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山東省電子設計大賽 （ 2004 年） 參賽學校： 山東大學 指導教師： 萬 鵬 姚福安 設計者： 劉永勝 杜 輝 楊媛媛 2004 年 9 月 13 號 摘 要 本系統(tǒng)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(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng)板，數據采集、人機交互界面三大部分。最小系統(tǒng)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  300)this.width=300" border=0>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(fā)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(tǒng)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(tǒng)基于 51系列單片機來實現，因為系統(tǒng)需要大量的控制液晶顯示和鍵盤。不宜采用大規(guī)模可編程邏輯器件：CPLD、FPGA來實現。（因為大規(guī)模可編程邏輯器件一般是使用狀態(tài)機方式來實現，即所解決的問題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉換問題。本系統(tǒng)狀態(tài)較多，難度較大。）另外系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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  300)this.width=300" border=0>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—  300)this.width=300" border=0>。我們選擇的是 L-PSIII 型傳感器，量程 20Kg ，精度為  300)this.width=300" border=0>，滿量程時誤差  300)this.width=300" border=0>0.002Kg 。可以滿足本系統(tǒng)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(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 可以調節(jié)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  300)this.width=300" border=0>，通過改變  300)this.width=300" border=0>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  300)this.width=300" border=0>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(tǒng)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(tǒng)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(yōu)點不能很好的發(fā)揮，且根據系統(tǒng)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(tǒng)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  300)this.width=300" border=0>），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(tǒng)，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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。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 。 |
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