基于PIC16F877A智能电子秤的设计.doc

装订线长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计目录第1章 前言11.1 选题的背景和意义11.2 国内外电子秤发展及成果21.3 研究现状31.3.1 影响因素31.3.2 产品质量31.3.3 发展方向41.3.4 电子秤的智能化41.4 电子秤设计的任务及要求4第2章 系统方案设计与论证62.1 系统方案的设计思路62.2 系统方案设计62.3 系统方案比较与论证62.3.1 单片机的选型62.3.2 称重传感器选型102.3.3 放大部分选型142.3.4 A/D转换器选型142.3.5 显示模块选型162.3.6 键盘输入选型182.3.7 语音芯片选型19第3章 系统硬件设计203.1 基于PIC16F877A的主控电路203.1.1 PIC16F877A简介203.1.2 PIC16F877A引脚介绍203.1.3 主控电路设计213.2 称重部分223.2.1 GF-7桥型称重器简介223.2.2 工作原理233.2.3 硬件电路233.3 测身高部分243.3.1 超声波测距原理243.3.2 测身高硬件电路设计243.4 显示部分263.5 语音播报部分273.6 键盘部分283.7 报警电路283.8 电源电路293.9 硬件低功耗设计293.9.1 低功耗元器件选择293.9.2 低功耗电路设计30第4章 软件设计314.1 称重部分软件设计314.2 测身高部分软件设计32第5章 结论36致 谢37参考文献38ii第1章 前言目前，随着社会的发展、生活水平不断提高，人们越来越关注自己的身体健康。许多人由于工作的压力和不良的饮食习惯，使得身体健康每况愈下，疾病也随之而来，而在这些人群中，患有肥胖和营养不良的病人居多。为方便人们及时了解自己的体重是否超出或低于标准的体重，在许多公共场合都摆放了人体秤，商场、药店、马路旁等随处可见，给那些由于工作紧张没有时间到医院做定期体验的人们带来了方便。人体秤已不再是医院的专用医疗器械，已成为人们生活中不可缺少的一部分。 普通人体秤测量身高和体重的结果都是直接用眼睛观看指针读取的，由于读数的方法各不相同、读数时光线有明有暗等多种原因，使得读取数据的误差过大。由于人体秤的使用非常普遍，解决这一问题显得尤为重要。近年来，随着科技不断进步，计算机已渗透到各个领域，单片机已逐渐成为科学技术现代化的重要工具，正在不断地走向深入。单片机的应用已深入到人类的生活、生产等各种领域。在此基础上发展起来的由单片机控制的人体称，比普通人体称在耐用性、适用环境、读数的准确度等方面有了很大的提高。 智能人体秤经济、实用，适合在广大工薪阶层推广。因此,以单片机为控制核心的人体秤，不但提高了读数的精确度，给人们以直观的效果，将身材标准与否一并显示，与普通人体秤的价格相差无几，逐渐取代传统的人体秤。1.1 选题的背景和意义称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定 计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到国 民经济各领域，取得了显著的经济效益。电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高劳动生产率。例如标签秤在超市中的应用已经是耳闻目睹的了。一张小小的标签包含着：品名、价格、重量等，一一列表在这小小的电子标签上。标签机的使用大大加快了销售速度，也方便了顾客。顶尖条码标签秤有着许多卓越的特点，以太网功能使管理更加方便。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。50 年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60 年代初期出现机电结合式电子衡器以来，随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。经过40 多年的不断改进与完善，衡器技术也在不断进步和提高。从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。现今电子衡器制造技 术及应用得到了新发展：电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高1。1.2 国内外电子秤发展及成果随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，对秤重技术提出了心动要求，希望称重过程自动化，为此电子技术渗入衡器制造业。在 1954 年使用了带新式打印机的倾斜式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与人工操作的按键与办公机器联用。在1960 年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。当时带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。电子称的发展过程与其他事物一样，也经历了由简单到复杂、又粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近30 年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。近年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和控制过程中。现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可或缺的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子称的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等一些国家在 20 世纪 60 年代就出现了0.1%称量准确度的电子称，并在 70 年代中期约对75%的机械秤进行了机电结合式改造。 我国的衡器在 20 世纪40年代以前还全是机械式的，40年代开始发展了机电结合式的衡器。50 年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。80 年代以来，我国通过自行研究引进消化吸 收和技术改造。已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术与一体化的电子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣条件下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点，已被广泛应用于工矿企业、能源 交通、商业贸易和科学技术等各个部门、随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理 器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。电子衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子称到大型的电子称重系统，从单纯的 称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元，其应用领域不断地扩大。根据近些年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，电子称的发展动向为：小型化、 模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向综 合性、组合性2。1.3 研究现状1.3.1 影响因素随着科技的进步, 对电子秤的要求也越来越高。影响其精度的因素主要有: 机械结构、 传感器和数显仪表。在机械结构方面，因材料结构强度和刚度的限制, 会使力的传递出现误差，而传感器输出特性存在非线性, 加上信号放大、模数转 换等环节存在的非线性，使得整个系统的非线性误差变得不容忽视。因此，在高精度的称重场合，迫切需要电子秤能在线自动校正系统的非线性。此外，为了保证准确、稳定地显示, 仪器内部分辨率(主要是 ADC 的分辨率) 一般要比外部显示分辨率高4倍以上, 这就要求所采用的 ADC 具有足够的转换位数，而采用高精度的 ADC，自然增加了系统的成本。1.3.2 产品质量目前市场上主流的电子秤根据使用功能的不同包括以下几个类型：电子天平、电子计数秤、电子计价秤、电子台秤、电子吊钩秤、定量包装秤以及条形码 电子秤等。面对种类如此繁多的电子秤，目前市场上存在许多不合格的电子秤产品。不合格问题主要表现在以下三个方面：（1）温度试验项目不符合标准规定；（2）湿热试验项目达不到标准要求；（3）抗电脉冲串试验和抗静电放电试验项目不合格。造成产品不合格的原因主要有以下几个方面：（1）称重传感器的质量不达标，制约了电子秤产品整体质量的提高；（2）关键元器件未进行筛选和通电老化，造成电子计价秤质量失控；（3）部分产品设计上抗干扰能力不强；（4）产品检验把关不严。 面对目前市场上电子秤产品的总体质量不高的局面，除了加强对电子秤产品 的日常监督管理之外，还要从根本上推动技术的发展，促进电子秤产品质量的提高，更好地保护消费者的合法权益3。 1.3.3 发展方向电子秤不仅要向高精度、高可靠方向发展，而且更需向多种功能的方向发展。据悉,目前电子秤的附加功能主要有以下几种：（1）电子秤附加了计算机信息补偿处理装置，可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理；（2）具有皮重、净重显示等特种功能。电子秤有些已具备了动态称量模式, 即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法, 消除上述的误差；（3）附加特殊的数据处理功能。目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能, 以满足多种使用的要求。今后, 随着电子高科技的飞速发展,电子秤技术的发展定将日新月异。同时, 功能更加齐全的高精度的先进电子秤将会不断问世, 其应用范围也会更加拓宽。 1.3.4 电子秤的智能化电子秤的智能化电子秤的称重功能是基于微电脑控制芯片处理器这一核心技术来实现的。 由于目前在设计电子秤系统时大量地采用集成芯片， 因此电子秤系统已经摆脱了以往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展。在此基础上可以实现系统功能的扩展，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。电子秤由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的电子秤有较高的性价比，在很多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。在具体开发电子秤的系统时应该根据用户的客观需要，再结合系统硬件和软件，从而可以开发出一套实际使用价值极大的电子秤系统。目前，随着电子技术的飞速发展，微处理器应用技术的日趋成熟，必将推进基于微处理器为核心的电子秤系统功能的日趋完善，因此多元化智能电子秤具有广泛的应用前景和开发价值！1.4 电子秤设计的任务及要求本次毕业设计利用单片机设计一个不仅可以称体重，而且可以测身高的智能电子秤。系统的硬件部分包括控制器、数据采集处理、人机接口三大部分。要求该系统特征及主要控制功能：（1）测量范围：体重不超过150Kg，身高不超过2米 （2）测量精度：体重误差不大于50克，身高误差不大于2% （3）显示方式：LCD显示身高和体重值。 （4）使用操作：键盘输入数据，操作简单方便。 （5）特殊功能：语音播报测量结果；当物品重量超过电子秤量程，即过载情况或者是物品重量小于A/D转换器所能转换的最小精度，即欠量程的时候，具有超重报警功能。第2章 系统方案设计与论证2.1 系统方案的设计思路当人站到秤盘上时，秤盘下的重量电阻应变式传感器产生一电信号，信号的强弱随重量的大小而变，该电信号经放大电路放大后，经A/D转换，转换后的数字量与体重成正比，再进入单片机经过数据处理，单片机产生一组满足显示要求的数据，送至显示电路显示出实际重量。与此同时超声波测距的发射探头发射超声波，计数器开始计数，当接收探收到回波的时候发出中断信号，计数器停止计数，通过单片机处理后计算出距离，然后设置一个固定距离减去测得的距离就是人的身高。然后送至显示电路显示出身高，在把数据送到语音播报芯片产生语音，报出身高和体重。当系统的工作电压低于正常工作范围时，低压报警电路产生声光报警。2.2 系统方案设计系统的硬件部分包括控制器、数据采集处理、人机接口三大部分。控制部分主要采用单片机实现控制功能。数据采集处理分两大模块：称重数据采集处理和用超声波测身高数据采集处理，由传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。人机接口部分主要包括键盘、显示和语音播报。硬件结构框图如图2.1所示:图2.1 硬件结构框图2.3 系统方案比较与论证2.3.1 单片机的选型选择单片机型号的出发点有以下几个方面：1、市场货源 系统设计者只能在市场上能够提供的单片机中选择，特别是作为产品大批量生产的应用系统，所选的单片机型号必须有稳定、充足的货源。2、单片机性能 应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标 的型号，而且能达到较高的性能价格比。单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。影响性能价格比的因素除单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性能价格比。3、研制周期 在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。各种单片机都有各自的优缺点，应根据需要选择。选择单片机原则如下：（1）单片机的基本参数例如速度，程序存储器容量，I/O 引脚数量 （2）单片机的增强功能。例如看门狗，双指针，双串口，RTC（实时指针） ， EEPROM，扩展 ROM，CAN 接口，I2C 接口，SPI 接口，USB 接口。 （3）Flash 和 PTP（一次性可编程）相比较。最好是 Flash。（4）封装 IP（双列直插），PLCC（PLCC 有对应插座）还是贴片。DIP 封装在做实验时可能方便一点。（5）工作温度范围，工业级还是商业级，如果设计户外产品，必须选用工业级。（6）工作电压范围。例如设计电视机遥控器，2 节干电池供电，至少应该能在 1.83.6V 电压范围内工作。（7）供货渠道畅通。能申请样片，小批量购买有现货。最好像标准51，随便找个地方就能买到。（8）价格低。（9）有服务商，像周立功公司推 Philips，双龙公司推 AVR，都提供了很多有用的技术支持，起码烧写器有地方买。（10）烧录器价格低，如果是 ICP（把单片机放在烧录器上编程）能否利用现有的烧录器，如果是表贴封装，买一个转接座也很贵，至少得一两百元。 能否 ISP （在系统编程，即把芯片先焊到板子上再通过预留的 ISP 接口编程） ，一般ISP 编程器比较便宜大约一两百元甚至几十元。（11）仿真器便宜。对于 FLASH 型单片机，仿真器不是必备的。但是对于 OTP（一次性可编程）型单片机，必须购买或者租用仿真器。（12）单片机汇编语言是自己熟悉的，并且能支持 C 语言。编程环境要像 Keil 一样好用，并且还是免费的。（13）网站速度快，资料丰富、包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例程 序。最好有中文，像 Atmel就不错。（14）保密性能好，查一下专业解密网站上的黑名单，再发个mail 咨询一下解密价格。 经综合考虑，有以下两种方案。方案一：51系列单片机 。51系列是应用最广泛的单片机，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史悠久，有先入为主的优势。世界有许多著名的芯片公司都购买了51芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能上的扩充，使得芯片得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系，直到现在仍在不断翻新，把单片机世界炒得沸沸扬扬。51 系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能， 但能进行位逻辑运算的实属少见。 系列在片内 RAM 区间51 还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址 20H2FH，它既可作字节处理， 也可作位处理(作位处理时，128 个位，合相应位地址为 OOH 7FH)，使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程 中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理(包括前面所有的位功能)，只需用一条位操作指令即可。51 系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以 八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令， 其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。作乘法时，只需一条指令即可。很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。51 系列的 I/O 脚的设置和使用非常简单，但高电平时无输出能力，可谓有利有弊。故其他系列的单片机(如 PIC 系列、AVR 系列等)对 I/O 口进行了改进，增加了方向寄存器以确定输入或输出，但使用也变得复杂。同时，原51系列也有许多值得改进之处，如运行速度过慢等。当晶振频率 为 12MHz 时，机器周期达 1s，显然适应不了现代高速运行的需要。华邦公司 (Winbond)生产的产品型号为 W77 系列和 W78 系列， W78 系列与 AT89C 系列完 全兼容。W77 系列为增强型，对原有的 8051 的时序作了改进，每个机器周期从 12 个时钟周期改为 4 个周期，使速度提高了三倍，同时，晶振频率最高可达 40MHz。W77 系列还增加了看门狗 WatchDog、两组 uART、两组 DVTR 数据指 针、ISP 等多种功能4。方案二：PIC 单片机。PIC 单片机 CPU 采用 RISC 结构，分别有 33、35、58 条指令(视单片机的级 别而定)，属精简指令集。而51系列有 111 条指令，AVR 单片机有 118 条指令， 都比前者复杂。采用 Haryard 双总线结构，运行速度快(指令周期约 160200nS)，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期(个别除外)，这也是高效率运行的原因之一。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。PIC 系列单片机的 IO 口是双向的，其输出电路为 CMOS 互补推挽输出电 路。IO 脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器，从而解决了51 系列 IO 脚为高电平时同为输入和输出的状态。当置位 1 时为输入状态，且不管该 脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态；置位 0 时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相当的驱动能力，低电平吸人电流达25mA，高电平 输出电流可达 20mA。相对于 51 系列而言，这是一个很大的优点，它可以直接 驱动数码管显示且外电路简单。它的 AD 为 10 位，能满足精度要求。具有在线调试及编程功能5。综合来看，PIC 与 51单片机相比具有一系列的优点，用通俗的说法主要体现在这几个方面：(1)总线结构:MCS-51 单片机的总线结构是冯-诺依曼型,计算机在同一个存储 空间取指令和数据,两者不能同时进行;而 PIC 单片机的总线结构是哈佛结构,指令 和数据空间是完全分开的,一个用于指令,一个用于数据,由于可以对程序和数据 同时进行访问,所以提高了数据吞吐率。正因为在 PIC 单片机中采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是：程序和数据总线可以采用不同的 宽度。数据总线都是8 位的，但指令总线位数分别位 12、14、16 位。(2)流水线结构:MCS-51单片机的取指和执行采用单指令流水线结构,即取一 条指令,执行完后再取下一条指令;而PIC的取指和执行采用双指令流水线结构, 当一条指令被执行时,允许下一条指令同时被取出,这样就实现了单周期指令。(3)寄存器组:PIC 单片机的所有寄存器,包括 I/O 口,定时器和程序计数器等都 采用 RAM 结构形式,而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作;而 MCS-51 单片机需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。（4）在相同的系统时钟下 PIC运行速度最快；（5）所有 AVR 单片机的 FLASH、EEPROM 蓄存器都可以反复烧写、支持在 ISP 在线编程(烧写)，入门费用非常少；（6）片内集成多种频率的 RC 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时 等功能，使得电路设计变得非常简单； （7）每个 IO 口作输出时都可以输出很强的高、低电平，作输入时 IO 口 可以是高阻抗或者带上拉电阻； （8） 片内具有丰富实用的资源，如 AD 模数器、DA 数模器，丰富的中断源、SPI、USART、PWM 等等； （9）内嵌 A/D 的特点：10 位精度，逐次逼近型 ADC；有8路复用单端输 入通道；转换快，65260us 的转换时间 综上所述，选用方案二，可以选用PIC系列中性价比高、内嵌 A/D 转换、执行速度快的PIC16F877A这款单片机，满足系统要求。2.3.2 称重传感器选型传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号 的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器 中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器 处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要6。 传感器的作用是人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人 们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不 够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环 境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 传感器的静态特性是指对静态的输入信号， 传感器的输出量与输入量之间所 具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的 主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。 传感器动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃 响应和频率响应来表示7。根据要求，称重传感器有以下几种方案可以选择：方案一：压电传感器。压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。 压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测 量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力 或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高7。方案二：电容式传感器 。电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、位移以及振动学非电参量8。 电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互 平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为 （2.1）式（2.1）中 d两极板间的距离；A两平行极板相互覆盖的有效面积；介质的相对介电常数；真空中介电常数。若被测量的变化使式中 d 、A、三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因 素： （1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。因 C 太小，故容抗=1/ C 很大，为高阻抗元件，负 载能力差；又因其视在功率，很小，P 也很小。C 则故易受外界干扰，另外，信号需经放大，并采取抗干扰措施。（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 方案三：电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件 结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为R/R 后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的R/R 变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。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的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变量一般为，随之而产生的电阻变化率也大约在数量级之间。这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成 电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。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9。电阻应变式称重传感器工作原理框图如图2.2所示：图2.2 称重传感器工作原理框图 当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形 ，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时 ，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。电阻应变式称重传感器实物图如图2.3所示，引出线为四芯，红（输入+），白（输出-），黑（输出-），绿（输出+）。接线方法是红黑分别接电源正负端，绿白分别接信号的输出端，为确保精度，一般不要调整线长10。图2.3 称重传感器实物图在电阻应变传感器中起作用的是桥式测量电路，桥式测量电路有四个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压，另一个对角线为输出电压，其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零。否则就有电压输出，可利用灵敏电流计来测量。称重传感器测量电桥如下图2.4所示。图2.4 称重传感器测量电桥：当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。当忽略电源的内阻时，由分压原理有： （2.2）当满足条件 R1R3=R2R4 时，（2.3）即=0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡条件。 应变片测量电桥在测量前使电桥平衡， 从而使测量时电桥输出电压只与应变 片感受的应变所引起的电阻变化有关。 若差动工作，即 R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（2.2） ，则电桥输出为： (（2.4)应变片式传感器有如下特点： （1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。 （3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。 （4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。称重部分传感器我们选用GF-7桥形称重传感器，其量程为150Kg,精度为0.01%，满量程时误差为：0.015Kg，可以满足系统的精度要求11。2.3.3 放大部分选型经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变 换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行信号转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构 成具有各种特性的放大器来完成。放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低， 内阻高，还常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求：（1）输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。（2）抗共模电压干扰能力强。（3）在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应 足够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。（4）能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。 放大部分由以下几种方案可供选择：方案一：利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于信号转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。方案二：由高精度低漂移运算放大器构成多级放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如 OP07) 做成一个差动放大器，电阻和电容用于滤除前级的噪声，普通小电容可以滤除高频干扰，大的电解电容主要用于滤除低频噪声。优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路， 滑动变阻器可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。基于以上分析，前级放大部分决定采用方案二。2.3.4 A/D转换器选型A/D 转换器选用的原则： 1、A/D 转换器的位数。A/D 转换器决定分辨率的高低。在系统中，A/D 转 换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。 2、A/D 转换器的转换速率。不同类型的A/D 转换器的转换速率大不相同。 积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速A/D 转换 器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速 A/D 转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统12。 3、是否加采样/保持器。 4、A/D 转换器的有关量程引脚。有的A/D 转换器提供两个输入引脚，不同 量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。 5、A/D 转换器的启动转换和转换结束。一般 A/D 转换器可由外部控制信号 启动转换，这一启动信号可由 CPU 提供。转换结束后 A/D 转换器内部转换结束 信号触发器置位，并输出转换结束标志电平。通知微处理器读取转换结果。 6、A/D 转换器的晶闸管现象。其现象是在正常使用时，A/D转换器芯片电 流骤增，时间一长就会烧坏芯片。为防止这种现象，可采取如下措施： （1）加强抗干扰措施，尽量避免较大的干扰电流进入电路； （2）加强电源稳压滤波措施，在 A/D 转换器电源入口处加退耦滤波电路， 为防止窄脉冲波窜入在电解电容上再接一高频滤波电容； （3）在 A/D 转换器的电源端接一限流电阻，可在出现晶闸管现象时，有效地把电流限定在允许范围内，以防止烧坏器件。 选择 A/D 转换器除考虑上述要点外，为防止对 A/D 转换器的技术指标的影 响，还要注意以下几个问题： （1）工作电源电压是否稳定； （2）外接时钟信号的频率是否合适； （3）工作环境温度是否符合器件要求； （4）与其它器件是否匹配； （5）外接是否有强的电磁干扰； （6）印刷线路板布线是否合理。 目前，常用的A/D 转换器有以下三种方案：方案一：并行比较型。并 行 比 较 型 AD 采 用 多个比较器 ，仅作一次比较而实行转换，又称17 FLash(快速)型，转换速率极高，但考虑到所转换的信号为一慢变信号，并行比较型A/D 转换器的快速的优点不能很好的发挥，且根据系统的要求，应选择14位或者精度更高的AD转换器，并行比较型 A/D 转换器精度达不到要求。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高。所以此方案并不是理想的选择。方案二：双积分型 A/D 转换器。双积分型ADC是间接型A/D转换器，其基本原理是首先对未知的输入电压进行固定时间的积分，然后转向对标准电压进行反相积分至积分输出电压为零（返回起始值）则标准电压积分的时间正比与输入电压。输入电压越大，反向 ，积分时间越长。用高频率时钟脉冲来测量标准电压积分时间，即可得到输入电压对应的数字代码。 双积分型 A/D 转换器虽然转换精度高，具有精确的差分输入，但转换速度 慢。其输入阻抗高，可自动调零，具有超量程信号，全部输出与TTL电平兼容。 双积分型 A/D 转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号 积分为零，所以对 50HZ 的工频干扰抑制能力特强，对高于工频干扰（例如噪声 电压）也具有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影 响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。 方案三：逐次逼近型 A/D 转换器。逐次逼近型 A/D 转换，一般具有采样/保持功能。采样频率高，功耗比较低， 是理想的高速、高精度、省电型 A/D 转换器件。 高精度逐次逼近型 A/D 转换器一般都带有内部基准源和内部时钟，基于单 片机构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。 逐次逼近型 A/D 转换器的工作速度中等，成本较低，且精度也较高满足系 统的要求。所以本设计中选用方案三。由上面对传感器量程和精度的分析可知：A/D 转换器误差应在0.03%以下 。12 位 A/D 精度：150Kg/4096=36.6g 该精度可以满足系统要求，因此，我们可以采用PIC单片机自带的A/D转换器，可以减少硬件电路设计，不需要再选A/D芯片。2.3.5 显示模块选型显示是我们生活中很重要的一部分，常用的显示由以下两种类型：方案一：LED 显示。LED 就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。 LED 显示器结构：基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。可实现 09 的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等 LED 显示器与显示方式：通常使用的是七段 LED。 LED 显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极 LED 显示块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。 在设计中使用 LED 显示块构成 N 位 LED 显示器。N 位 LED 显示器有 N 根 位选线和 8*N 根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮、暗。 LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示方式。 26 在多位 LED 显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个 8 位 I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的 I/O 口线控制。其中两片74LS244 分别用于段信号和位信号的驱动，74LS273 用于段信号的锁存。 方案二：LCD 显示。LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行 的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。比 LED要好的多，但是价钱较其贵。 在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电 子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以 看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般 的输出方式有以下几种：发光管、LED 数码管、液晶显示器。发光管和 LED 数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点： （1）显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种 27 色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。 （2）数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单 可靠，操作更加方便。 （3）体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来 达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 （4）功耗低：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上，因而耗电量比其它显示器要少得多。 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模 集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA 移动通信工具等众多领域。 液晶显示器各种图形的显示原理：（1）线段的显示：点阵图形式液晶由 MN 个显示单元组成，假设 LCD 显 示屏有 64 行，每行有 128 列，每 8 列对应 1 字节的 8 位，即每行由 16 字节，共 168=128 个点组成，屏上 6416 个显示单元与显示 RAM 区 1024 字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由 RAM 区的 000H00FH 的16 字节的内容决定，当（000H）=FFH 时，则屏幕 的左上角显示一条短亮线，长度为 8 个点；当（3FFH）=FFH 时，则屏幕的右下 角显示一条短亮线；（000H）当 =FFH，（001H）=00H，（002H =00H，（00EH） =00H，（00FH）=00H 时，则在屏幕的顶部显示一条由 8 段亮线和 8 条暗线组成的虚线。这就是 LCD 显示的基本原理。 （2）字符的显示：用 LCD 显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由 68 或 88 点阵组成既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字 节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比 较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在 LCD上开始显示的行列号及 每行的列数找出显示 RAM 对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码 即可。 （3）汉字的显示：汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显 示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件） ，每个汉字占 32B，分左右两半，各 28 占 16B，左边为 1、3、5右边为 2、4、6根据在 LCD 上开始显示的行列 号及每行的列数可找出显示 RAM 对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的 第一字节，光标位置加 1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直 到 32B 显示完就可以 LCD 上得到一个完整汉字。 由于本次设计的显示模块需要显示多位数字和汉字，如果采用数码管显示的话将会占用多个单片机 I/O 口,使得电路变得更为复杂。所以选用液晶显示，12864LCD 符合基本条件，能够采用。2.3.6 键盘输入选型键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接 途径。操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。因此键盘模 块设计的好坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的