基于PIC16F877A智能電子秤的設(shè)計(jì).doc

目錄第1章 前言11.1 選題的背景和意義11.2 國(guó)內(nèi)外電子秤發(fā)展及成果21.3 研究現(xiàn)狀31.3.1 影響因素31.3.2 產(chǎn)品質(zhì)量31.3.3 發(fā)展方向41.3.4 電子秤的智能化41.4 電子秤設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求4第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證62.1 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思路62.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)62.3 系統(tǒng)方案比較與論證62.3.1 單片機(jī)的選型62.3.2 稱重傳感器選型102.3.3 放大部分選型142.3.4 A/D轉(zhuǎn)換器選型142.3.5 顯示模塊選型162.3.6 鍵盤輸入選型182.3.7 語(yǔ)音芯片選型19第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)203.1 基于PIC16F877A的主控電路203.1.1 PIC16F877A簡(jiǎn)介203.1.2 PIC16F877A引腳介紹203.1.3 主控電路設(shè)計(jì)213.2 稱重部分223.2.1 GF-7橋型稱重器簡(jiǎn)介223.2.2 工作原理233.2.3 硬件電路233.3 測(cè)身高部分243.3.1 超聲波測(cè)距原理243.3.2 測(cè)身高硬件電路設(shè)計(jì)243.4 顯示部分263.5 語(yǔ)音播報(bào)部分273.6 鍵盤部分283.7 報(bào)警電路283.8 電源電路293.9 硬件低功耗設(shè)計(jì)293.9.1 低功耗元器件選擇293.9.2 低功耗電路設(shè)計(jì)30第4章 軟件設(shè)計(jì)314.1 稱重部分軟件設(shè)計(jì)314.2 測(cè)身高部分軟件設(shè)計(jì)32第5章 結(jié)論36致 謝37參考文獻(xiàn)38第1章 前言目前，隨著社會(huì)的發(fā)展、生活水平不斷提高，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注自己的身體健康。許多人由于工作的壓力和不良的飲食習(xí)慣，使得身體健康每況愈下，疾病也隨之而來(lái)，而在這些人群中，患有肥胖和營(yíng)養(yǎng)不良的病人居多。為方便人們及時(shí)了解自己的體重是否超出或低于標(biāo)準(zhǔn)的體重，在許多公共場(chǎng)合都擺放了人體秤，商場(chǎng)、藥店、馬路旁等隨處可見，給那些由于工作緊張沒有時(shí)間到醫(yī)院做定期體驗(yàn)的人們帶來(lái)了方便。人體秤已不再是醫(yī)院的專用醫(yī)療器械，已成為人們生活中不可缺少的一部分。 普通人體秤測(cè)量身高和體重的結(jié)果都是直接用眼睛觀看指針讀取的，由于讀數(shù)的方法各不相同、讀數(shù)時(shí)光線有明有暗等多種原因，使得讀取數(shù)據(jù)的誤差過大。由于人體秤的使用非常普遍，解決這一問題顯得尤為重要。近年來(lái)，隨著科技不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，單片機(jī)已逐漸成為科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要工具，正在不斷地走向深入。單片機(jī)的應(yīng)用已深入到人類的生活、生產(chǎn)等各種領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的由單片機(jī)控制的人體稱，比普通人體稱在耐用性、適用環(huán)境、讀數(shù)的準(zhǔn)確度等方面有了很大的提高。 智能人體秤經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，適合在廣大工薪階層推廣。因此,以單片機(jī)為控制核心的人體秤，不但提高了讀數(shù)的精確度，給人們以直觀的效果，將身材標(biāo)準(zhǔn)與否一并顯示，與普通人體秤的價(jià)格相差無(wú)幾，逐漸取代傳統(tǒng)的人體秤。1.1 選題的背景和意義稱重技術(shù)自古以來(lái)就被人們所重視，作為一種計(jì)量手段，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個(gè)領(lǐng)域，與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國(guó)家法定 計(jì)量器具，是國(guó)計(jì)民生、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計(jì)量設(shè)備，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(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提高。稱重裝置不僅是提供重量數(shù)據(jù)的單體儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和管理的現(xiàn)代化，它起到了縮短作業(yè)時(shí)間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及加強(qiáng)企業(yè)管理、改善經(jīng)營(yíng)管理等多方面的作用。稱重裝置的應(yīng)用已遍及到國(guó) 民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。電子秤是稱重技術(shù)中的一種新型儀表，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。電子秤與機(jī)械秤比較有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、實(shí)用價(jià)值強(qiáng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，可在各種環(huán)境工作，重量信號(hào)可遠(yuǎn)傳，易于實(shí)現(xiàn)重量顯示數(shù)字化，易于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。例如標(biāo)簽秤在超市中的應(yīng)用已經(jīng)是耳聞目睹的了。一張小小的標(biāo)簽包含著：品名、價(jià)格、重量等，一一列表在這小小的電子標(biāo)簽上。標(biāo)簽機(jī)的使用大大加快了銷售速度，也方便了顧客。頂尖條碼標(biāo)簽秤有著許多卓越的特點(diǎn)，以太網(wǎng)功能使管理更加方便。因此，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國(guó)都非常重視。50 年代中期電子技術(shù)的滲入推動(dòng)了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60 年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器以來(lái)，隨著時(shí)代科技的迅猛發(fā)展，微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來(lái)了巨大的沖擊和革命性的影響。經(jīng)過40 多年的不斷改進(jìn)與完善，衡器技術(shù)也在不斷進(jìn)步和提高。從世界水平看，衡器技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)階段，從傳統(tǒng)的全部由機(jī)械元器件組成的機(jī)械稱到用電子線路代替部分機(jī)械元器件的機(jī)電結(jié)合秤，再?gòu)募呻娐肥降侥壳暗膯纹瑱C(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電子計(jì)價(jià)秤。我國(guó)電子衡器從最初的機(jī)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(dòng)態(tài)稱重發(fā)展；計(jì)量方法從模擬測(cè)量向數(shù)字測(cè)量發(fā)展；測(cè)量特點(diǎn)從單參數(shù)測(cè)量向多參數(shù)測(cè)量發(fā)展。常規(guī)的測(cè)試儀器儀表和控制裝置被更先進(jìn)的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在遠(yuǎn)離、功能、精度及自動(dòng)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(shí)驗(yàn)和應(yīng)用工程的自動(dòng)化程度得以顯著提高1。1.2 國(guó)內(nèi)外電子秤發(fā)展及成果隨著第二次世界大戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)繁榮，為了把稱重技術(shù)引入到生產(chǎn)工藝過程中去，對(duì)秤重技術(shù)提出了心動(dòng)要求，希望稱重過程自動(dòng)化，為此電子技術(shù)滲入衡器制造業(yè)。在 1954 年使用了帶新式打印機(jī)的傾斜式秤，其輸出信號(hào)能控制商用結(jié)算器，并且用電磁鐵機(jī)構(gòu)與人工操作的按鍵與辦公機(jī)器聯(lián)用。在1960 年開發(fā)出了與衡器相聯(lián)的專門稱重值打印機(jī)。當(dāng)時(shí)帶電子裝置的衡器其稱量工作是機(jī)械式的，但與稱量有關(guān)的顯示、記錄、遠(yuǎn)傳式控制器等功能是電子方式的。電子稱的發(fā)展過程與其他事物一樣，也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)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。特別是近30 年以來(lái)，工藝流程中的現(xiàn)場(chǎng)稱重、配料定量稱重、以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測(cè)等工作，都離不開能輸出信號(hào)的電子衡器。這是由于電子衡器不僅給出質(zhì)量或重量信號(hào)，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個(gè)單元承擔(dān)著控制和檢驗(yàn)功能，從而推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易交往的自動(dòng)化和合理化。近年來(lái)電子稱已愈來(lái)愈多地參與到數(shù)據(jù)的處理和控制過程中。現(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(chǔ)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，為電子稱的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，國(guó)外如美國(guó)、西歐等一些國(guó)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(duì)75%的機(jī)械秤進(jìn)行了機(jī)電結(jié)合式改造。 我國(guó)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(lái)，我國(guó)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。目前，由于電子衡器具有稱量快、讀數(shù)方便、能在惡劣條件下工作、便于與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)稱重技術(shù)和過程控制的自動(dòng)化特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、能源 交通、商業(yè)貿(mào)易和科學(xué)技術(shù)等各個(gè)部門、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?cè)絹?lái)越重視。電子衡器產(chǎn)品量大面廣、種類繁多，從通用的各種規(guī)格的電子稱到大型的電子稱重系統(tǒng)，從單純的 稱重、計(jì)價(jià)到生產(chǎn)過程檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)測(cè)量控制單元，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地?cái)U(kuò)大。根據(jù)近些年來(lái)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(chǎng)的需求，電子稱的發(fā)展動(dòng)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2。1.3 研究現(xiàn)狀1.3.1 影響因素隨著科技的進(jìn)步, 對(duì)電子秤的要求也越來(lái)越高。影響其精度的因素主要有: 機(jī)械結(jié)構(gòu)、 傳感器和數(shù)顯儀表。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，因材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的限制, 會(huì)使力的傳遞出現(xiàn)誤差，而傳感器輸出特性存在非線性, 加上信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn) 換等環(huán)節(jié)存在的非線性，使得整個(gè)系統(tǒng)的非線性誤差變得不容忽視。因此，在高精度的稱重場(chǎng)合，迫切需要電子秤能在線自動(dòng)校正系統(tǒng)的非線性。此外，為了保證準(zhǔn)確、穩(wěn)定地顯示, 儀器內(nèi)部分辨率(主要是 ADC 的分辨率) 一般要比外部顯示分辨率高4倍以上, 這就要求所采用的 ADC 具有足夠的轉(zhuǎn)換位數(shù)，而采用高精度的 ADC，自然增加了系統(tǒng)的成本。1.3.2 產(chǎn)品質(zhì)量目前市場(chǎng)上主流的電子秤根據(jù)使用功能的不同包括以下幾個(gè)類型：電子天平、電子計(jì)數(shù)秤、電子計(jì)價(jià)秤、電子臺(tái)秤、電子吊鉤秤、定量包裝秤以及條形碼 電子秤等。面對(duì)種類如此繁多的電子秤，目前市場(chǎng)上存在許多不合格的電子秤產(chǎn)品。不合格問題主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）溫度試驗(yàn)項(xiàng)目不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；（2）濕熱試驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求；（3）抗電脈沖串試驗(yàn)和抗靜電放電試驗(yàn)項(xiàng)目不合格。造成產(chǎn)品不合格的原因主要有以下幾個(gè)方面：（1）稱重傳感器的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，制約了電子秤產(chǎn)品整體質(zhì)量的提高；（2）關(guān)鍵元器件未進(jìn)行篩選和通電老化，造成電子計(jì)價(jià)秤質(zhì)量失控；（3）部分產(chǎn)品設(shè)計(jì)上抗干擾能力不強(qiáng)；（4）產(chǎn)品檢驗(yàn)把關(guān)不嚴(yán)。 面對(duì)目前市場(chǎng)上電子秤產(chǎn)品的總體質(zhì)量不高的局面，除了加強(qiáng)對(duì)電子秤產(chǎn)品 的日常監(jiān)督管理之外，還要從根本上推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)電子秤產(chǎn)品質(zhì)量的提高，更好地保護(hù)消費(fèi)者的合法權(quán)益3。 1.3.3 發(fā)展方向電子秤不僅要向高精度、高可靠方向發(fā)展，而且更需向多種功能的方向發(fā)展。據(jù)悉,目前電子秤的附加功能主要有以下幾種：（1）電子秤附加了計(jì)算機(jī)信息補(bǔ)償處理裝置，可以進(jìn)行自診斷、自校正和多種補(bǔ)償計(jì)算和處理；（2）具有皮重、凈重顯示等特種功能。電子秤有些已具備了動(dòng)態(tài)稱量模式, 即通過進(jìn)行算術(shù)平均、積分處理和自動(dòng)調(diào)零等方法, 消除上述的誤差；（3）附加特殊的數(shù)據(jù)處理功能。目前的電子秤有附加多種計(jì)算和數(shù)據(jù)處理功能, 以滿足多種使用的要求。今后, 隨著電子高科技的飛速發(fā)展,電子秤技術(shù)的發(fā)展定將日新月異。同時(shí), 功能更加齊全的高精度的先進(jìn)電子秤將會(huì)不斷問世, 其應(yīng)用范圍也會(huì)更加拓寬。 1.3.4 電子秤的智能化電子秤的智能化電子秤的稱重功能是基于微電腦控制芯片處理器這一核心技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 由于目前在設(shè)計(jì)電子秤系統(tǒng)時(shí)大量地采用集成芯片， 因此電子秤系統(tǒng)已經(jīng)擺脫了以往的電子模式，正趨向智能化多元化方向發(fā)展。在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，比如與上位機(jī)的通訊，在上位機(jī)上利用圖形化界面的操作軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理等。電子秤由于自身的精度高、功能強(qiáng)和使用方便，實(shí)際使用的電子秤有較高的性價(jià)比，在很多領(lǐng)域完全可以取代那些機(jī)械式的稱重工具。在具體開發(fā)電子秤的系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該根據(jù)用戶的客觀需要，再結(jié)合系統(tǒng)硬件和軟件，從而可以開發(fā)出一套實(shí)際使用價(jià)值極大的電子秤系統(tǒng)。目前，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器應(yīng)用技術(shù)的日趨成熟，必將推進(jìn)基于微處理器為核心的電子秤系統(tǒng)功能的日趨完善，因此多元化智能電子秤具有廣泛的應(yīng)用前景和開發(fā)價(jià)值！1.4 電子秤設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求本次畢業(yè)設(shè)計(jì)利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)不僅可以稱體重，而且可以測(cè)身高的智能電子秤。系統(tǒng)的硬件部分包括控制器、數(shù)據(jù)采集處理、人機(jī)接口三大部分。要求該系統(tǒng)特征及主要控制功能：（1）測(cè)量范圍：體重不超過150Kg，身高不超過2米 （2）測(cè)量精度：體重誤差不大于50克，身高誤差不大于2% （3）顯示方式：LCD顯示身高和體重值。 （4）使用操作：鍵盤輸入數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)單方便。 （5）特殊功能：語(yǔ)音播報(bào)測(cè)量結(jié)果；當(dāng)物品重量超過電子秤量程，即過載情況或者是物品重量小于A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換的最小精度，即欠量程的時(shí)候，具有超重報(bào)警功能。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證2.1 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思路當(dāng)人站到秤盤上時(shí)，秤盤下的重量電阻應(yīng)變式傳感器產(chǎn)生一電信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)弱隨重量的大小而變，該電信號(hào)經(jīng)放大電路放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與體重成正比，再進(jìn)入單片機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，單片機(jī)產(chǎn)生一組滿足顯示要求的數(shù)據(jù)，送至顯示電路顯示出實(shí)際重量。與此同時(shí)超聲波測(cè)距的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)接收探收到回波的時(shí)候發(fā)出中斷信號(hào)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，通過單片機(jī)處理后計(jì)算出距離，然后設(shè)置一個(gè)固定距離減去測(cè)得的距離就是人的身高。然后送至顯示電路顯示出身高，在把數(shù)據(jù)送到語(yǔ)音播報(bào)芯片產(chǎn)生語(yǔ)音，報(bào)出身高和體重。當(dāng)系統(tǒng)的工作電壓低于正常工作范圍時(shí)，低壓報(bào)警電路產(chǎn)生聲光報(bào)警。2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分包括控制器、數(shù)據(jù)采集處理、人機(jī)接口三大部分?？刂撇糠种饕捎脝纹瑱C(jī)實(shí)現(xiàn)控制功能。數(shù)據(jù)采集處理分兩大模塊：稱重?cái)?shù)據(jù)采集處理和用超聲波測(cè)身高數(shù)據(jù)采集處理，由傳感器、信號(hào)的前級(jí)處理和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。人機(jī)接口部分主要包括鍵盤、顯示和語(yǔ)音播報(bào)。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示:圖2.1 硬件結(jié)構(gòu)框圖2.3 系統(tǒng)方案比較與論證2.3.1 單片機(jī)的選型選擇單片機(jī)型號(hào)的出發(fā)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：1、市場(chǎng)貨源 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只能在市場(chǎng)上能夠提供的單片機(jī)中選擇，特別是作為產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)，所選的單片機(jī)型號(hào)必須有穩(wěn)定、充足的貨源。2、單片機(jī)性能 應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和各種單片機(jī)的性能，選擇最容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo) 的型號(hào)，而且能達(dá)到較高的性能價(jià)格比。單片機(jī)性能包括片內(nèi)硬件資源、運(yùn)行速度、可靠性、指令系統(tǒng)功能、體積和封裝形式等方面。影響性能價(jià)格比的因素除單片機(jī)的性能價(jià)格外，還包括硬件和軟件設(shè)計(jì)的容易程度、相應(yīng)的工作量大小，以及開發(fā)工具的性能價(jià)格比。3、研制周期 在研制任務(wù)重、時(shí)間緊的情況下，還要考慮所選的單片機(jī)型號(hào)是否熟悉，是否能馬上著手進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與研制周期有關(guān)的另一個(gè)重要因素是開發(fā)工具，性能優(yōu)良的開發(fā)工具能加快系統(tǒng)地研制進(jìn)程。各種單片機(jī)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)需要選擇。選擇單片機(jī)原則如下：（1）單片機(jī)的基本參數(shù)例如速度，程序存儲(chǔ)器容量，I/O 引腳數(shù)量 （2）單片機(jī)的增強(qiáng)功能。例如看門狗，雙指針，雙串口，RTC（實(shí)時(shí)指針） ， EEPROM，擴(kuò)展 ROM，CAN 接口，I2C 接口，SPI 接口，USB 接口。 （3）Flash 和 PTP（一次性可編程）相比較。最好是 Flash。（4）封裝 IP（雙列直插），PLCC（PLCC 有對(duì)應(yīng)插座）還是貼片。DIP 封裝在做實(shí)驗(yàn)時(shí)可能方便一點(diǎn)。（5）工作溫度范圍，工業(yè)級(jí)還是商業(yè)級(jí)，如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)。（6）工作電壓范圍。例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器，2 節(jié)干電池供電，至少應(yīng)該能在 1.83.6V 電壓范圍內(nèi)工作。（7）供貨渠道暢通。能申請(qǐng)樣片，小批量購(gòu)買有現(xiàn)貨。最好像標(biāo)準(zhǔn)51，隨便找個(gè)地方就能買到。（8）價(jià)格低。（9）有服務(wù)商，像周立功公司推 Philips，雙龍公司推 AVR，都提供了很多有用的技術(shù)支持，起碼燒寫器有地方買。（10）燒錄器價(jià)格低，如果是 ICP（把單片機(jī)放在燒錄器上編程）能否利用現(xiàn)有的燒錄器，如果是表貼封裝，買一個(gè)轉(zhuǎn)接座也很貴，至少得一兩百元。 能否 ISP （在系統(tǒng)編程，即把芯片先焊到板子上再通過預(yù)留的 ISP 接口編程） ，一般ISP 編程器比較便宜大約一兩百元甚至幾十元。（11）仿真器便宜。對(duì)于 FLASH 型單片機(jī)，仿真器不是必備的。但是對(duì)于 OTP（一次性可編程）型單片機(jī)，必須購(gòu)買或者租用仿真器。（12）單片機(jī)匯編語(yǔ)言是自己熟悉的，并且能支持 C 語(yǔ)言。編程環(huán)境要像 Keil 一樣好用，并且還是免費(fèi)的。（13）網(wǎng)站速度快，資料豐富、包括芯片手冊(cè)，應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)方案，范例程 序。最好有中文，像 Atmel就不錯(cuò)。（14）保密性能好，查一下專業(yè)解密網(wǎng)站上的黑名單，再發(fā)個(gè)mail 咨詢一下解密價(jià)格。 經(jīng)綜合考慮，有以下兩種方案。方案一：51系列單片機(jī) 。51系列是應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史悠久，有先入為主的優(yōu)勢(shì)。世界有許多著名的芯片公司都購(gòu)買了51芯片的核心專利技術(shù)，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行性能上的擴(kuò)充，使得芯片得到進(jìn)一步的完善，形成了一個(gè)龐大的體系，直到現(xiàn)在仍在不斷翻新，把單片機(jī)世界炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)。51 系列優(yōu)點(diǎn)之一是它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器，或布爾處理器。它的處理對(duì)象不是字或字節(jié)而是位。它不光能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測(cè)試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，其功能十分完備，使用起來(lái)得心應(yīng)手。雖然其他種類的單片機(jī)也具有位處理功能， 但能進(jìn)行位邏輯運(yùn)算的實(shí)屬少見。 系列在片內(nèi) RAM 區(qū)間51 還特別開辟了一個(gè)雙重功能的地址區(qū)間，十六個(gè)字節(jié)，單元地址 20H2FH，它既可作字節(jié)處理， 也可作位處理(作位處理時(shí)，128 個(gè)位，合相應(yīng)位地址為 OOH 7FH)，使用極為靈活。這一功能無(wú)疑給使用者提供了極大的方便，因?yàn)橐粋€(gè)較復(fù)雜的程序在運(yùn)行過程中會(huì)遇到很多分支，因而需建立很多標(biāo)志位，在運(yùn)行過程 中，需要對(duì)有關(guān)的標(biāo)志位進(jìn)行置位、清零或檢測(cè)，以確定程序的運(yùn)行方向。而實(shí)施這一處理(包括前面所有的位功能)，只需用一條位操作指令即可。51 系列的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是乘法和除法指令，這給編程也帶來(lái)了便利。八位除以 八位的除法指令，商為八位，精度嫌不夠，用得不多。而八位乘八位的乘法指令， 其積為十六位，精度還是能滿足要求的，用的較多。作乘法時(shí)，只需一條指令即可。很多的八位單片機(jī)都不具備乘法功能，作乘法時(shí)還得編上一段子程序調(diào)用，十分不便。51 系列的 I/O 腳的設(shè)置和使用非常簡(jiǎn)單，但高電平時(shí)無(wú)輸出能力，可謂有利有弊。故其他系列的單片機(jī)(如 PIC 系列、AVR 系列等)對(duì) I/O 口進(jìn)行了改進(jìn)，增加了方向寄存器以確定輸入或輸出，但使用也變得復(fù)雜。同時(shí)，原51系列也有許多值得改進(jìn)之處，如運(yùn)行速度過慢等。當(dāng)晶振頻率 為 12MHz 時(shí)，機(jī)器周期達(dá) 1s，顯然適應(yīng)不了現(xiàn)代高速運(yùn)行的需要。華邦公司 (Winbond)生產(chǎn)的產(chǎn)品型號(hào)為 W77 系列和 W78 系列， W78 系列與 AT89C 系列完 全兼容。W77 系列為增強(qiáng)型，對(duì)原有的 8051 的時(shí)序作了改進(jìn)，每個(gè)機(jī)器周期從 12 個(gè)時(shí)鐘周期改為 4 個(gè)周期，使速度提高了三倍，同時(shí)，晶振頻率最高可達(dá) 40MHz。W77 系列還增加了看門狗 WatchDog、兩組 uART、兩組 DVTR 數(shù)據(jù)指 針、ISP 等多種功能4。方案二：PIC 單片機(jī)。PIC 單片機(jī) CPU 采用 RISC 結(jié)構(gòu)，分別有 33、35、58 條指令(視單片機(jī)的級(jí) 別而定)，屬精簡(jiǎn)指令集。而51系列有 111 條指令，AVR 單片機(jī)有 118 條指令， 都比前者復(fù)雜。采用 Haryard 雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快(指令周期約 160200nS)，它能使程序存儲(chǔ)器的訪問和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問并行處理，這種指令流水線結(jié)構(gòu)，在一個(gè)周期內(nèi)完成兩部分工作，一是執(zhí)行指令，二是從程序存儲(chǔ)器取出下一條指令，這樣總的看來(lái)每條指令只需一個(gè)周期(個(gè)別除外)，這也是高效率運(yùn)行的原因之一。此外，它還具有低工作電壓、低功耗、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。PIC 系列單片機(jī)的 IO 口是雙向的，其輸出電路為 CMOS 互補(bǔ)推挽輸出電 路。IO 腳增加了用于設(shè)置輸入或輸出狀態(tài)的方向寄存器，從而解決了51 系列 IO 腳為高電平時(shí)同為輸入和輸出的狀態(tài)。當(dāng)置位 1 時(shí)為輸入狀態(tài)，且不管該 腳呈高電平或低電平，對(duì)外均呈高阻狀態(tài)；置位 0 時(shí)為輸出狀態(tài)，不管該腳為何種電平，均呈低阻狀態(tài)，有相當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)能力，低電平吸人電流達(dá)25mA，高電平 輸出電流可達(dá) 20mA。相對(duì)于 51 系列而言，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，它可以直接 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示且外電路簡(jiǎn)單。它的 AD 為 10 位，能滿足精度要求。具有在線調(diào)試及編程功能5。綜合來(lái)看，PIC 與 51單片機(jī)相比具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，用通俗的說(shuō)法主要體現(xiàn)在這幾個(gè)方面：(1)總線結(jié)構(gòu):MCS-51 單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)是馮-諾依曼型,計(jì)算機(jī)在同一個(gè)存儲(chǔ) 空間取指令和數(shù)據(jù),兩者不能同時(shí)進(jìn)行;而 PIC 單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu),指令 和數(shù)據(jù)空間是完全分開的,一個(gè)用于指令,一個(gè)用于數(shù)據(jù),由于可以對(duì)程序和數(shù)據(jù) 同時(shí)進(jìn)行訪問,所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。正因?yàn)樵?PIC 單片機(jī)中采用了哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，所以與常見的微控制器不同的一點(diǎn)是：程序和數(shù)據(jù)總線可以采用不同的 寬度。數(shù)據(jù)總線都是8 位的，但指令總線位數(shù)分別位 12、14、16 位。(2)流水線結(jié)構(gòu):MCS-51單片機(jī)的取指和執(zhí)行采用單指令流水線結(jié)構(gòu),即取一 條指令,執(zhí)行完后再取下一條指令;而PIC的取指和執(zhí)行采用雙指令流水線結(jié)構(gòu), 當(dāng)一條指令被執(zhí)行時(shí),允許下一條指令同時(shí)被取出,這樣就實(shí)現(xiàn)了單周期指令。(3)寄存器組:PIC 單片機(jī)的所有寄存器,包括 I/O 口,定時(shí)器和程序計(jì)數(shù)器等都 采用 RAM 結(jié)構(gòu)形式,而且都只需要一個(gè)指令周期就可以完成訪問和操作;而 MCS-51 單片機(jī)需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。（4）在相同的系統(tǒng)時(shí)鐘下 PIC運(yùn)行速度最快；（5）所有 AVR 單片機(jī)的 FLASH、EEPROM 蓄存器都可以反復(fù)燒寫、支持在 ISP 在線編程(燒寫)，入門費(fèi)用非常少；（6）片內(nèi)集成多種頻率的 RC 振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí) 等功能，使得電路設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單； （7）每個(gè) IO 口作輸出時(shí)都可以輸出很強(qiáng)的高、低電平，作輸入時(shí) IO 口 可以是高阻抗或者帶上拉電阻； （8） 片內(nèi)具有豐富實(shí)用的資源，如 AD 模數(shù)器、DA 數(shù)模器，豐富的中斷源、SPI、USART、PWM 等等； （9）內(nèi)嵌 A/D 的特點(diǎn)：10 位精度，逐次逼近型 ADC；有8路復(fù)用單端輸 入通道；轉(zhuǎn)換快，65260us 的轉(zhuǎn)換時(shí)間 綜上所述，選用方案二，可以選用PIC系列中性價(jià)比高、內(nèi)嵌 A/D 轉(zhuǎn)換、執(zhí)行速度快的PIC16F877A這款單片機(jī)，滿足系統(tǒng)要求。2.3.2 稱重傳感器選型傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào) 的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指?jìng)鞲衅?中能直接感受被測(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換部分指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵隽哭D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分?，F(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代，在信息時(shí)代人們的社會(huì)活動(dòng)將主要依靠對(duì)信息資源的開發(fā)和獲取、傳輸和處理，而傳感器處于自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測(cè)信息的窗口；傳感器 處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號(hào)。因此，傳感器的地位與作用特別重要6。 傳感器的作用是人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人 們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不 夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說(shuō)，傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，又稱之為電五官。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán) 境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說(shuō)，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。 傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)， 傳感器的輸出量與輸入量之間所 具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的 主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。 傳感器動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍 響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)表示7。根據(jù)要求，稱重傳感器有以下幾種方案可以選擇：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)電式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應(yīng)的特定表面產(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(jiǎn)單、工作可靠，適用于動(dòng)態(tài)力學(xué)量的測(cè) 量，不適合測(cè)頻率太低的被測(cè)量，更不能測(cè)靜態(tài)量。目前多用于加速度和動(dòng)態(tài)力 或壓力的測(cè)量。壓電器件的弱點(diǎn)：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響輸出特性，這對(duì)外接電路要求很高7。方案二：電容式傳感器 。電容式傳感器是將被測(cè)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(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。電容傳感器可用來(lái)檢測(cè)壓力、位移以及振動(dòng)學(xué)非電參量8。 電容傳感器的基本工作原理可用最普通的平行極板電容器來(lái)說(shuō)明。兩塊相互 平行的金屬極板，當(dāng)不考慮其邊緣效應(yīng)（兩個(gè)極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時(shí)，其電容量為 （2.1）式（2.1）中 d兩極板間的距離；A兩平行極板相互覆蓋的有效面積；介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；真空中介電常數(shù)。若被測(cè)量的變化使式中 d 、A、三個(gè)參量中任一個(gè)發(fā)生變化，都會(huì)引起電容量的變化，通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。雖然電容式傳感器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和良好動(dòng)態(tài)特性等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有不利因 素： （1）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=1/ C 很大，為高阻抗元件，負(fù) 載能力差；又因其視在功率，很小，P 也很小。C 則故易受外界干擾，另外，信號(hào)需經(jīng)放大，并采取抗干擾措施。（2）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(hào)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(hào)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(cè)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(cè)量電橋。直流電橋的特點(diǎn)是信號(hào)不會(huì)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(hào)小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。電阻應(yīng)變式稱重傳感器包括兩個(gè)主要部分，一個(gè)是彈性敏感元件：利用它將被測(cè)的重量轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個(gè)是電阻應(yīng)變計(jì)：它作為傳感元件將彈性體的應(yīng)變，同步地轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。電阻應(yīng)變片所感受的機(jī)械應(yīng)變量一般為，隨之而產(chǎn)生的電阻變化率也大約在數(shù)量級(jí)之間。這樣小的電阻變化用一般測(cè)量電阻的儀表很難測(cè)出，必須采用一定形式的測(cè)量電路將微小的電阻變化率轉(zhuǎn)變成 電壓或電流的變化，才能用二次儀表顯示出來(lái)。在電阻應(yīng)變式稱重傳感器中通過橋式電 路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓變化9。電阻應(yīng)變式稱重傳感器工作原理框圖如圖2.2所示：圖2.2 稱重傳感器工作原理框圖 當(dāng)傳感器不受載荷時(shí)，彈性敏感元件不產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在其上的應(yīng)變片不發(fā)生變形 ，阻值不變，電橋平衡，輸出電壓為零；當(dāng)傳感器受力時(shí)，即彈性敏感元件受載荷P時(shí) ，應(yīng)變片就會(huì)發(fā)生變形，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，有輸出電壓。電阻應(yīng)變式稱重傳感器實(shí)物圖如圖2.3所示，引出線為四芯，紅（輸入+），白（輸出-），黑（輸出-），綠（輸出+）。接線方法是紅黑分別接電源正負(fù)端，綠白分別接信號(hào)的輸出端，為確保精度，一般不要調(diào)整線長(zhǎng)10。圖2.3 稱重傳感器實(shí)物圖在電阻應(yīng)變傳感器中起作用的是橋式測(cè)量電路，橋式測(cè)量電路有四個(gè)電阻，電橋的一個(gè)對(duì)角線接入工作電壓，另一個(gè)對(duì)角線為輸出電壓，其特點(diǎn)是：當(dāng)四個(gè)橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零。否則就有電壓輸出，可利用靈敏電流計(jì)來(lái)測(cè)量。稱重傳感器測(cè)量電橋如下圖2.4所示。圖2.4 稱重傳感器測(cè)量電橋：當(dāng)電橋輸出端接無(wú)窮大負(fù)載電阻時(shí)，可視輸出端為開路，此時(shí)直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時(shí)，由分壓原理有： （2.2）當(dāng)滿足條件 R1R3=R2R4 時(shí)，（2.3）即=0，即電橋平衡。式（2.3）稱平衡條件。 應(yīng)變片測(cè)量電橋在測(cè)量前使電橋平衡， 從而使測(cè)量時(shí)電橋輸出電壓只與應(yīng)變 片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。 若差動(dòng)工作，即 R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（2.2） ，則電橋輸出為： (（2.4)應(yīng)變片式傳感器有如下特點(diǎn)： （1）應(yīng)用和測(cè)量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感器。（2）分辨力和靈敏度高，精度較高。 （3）結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)試件影響小， 對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。 （4）商品化，使用方便，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測(cè)量。通過以上對(duì)傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。稱重部分傳感器我們選用GF-7橋形稱重傳感器，其量程為150Kg,精度為0.01%，滿量程時(shí)誤差為：0.015Kg，可以滿足系統(tǒng)的精度要求11。2.3.3 放大部分選型經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號(hào)一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變 換后的信號(hào)亦難以直接用來(lái)顯示、記錄、控制或進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。為此，測(cè)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(lái)完成。放大器的輸入信號(hào)一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號(hào)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(duì)放大器有如下一些要求：（1）輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)使所測(cè)電壓造成偏差。（2）抗共模電壓干擾能力強(qiáng)。（3）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。（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(zhǔn)確的量程切換、極性自動(dòng)變換等。 放大部分由以下幾種方案可供選擇：方案一：利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器。普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)引入大量噪聲。由于信號(hào)轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號(hào)就會(huì)直接影響最后的測(cè)量精度。所以，此種方案不宜采用。方案二：由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器。差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放(如 OP07) 做成一個(gè)差動(dòng)放大器，電阻和電容用于濾除前級(jí)的噪聲，普通小電容可以濾除高頻干擾，大的電解電容主要用于濾除低頻噪聲。優(yōu)點(diǎn)：輸入級(jí)加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級(jí)為差動(dòng)放大電路， 滑動(dòng)變阻器可以調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)，最后一級(jí)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(jí)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?；谝陨戏治?，前級(jí)放大部分決定采用方案二。2.3.4 A/D轉(zhuǎn)換器選型A/D 轉(zhuǎn)換器選用的原則： 1、A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。A/D 轉(zhuǎn)換器決定分辨率的高低。在系統(tǒng)中，A/D 轉(zhuǎn) 換器的分辨率應(yīng)比系統(tǒng)允許引用誤差高一倍以上。 2、A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。不同類型的A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率大不相同。 積分型的轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾豪秒到幾十毫秒，只能構(gòu)成低速A/D 轉(zhuǎn)換 器，一般用于壓力、溫度及流量等緩慢變化的參數(shù)測(cè)試。逐次逼近型屬于中速 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為納秒級(jí)，用于個(gè)通道過程控制和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)12。 3、是否加采樣/保持器。 4、A/D 轉(zhuǎn)換器的有關(guān)量程引腳。有的A/D 轉(zhuǎn)換器提供兩個(gè)輸入引腳，不同 量程范圍內(nèi)的模擬量可從不同引腳輸入。 5、A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束。一般 A/D 轉(zhuǎn)換器可由外部控制信號(hào) 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，這一啟動(dòng)信號(hào)可由 CPU 提供。轉(zhuǎn)換結(jié)束后 A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束 信號(hào)觸發(fā)器置位，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志電平。通知微處理器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 6、A/D 轉(zhuǎn)換器的晶閘管現(xiàn)象。其現(xiàn)象是在正常使用時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器芯片電 流驟增，時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)燒壞芯片。為防止這種現(xiàn)象，可采取如下措施： （1）加強(qiáng)抗干擾措施，盡量避免較大的干擾電流進(jìn)入電路； （2）加強(qiáng)電源穩(wěn)壓濾波措施，在 A/D 轉(zhuǎn)換器電源入口處加退耦濾波電路， 為防止窄脈沖波竄入在電解電容上再接一高頻濾波電容； （3）在 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源端接一限流電阻，可在出現(xiàn)晶閘管現(xiàn)象時(shí)，有效地把電流限定在允許范圍內(nèi)，以防止燒壞器件。 選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器除考慮上述要點(diǎn)外，為防止對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)的影 響，還要注意以下幾個(gè)問題： （1）工作電源電壓是否穩(wěn)定； （2）外接時(shí)鐘信號(hào)的頻率是否合適； （3）工作環(huán)境溫度是否符合器件要求； （4）與其它器件是否匹配； （5）外接是否有強(qiáng)的電磁干擾； （6）印刷線路板布線是否合理。 目前，常用的A/D 轉(zhuǎn)換器有以下三種方案：方案一：并行比較型。并 行 比 較 型 AD 采 用 多個(gè)比較器 ，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱17 FLash(快速)型，轉(zhuǎn)換速率極高，但考慮到所轉(zhuǎn)換的信號(hào)為一慢變信號(hào)，并行比較型A/D 轉(zhuǎn)換器的快速的優(yōu)點(diǎn)不能很好的發(fā)揮，且根據(jù)系統(tǒng)的要求，應(yīng)選擇14位或者精度更高的AD轉(zhuǎn)換器，并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器精度達(dá)不到要求。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個(gè)比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也高。所以此方案并不是理想的選擇。方案二：雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器。雙積分型ADC是間接型A/D轉(zhuǎn)換器，其基本原理是首先對(duì)未知的輸入電壓進(jìn)行固定時(shí)間的積分，然后轉(zhuǎn)向?qū)?biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反相積分至積分輸出電壓為零（返回起始值）則標(biāo)準(zhǔn)電壓積分的時(shí)間正比與輸入電壓。輸入電壓越大，反向 ，積分時(shí)間越長(zhǎng)。用高頻率時(shí)鐘脈沖來(lái)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電壓積分時(shí)間，即可得到輸入電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字代碼。 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器雖然轉(zhuǎn)換精度高，具有精確的差分輸入，但轉(zhuǎn)換速度 慢。其輸入阻抗高，可自動(dòng)調(diào)零，具有超量程信號(hào)，全部輸出與TTL電平兼容。 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)正負(fù)對(duì)稱的工頻干擾信號(hào) 積分為零，所以對(duì) 50HZ 的工頻干擾抑制能力特強(qiáng)，對(duì)高于工頻干擾（例如噪聲 電壓）也具有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對(duì)輸出就不產(chǎn)生影 響。尤其對(duì)本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號(hào)，很容易受到工頻信號(hào)的影響。 方案三：逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器件。 高精度逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器一般都帶有內(nèi)部基準(zhǔn)源和內(nèi)部時(shí)鐘，基于單 片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)僅需要外接幾個(gè)電阻、電容。 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器的工作速度中等，成本較低，且精度也較高滿足系 統(tǒng)的要求。所以本設(shè)計(jì)中選用方案三。由上面對(duì)傳感器量程和精度的分析可知：A/D 轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在0.03%以下 。12 位 A/D 精度：150Kg/4096=36.6g 該精度可以滿足系統(tǒng)要求，因此，我們可以采用PIC單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，可以減少硬件電路設(shè)計(jì)，不需要再選A/D芯片。2.3.5 顯示模塊選型顯示是我們生活中很重要的一部分，常用的顯示由以下兩種類型：方案一：LED 顯示。LED 就是light emitting diode ，發(fā)光二極管的英文縮寫，簡(jiǎn)稱LED。它是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來(lái)顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫、行情、視頻、錄像信號(hào)等各種信息的顯示屏幕。 LED 顯示器結(jié)構(gòu)：基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七個(gè)條狀發(fā)光二極管芯片排列而成的?？蓪?shí)現(xiàn) 09 的顯示。其具體結(jié)構(gòu)有“反射罩式”、“條形七段式”及“單片集成式多位數(shù)字式”等 LED 顯示器與顯示方式：通常使用的是七段 LED。 LED 顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。這種顯示塊有共陰極與共陽(yáng)極兩種。共陰極 LED 顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；共陽(yáng)極LED顯示塊的發(fā)光二極管陽(yáng)極并接。 在設(shè)計(jì)中使用 LED 顯示塊構(gòu)成 N 位 LED 顯示器。N 位 LED 顯示器有 N 根 位選線和 8*N 根段選線。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮、暗。 LED顯示器有靜態(tài)顯示與動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。我們使用的為動(dòng)態(tài)顯示方式。 26 在多位 LED 顯示時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè) 8 位 I/O口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽(yáng)極點(diǎn)分別由響應(yīng)的 I/O 口線控制。其中兩片74LS244 分別用于段信號(hào)和位信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，74LS273 用于段信號(hào)的鎖存。 方案二：LCD 顯示。LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡(jiǎn)稱，LCD 的構(gòu)造是在兩片平行 的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過通電與否來(lái)控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來(lái)產(chǎn)生畫面。比 LED要好的多，但是價(jià)錢較其貴。 在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電 子產(chǎn)品的通過器件，如在計(jì)算器、萬(wàn)用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以 看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般 的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED 數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和 LED 數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡(jiǎn)單，在前面章節(jié)已經(jīng)介紹過，在此不作介紹，本章重點(diǎn)介紹字符型液晶顯示器的應(yīng)用。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種 27 色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍。 （2）數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單 可靠，操作更加方便。 （3）體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來(lái) 達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。 （4）功耗低：相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng) IC 上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模 集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA 移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。 液晶顯示器各種圖形的顯示原理：（1）線段的顯示：點(diǎn)陣圖形式液晶由 MN 個(gè)顯示單元組成，假設(shè) LCD 顯 示屏有 64 行，每行有 128 列，每 8 列對(duì)應(yīng) 1 字節(jié)的 8 位，即每行由 16 字節(jié)，共 168=128 個(gè)點(diǎn)組成，屏上 6416 個(gè)顯示單元與顯示 RAM 區(qū) 1024 字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由 RAM 區(qū)的 000H00FH 的16 字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（000H）=FFH 時(shí)，則屏幕 的左上角顯示一條短亮線，長(zhǎng)度為 8 個(gè)點(diǎn)；當(dāng)（3FFH）=FFH 時(shí)，則屏幕的右下 角顯示一條短亮線；（000H）當(dāng) =FFH，（001H）=00H，（002H =00H，（00EH） =00H，（00FH）=00H 時(shí)，則在屏幕的頂部顯示一條由 8 段亮線和 8 條暗線組成的虛線。這就是 LCD 顯示的基本原理。 （2）字符的顯示：用 LCD 顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由 68 或 88 點(diǎn)陣組成既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對(duì)應(yīng)的顯示 RAM 區(qū)的 8 字 節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點(diǎn)亮，為“0”的不亮。這樣一來(lái)就組成某個(gè)字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來(lái)說(shuō)，顯示字符就比 較簡(jiǎn)單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在 LCD上開始顯示的行列號(hào)及 每行的列數(shù)找出顯示 RAM 對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對(duì)應(yīng)的代碼 即可。 （3）漢字的顯示：漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機(jī)中提取要顯 示的漢字的點(diǎn)陣碼（一般用字模提取軟件） ，每個(gè)漢字占 32B，分左右兩半，各 28 占 16B，左邊為 1、3、5右邊為 2、4、6根據(jù)在 LCD 上開始顯示的行列 號(hào)及每行的列數(shù)可找出顯示 RAM 對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的 第一字節(jié)，光標(biāo)位置加 1，送第二個(gè)字節(jié)，換行按列對(duì)齊，送第三個(gè)字節(jié)直 到 32B 顯示完就可以 LCD 上得到一個(gè)完整漢字。 由于本次設(shè)計(jì)的顯示模塊需要顯示多位數(shù)字和漢字，如果采用數(shù)碼管顯示的話將會(huì)占用多個(gè)單片機(jī) I/O 口,使得電路變得更為復(fù)雜。所以選用液晶顯示，12864LCD 符合基本條件，能夠采用。2.3.6 鍵盤輸入選型鍵盤輸入是人機(jī)交互界面中重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接 途徑。操作者通過鍵盤向系統(tǒng)發(fā)送各種指令或置入必要的數(shù)據(jù)信息。因此鍵盤模 塊設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。鍵盤是由若干個(gè)按鍵開關(guān)組成，鍵的多少根據(jù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的用途而定。鍵盤由許多鍵組成，每一個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)，當(dāng)鍵按下時(shí)，觸點(diǎn)閉合，當(dāng)鍵松開時(shí)，觸點(diǎn)斷開。單片機(jī)接收到按鍵的觸點(diǎn)信號(hào)后作相應(yīng)的功能處理。因此，相對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)鍵盤接口信號(hào)是輸入信號(hào)。常用的鍵盤設(shè)計(jì)主要有以下兩種方案：方案