XXXX年湖南科技大学电子设计竞赛答卷2

实用电子称（A）设计报告学院：参赛队员：指导老师：一、引言（摘要）为满足实用电子称的要求，经过对各个单元电路方案的比较论证及确定。本系统采用单片机STC89C52为控制核心，实现电子称的基本控制功能。系统的硬件部分基本包括最小系统板、数据采集、人机交互界面三大部分。最小系统部分主要是扩展了外部数据存储器，数据采集部分由压力传感器、信号处理部分和A/D转换部分组成。人机界面部分为键盘输入，128×64点阵式液晶显示，可以直观的显示中文。同时在此基础上本系统增加了报警电路，以免测量量超出测量范围。软件部分应用单片机C语言实现本设计的全部控制功能，包括基本的称重功能，去皮功能，总额累加计算和发挥部分的显示购物清单的功能，可以设置日期并显示购物日期、收银员编号、售货单位和重新设定10种商品的单价，具有超重报警功能。此电子称具备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。技术报告以电子称的设计为主线，包括电子称的软硬件设计，以及控制算法研究等，共分为六章。其中，第一部分为引言部分；第二部分主要介绍了电子称的总体方案的选取，对单片机资源的分配作了说明。第四部分对电子称的硬件设计进行了详细的介绍，主要介绍了电路的设计；第五部分描述了电子称的软件设计和相关算法。第六部分中叙述了我们在设计过程中遇到的问题和解决方法。二、电子称整体设计方案论证按照设计功能的要求，本系统由5个部分组成：控制器部分、数据采集部分、人机交互界面、时钟日历电路和报警电路。系统设计总体方案框图如图2.1所示：STC89C52单片机键盘电源LCD显示报警系统压力传感器信号放大A/D转换器时钟日历系统数据采集部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号，而后经放大电路部分处理后送入A/D转换器，将模拟信号转换为数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其储存到外部储存器中。在人机交互部分，控制器还要通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过一些程序实现对整个系统的控制，并根据需要通过数据显示器显示功能。报警系统部分，当称量物体的重量超出称量范围时，系统发出警告信息。2.1控制器选取方案一：采用大规模可编程逻辑器件来实现，因为系统需要大量控制液晶显示器和键盘。由于大规模可编程逻辑器件一般是使用状态机方式来实现，即所解决的问题都是规则的有限状态转换问题。本系统状态较多，难度系数较大。故不宜采用大规模可编辑逻辑器件：CPLD、FPGA来实现。方案二：采用51系列单片机来实现。因为系统需要大量控制液晶显示器和键盘，另外系统没有其他高标准的要求，有考虑到本设计中程序部分比较大，根据总方案设计的分析，可以选用带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接储存在片内，不用在外部扩展存储器中，可一定程度上简化电路。INTEL公司的8051和8751都可以使用，在这里选用STC公司生产的AT89SXX系列单片机。STC89CXX系列与MCS-51相比有两大优势：第一，片内储存器采用闪速存储器，使程序写入更方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。此外，价格低廉、采用80C51核心处理器单元，具有1K字节RAM；64/32/16/8kB片内Flash程序存储器，支持12时钟(默认)或6时钟模式，4个8位I/O接口。这些设备能够很好地实行本仪器的测量和控制要求。最后我们最终选择了方案二，并采用STC89C52这个单片机来实现系统的功能要求。内部带有8KB的程序存储器，在外面扩展了32K数据存储器，以满足系统要求。2.2数据采集方案的选取2.2.1传感器部分方案一：采用电阻应变式称重传感器电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：利用它将被测的重量转换为弹性体得应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件井弹性体的硬币，同步地转换为电阻值的变化。在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。它包含一个具有至少两个可变桥臂的4电阻结构的电桥，其中由由所称重量引起的电阻变化可产生一个叠加在电源电压的一半共模电压之上的差分电压。电阻应变式传感器工作原理框图如图2-2所示：电阻应变式称重传感器桥式测量电路如图2-3所示：R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。ZZZZR2+△R2R1+△R1R4+△R4R3+△R3EinEout当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出：EinRRRRRRRRRRRRutE)44332211()42(42o电压敏感元件应变片测量电桥载荷p应变ε电阻变化△R输出图2-2电阻应变式称重传感器工作原理框图图2-3桥式测量电路由于测量电桥采用惠更斯电桥，且惠更斯电桥具有抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点。所以该传感器测量精度高，温度特性好，工作稳定等优点。同时全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以在本设计中我们采用该方案。方案二：采用压磁式称重传感器它是一种力—电转换的无源传感器。它的工作原理是利用压磁效应，将被称重量的变化变换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号。压磁传感器具有输出信号大、抗干扰性能好、过载能力强、不均匀载荷对测量准确度的影响小，但准确度低、反应速度慢。所以不采用该方案。方案三：采用电容式称重传感器它是以各种不同类型的电容器作为转换元件，是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器由于它存在输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏性和称重精度的影响、传感器联接电路比较复杂等原因，直接影响到它的可靠性，所以不采用该方案。通过对三种方案的分析和比较，又因为本系统要求最大称重为9.999公斤，重量误差不大于0.005公斤，且考虑到称台自重、振动和冲击分量，还有避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重9.999公斤。综上我们最终采用矽普电子HL-8型称重传感器，额定量程为15Kg,精度为0.01%，满程误差为0.005kg。可以满足本系统的精度要求。表一称重传感器技术参数2.2.2A/D转换器部分因为本系统设计要求最大称重为9.999公斤，重量误差不大于0.005Kg,所以要求精度达到0.05%FS。A/D转换器位数的选择：量程（Kg）3，15综合误差（%F.S）0.05额定输出温度漂移（%F.S/10℃）≤0.15灵敏度（mv/v）1.0±0.1零点输出（mv/v）±0.1非线性（%F.S）0.05输入电阻（Ω）1000±50重复性（%F.S）0.05输出电阻（Ω）1000±50滞后（%F.S）0.05绝缘电阻（MΩ）≥2000（100VDC）蠕变（%F.S/3min）0.05推荐激励电亚（V）5~10零点漂移（%F.S/1min）0.05工作温度范围（℃）-10~+50零点温度漂移（%F.S/10℃）0.2过载能力（%F.S）15012位A/D精度：10Kg/(122)=0.0024Kg14位A/D精度：10Kg/(142)=0.00061Kg考虑到其他部分所带来的干扰，要满足系统精度要求需要14位或精度更高的A/D。方案一：并行比较A/D转换器：如ADC0808。并行比较ACD是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1GSPS以上，通常称为“闪烁式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分别组成。这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其中转换时间主要取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。缺点是：并行比较式A/D转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位，因此并行比较式A/D只适合于数字示波器等转换速度较快的仪器中，不适合本系统。方案二：逐次逼近型A/D转换器：如ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型ADC是应用广泛的模/数转换方法，这一类型ADC的优点：高速，采样速率可达1MSPS；与其他ADC相比，功耗相当低；在分辨率低于12位时，价格较低。缺点：在高于14位分辨率情况下价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。故该方案不可采用。方案三：积分型A/D转换器：如ICL7135。积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，是应用比较广泛的一类转换器。它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。于此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。积分型ADC两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压VR。此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减少到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域。其优点是分辨率高，可达22位；功耗低、成本低。缺点是：转换速率低，转换速率在12位时为100~300SPS。所以考虑到分辨率要在14位以上，而该类ADC的转换速率较低，故不采用该方案。方案四：采用-技术制成的ADC转换芯片该类芯片具有较高集成度，通常集放大器、模拟开关、A/D转换器、比较器、数字滤波器、输出接口集于一体。仅需几个外围器件便可构成一个完整的A/D转换系统，大大减少了电路的复杂度。由于其集成度高，所以故障概率较采用分立元件A/D转换系统有明显降低，进而提高系统可靠性。此外，其内部置高性能仪表放大器，大大降低对信号源的要求。电子称电阻应变式称重传感器输出信号为mV级，若采用一般的A/D转换器往往需要放大后才能进行A/D转换。而-A/D转换器大都采用了增益可编程放大器，可编程数字滤波、多种自校准技术等多项先进技术，并多数采用微处理器来管理与控制转换程序，由于采用了多种综合技术措施，放大器的增益调整、数字滤波和误差校正都集中在同一芯片中，外围器件少，使用方便可靠。故采用该方案。经过对以上几种方案的分析与比较，我们最终采用了矽普电子的HX711型称重传感器专用24位模拟/数字（A/D）转换器芯片。该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器模拟开关、-A/D转换器、比较器、数字滤波器等以及其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。2.2.3放大器选取由于采用-技术制成的ADC转换芯片HX711,其内部置高性能仪表放大器，大大降低对信号源的要求。且可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。所以不需要添加放大电路部分。2.3人机交互界面方案选取2.3.1键盘输入由于电子称需要设置单价（十个数字键），还需具有确认、删除等功能，总共需设置16个键。键盘的扩展方案为：采用矩阵式键盘：矩阵式键盘的特点是把检测线分为两组，一组为行线，一组为列线，按键放在行线和列线的交叉点上。当键盘的数量大于8个时，一般都采用矩阵式键盘。图2-4给出了一个44的矩阵键盘结构的键盘接口电路，图中的每一个按键都通过不同的行线和列线与主机相连。44的矩阵键盘共可安装16个键，但只需8条测试线。2.3.2显示输出部分方案一：采用带有字库的点阵图形液晶显示模块显示。点阵图形液晶模块是一种用于显示各类图像、符号、汉字的显示模块，其显示屏的点阵像素连续排列，行和列在排布中没有间隔，因此可以显示连续、完整的图形。当然它也能显示字母、数字等字符。因为设计要求显示的全部内容采用中文显示，所以要求的显示器必需带有中文字库。该类显示器具有功耗低、体积小、质量轻、超薄和可编程等优点。故可以采用该方案。方案二：采用LED数码管显示。数码管只能显示有限的数字和符号，显示内容少，无法满足设计要求。故不采用该方案。经过对以上方案的分析和比较，我们采用带中文字库的12864液晶显示器。它具有4