。但按鍵按下的時候就開始計時消抖，消抖完成以后表示按鍵真的按下，然后判斷是哪個按鍵按下，對相應(yīng)的按鍵進行處理。程序流程圖如下所示：圖5-6按鍵程序流程圖5.8數(shù)據(jù)處理子程序設(shè)計在微機控制系統(tǒng)的模擬輸入信號中，一般均含有各種噪聲和干擾，他們來自被測信號源本身、傳感器、外界干擾等。為了進行準確測量和控制，必須消除被測信號中的噪聲和干擾。噪聲有2大類：一類為周期性的，其典型代表為50Hz的工頻干擾，對于這類信號，采用積分時間等于20ms整倍數(shù)的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，可有效地消除其影響；另一類為非周期的不規(guī)那么隨機信號，對于隨機干擾，可以用數(shù)字濾波方法予以削弱或濾除。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾信號在有用信號中的比重，因此他實際上是一個程序濾波。數(shù)字濾波器克服了模擬濾波器的許多缺乏，他與模擬濾波器相比有以下優(yōu)點：(a)數(shù)字濾波器是用軟件實現(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，因而可靠性高、穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配問題。(b)模擬濾波器通常是各通道專用，而數(shù)字濾波器那么可多通道共享，從而降低了本錢。(c)數(shù)字濾波器可以對頻率很低(如0.01Hz)的信號進行濾波，而模擬濾波器由于受電容容量的限制，頻率不可能太低。(d)數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強的特點。在本設(shè)計中用到了算術(shù)平均值濾波，算術(shù)平均值濾波是要尋找一個Y，使該值與各采樣值X(K)(K=1～N)之間誤差的平方和為最小，即：(5-1)由一元函數(shù)求極限原理得：(5-2)這時，可滿足式(5-3)。式(5-4)便是算術(shù)平均值濾波的算法。設(shè)第二次測量的測量值包含信號成分Si和噪聲成分Ci，那么進行N次測量的信號成分之和為：(5-3)噪聲的強度是用均方根來衡量的，當噪聲為隨機信號時，進行N次測量的噪聲強度之和為：(5-4)式(5-3)和式(5-4)中，S、C分別表示進行N次測量后信號和噪聲的平均幅度。這樣對N次測量進行算術(shù)平均后的信噪比為：(5-5)其中，S/C是求算術(shù)平均值前的信噪比。因此采用算術(shù)平均值后，使信噪比提高了倍。算術(shù)平均值法適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波，這種信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近作上下波動，此時僅取一個采樣值作依據(jù)顯然是不準確的，如壓力、流量、液平面等信號的測量。但對脈沖性干擾的平滑作用尚不理想，因此他不適用于脈沖性干擾比擬嚴重的場合。算術(shù)平均值法對信號的平滑濾波程度完全取決于N。當N較大時，平滑度高，但靈敏度低，即外界信號的變化對測量計算結(jié)果Y的影響??；當N較小時，平滑度低，但靈敏度高。應(yīng)視具體情況選取N，以便既少占用計算時間，又到達最好的效果，如對一般流量測量，可取N=8～16，對壓力等測量，可取N=4。圖5-7濾波子程序流程圖5.9初始化找平衡程序在系統(tǒng)開機的時候，傳感器在無重物的情況下，AD采樣出來的數(shù)據(jù)可能不是0，這個時候就需要對數(shù)據(jù)進行調(diào)整，在屢次讀取AD數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)AD的值保持在一個很小的范圍內(nèi)，這個時候就可以認為傳感器處于零點位置，此時的AD的值就可以作為校正后的零點的值。其實這也是一個動態(tài)找平衡的過程。程序如下：seek_zero10: @RSTWDT call read_adc_data b0bts1 f_adcend jmp seek_zero10 b0bclr f_adcend call adc_data_avg ;output:wk03,wk02 b0mov autoon_span0_h,wk03 b0mov autoon_span0_l,wk02 b0mov wk01,raw_data_h b0mov wk00,raw_data_l call sub_hex2b ;(FC)(wk01wk00)=(wk03wk02)-(wk01wk00)1:POS0:NEG HEX2B_CJBEwk01,wk00,#00,#08,seek_zero11 b0mov raw_data_h,autoon_span0_h b0mov ra