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数显电子秤的设计数显电子秤的设计 摘摘 要要 本课题旨在设计一款基于 MSP430F1611 单片机的数显电子秤 随着社会的发展 人们在货物的称量上对称量工具的要求越来越高 使得 称量仪器产生了较大的变化和发展 数显电子秤是一种先进的电子设备 操作 简单 实用性强 本设计以 MSP430F1611 单片机为核心处理器件 利用电阻应变式片传感器 构成全桥测量电路 将所称物品的重量转换成线性的电压关系 再通过不同放 大倍数的放大器将信号放大供模数 A D 转换器件采集 单片机通过矩阵键盘 采集用户输入的价格 经计算后通过 Nokia5110 液晶显示出重量 单价 总价 等基本信息 选用这种测量方法不仅精度高 误差小 而且操作简单 直观 系统量程为 10Kg 测量精度为 0 01Kg 整个系统通过可充电电池供电 所以能 在任何场所使用 关键词关键词 数显电子秤 单片机 电阻应变式传感器 模数 A D 转换 Design of digital electronic scales Abstract A micro controller of MSP430F1611 which based on electronic scale theory an d implementation methods is designed in this paper With the development of our society the standards of weighing instrument i n weighing goods become higher and higher which makes the weighing instru ment has a greater change and development The Digital electronic scale is a ki nd of advanced electronic equipment which has the features of simple operatio n and strong practicability The MSP430F1611 micro computer is used as the core processor The whole bridge is constituted by the resistance strain type sensor With the measuring principle of the whole bridge the goods weight is converted into A linear relationship between the voltage and then through different magnification amplifier to make signal amplification module A D conversion device micro controller through the matrix keyboard to collect user input prices after calculating in Nokia5110 LCD screen shows the basic information such as weight unit price total price The characteristics of the method of measurement is not only high precision small error and the simple operation The system range is 0 01 kg which can be used in anywhere because of the pets battery Key words Electrical Weight Scale A D Converter Resistance strain sensor MCU 目目 录录 论文总页数 25 页 1 引言 1 1 1 课题背景 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 本课题研究的意义 1 1 4 本文的主要任务及结构 1 2 电子秤介绍 1 2 1 电子秤基本结构 1 2 1 1 电子秤基本结构 2 2 1 2 电子秤的工作原理 2 2 1 2 电子秤的计量性能 3 3 系统方案论证和选型 3 3 1 总体设计思路 3 3 2 系统总体设计方案比较与论证 4 3 3 传感器的选择 5 3 3 1 压电传感器 5 3 3 2 电容式传感器 6 3 3 3 电阻应变式传感器 6 3 4 控制器件部分的选型 8 3 5 放大器的选择 8 3 5 1 普通低温漂运算放大器 9 3 5 2 高精度低漂移运算放大器 9 3 5 3 专用仪表运算放大器 9 3 6 数据转换部分的选择 10 3 7 显示模块 11 3 7 1 LED 显示 11 3 7 2 LCD 显示 11 3 8 键盘输入模块 11 3 8 1 专用按键处理芯片 12 3 8 2 矩阵键盘 12 3 9 本章小结 12 4 系统硬件设计 12 4 1 基于 MSP430F1611 的主控电路 12 4 1 1 MSP430F1611 简介 12 4 1 2 芯片管脚 13 4 1 3 具体电路说明 14 4 2 INA2126 放大电路 14 4 2 1 芯片介绍 14 4 2 2 管脚定义 15 4 2 3 具体电路说明 15 4 3 显示电路 15 4 3 1 液晶介绍 15 4 3 2 管脚定义 16 4 3 3 具体电路 16 4 4 电源电路 16 4 4 1 电源具体电路 17 4 5 矩阵键盘电路 17 4 6 本章小结 18 5 系统软件设计 18 5 1 主函数流程图 18 5 2 子函数程序设计 20 5 2 1 数据采集程序设计 20 5 2 2 人机界面处理模块 21 5 2 3 键盘扫描程序设计 21 5 3 本章小结 22 总结和展望 22 参考文献 23 致 谢 24 声 明 25 第 1 页 共 25 页 1 1 引言引言 1 11 1 课题背景课题背景 目前数显电子秤在工业和商业等行业下的应用越来越广泛 从而使得电子 秤也发生了不断的更新和变化 本设计就以普通商店实用电子秤应用为背景以 单片机为核心处理器设计和制作一款家商用数显电子秤 要求数显电子秤具有 多量程测试 多功能 以及简单的操作界面 最大量程为 10Kg 称量准确度为 级 最大量程测量误差0 01kg 其原理为利用单片机对从压力传感器传来 的信号 经过适当放大 进行模数 A D 转换以及误差修正 然后在液晶上显 示出被称物品的相关信息 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 从有关的文献和实际应用来看 由于电子行业的蓬勃发展 数显电子秤也得 到了极大的发展 当前电子秤以应用到各行各业 对于民用型电子秤采用的正 是本文所阐述的这种方法 但由于传感器种类和数据转换 处理以及显示方式 的不同也使得电子秤呈现多元化 在一些要求精度很高的领域 电子秤已往单 片集成方向发展 这样能极大的降低数据在采集和传输过程中造成的误差 1 31 3 本课题研究的意义本课题研究的意义 电子秤的应用主要分为工业称量和民用 工业称量对精度要求很高 例如 珠宝行业 而民用则相对来讲精度要求会小很多 但要求操作简单 显示直观 可携带性强 智能化高 本文设计的数显电子秤恰好满足这一系列的要求 因 此本设计在日常生活中适用性很强 1 41 4 本文的主要任务及结构本文的主要任务及结构 在本设计期间 作者通过查阅大量资料了解电子秤的发展和设计 并通过 实际制作完成了本文的验证 本文分为 5 章来介绍数显电子秤的设计和测试 第 1 章 引言 介绍数显电子秤的运用背景及其意义 第 2 章 电子秤介绍 本章介绍电子秤的组成结构 工作原理和其计量指 标 第 3 章 系统设计 将详细介绍系统的设计方案和选型 第 4 章 本章将对介绍本设计中所涉及到的硬件电路 第 5 章 本章将介绍本设计的软件组成 2 2 电子秤介绍电子秤介绍 2 12 1 电子秤基本结构电子秤基本结构 称重装置不只是简单地为各种场合提供重量数据 它还是工业 商业系统 中一个重要组成部分 在工业自动化和现代化管理中起到了积极的推动作用 第 2 页 共 25 页 除此之外 还在压缩作业时间 改良操作条件 提高产品质量等多方面发挥了 作用 目前已取得了显著的经济效益 电子秤由承重 传力复位部件 压力传感器 数据采集 信号放大转化 测量和计算等一系列系统组成 接下来介绍数显电子秤的组成结构 工作原理 和相关计量指标 2 1 12 1 1 电子秤基本结构电子秤基本结构 电子秤是利用被称量物体的重力效应来获取物体重量的测量仪器 主要用 来确定和重量相关的一系列参数 但是无论依据什么原理都由下列三部分组成 a 承重 传力系统 它是压力传感器和被称物品之间的机械 传力系统 也就是电子秤的秤体 该部分主要包括能承载被称物体重量的承载器 秤桥连接部件和起减振作用的 限位减振结构等 b 称重传感器 即能将生活中的物理量 重量 转变为电量的器件 它是利用重物对传感 器的压力变换成适合于采集的电信号所必须的一种辅助工具 按照称重传感器的工作原理或结构型不同 能够分为直接位移传感器 电 容式 电感式 电位计式 振弦式 空腔谐振器式等 和应变式传感器 电阻 应变式 表面谐振式 或是基于磁弹性 压电和压阻效应的传感器 在实际应用中对称重传感器的要求为 被称量物体的重量大小和输出的电 量的大小保持一一对应 即在称量量程范围内需要具有较好的线性关系 除此 之外还要求灵敏度高 输出的电量不会因为被测物体的状态变化而变化 能在 一些较恶劣的环境下稳定工作 c 测量数据输出和结果显示量装置 即数据采集电子线路 其中包括称重传感器 放大传感器输出信号的放大 器 模数转换 电源 测量补尝元件 保护部件等 和结果输出部件 如通过 LED 或 LCD 显示 打印机打印 数据存贮器件等 这部分通常被称为称载荷测 量装置 2 1 22 1 2 电子秤的工作原理电子秤的工作原理 当被称物体被放置在电子秤的秤台上时 通过秤体连接装置就可以将被测 物体的重量转为压力传递到称重传感器 传感器则将这一物理量 重量 转化 为可被采集测量的电信号 电压 电流或是电阻 这个信号的电量大小和被称 物体的重量称正比 该信号一般输出较小所以还需经放大器电路进行放大后就 可以给 A D 转换器件转变为数字信号 接下来由单片机完成对数字信号的处理 第 3 页 共 25 页 与此同时 CPU 不断扫描键盘 根据键盘输入的内容进行必要的计算 分析 CPU 再将运算结果被送到存贮器 假如需要显示 CPU 从存贮器中读出送到显示器 上显示 整个仪器需要完成了从信号采集 放大 数模转换 结果存储 显示 等一系列的功能 2 1 22 1 2 电子秤的计量性能电子秤的计量性能 电子秤的主要计量性能指标为 量程 分度值 分度数 准确度等级等 a 量程 保证电子秤正常工作时 能称量的物体的重量的最小值到最大值 b 分度值 如果将电子秤的量程分成若干等份 分度值就是其中的一份的 大小 通常用 e 或 d 来表示 c 分度数 同第二点 分度数就是其总份数 通常用 n 表示 d 准确度等级 按不动的分度数国际计量组织把电子秤分成 I II III 四类等级 这 四个等级表示电子秤不同的分度数 n 的范围 如表 1 所示 表 1 不同准确度的电子秤和分度数 3 3 系统方案论证和选型系统方案论证和选型 3 13 1 总体设计思路总体设计思路 根据上述分析 对本次商店实用数显电子秤的设计提出了如下具体指标 a 最大量程为 10Kg b 分度值为 0 01Kg c 分度数为 1000 d 准确度为 III 级 e 能通过外接键盘键入单价信息 f 能显示出物品的重量 单价 总价等基本信息 g 通过便携式电池为整个系统供电 h 当被称物体重量超过最大量程时 提示超载 标志及等级电子秤分类分度数范围 特种准确度基准衡器n 100000 高准确度精密衡器10000 n 100000 中准确度商业衡器1000 n 10000 普通准确度粗衡器100 n 1000 第 4 页 共 25 页 i 为提高精度 针对不同量程的重物分不同档位称量 通过大量查阅相关文献资料结合本设计中的各项指标分析 提出本设计的 主要思想如下 利用称重传感器将被测量物体的重量转变为电压信号 再将该 小信号送到放大电路做预处理 然后通过 A D 转换成数字信号 最后把数字信 号送入单片机 单片机经计算 分析后作相应处理 最后在通过显示器件将被 测物体的重量 单价 总额显示出来 为使系统可携带 系统电源采用电池供 电 这种电子秤具有体积小 称量准确 携带性强等优点 因此能够胜任商业 贸易和居民家庭需求 3 23 2 系统总体设计方案比较与论证系统总体设计方案比较与论证 按照本设计的功能要求 系统可分为 6 个部分 重量数据采集部分 信号 预处理部分 数据转换部分 人机交互界面部分 系统控制器部分和电源部分 系统设计总体方案框图如图 1 所示 图 1 设计思路框图 重量数据采集部分是利用称重传感器将压力这一非电物理量转换为幅值较 小的电压信号 而后经数据整理电路 本设计为差分放大器 处理后 送模数 转换器 将模拟电压信号转化为单片机可识别的数字信号输出 单片机部分接 收到来自 A D 转换器输出的数字信号 经过计算 分析 将数字信号转为被测 物体的重量信息并保存 与此同时控制器通过对外接矩阵键盘进行扫描 而后 通过调用键盘数据输入程序 实现对整个系统的控制 数据显示部分则根据需 MSPF430 单片机 矩阵键盘 电 源 压力传感器放大器电路 LCD 显示 第 5 页 共 25 页 要完成相关信息的显示 3 33 3 传感器的选择传感器的选择 数显电子秤重量数据采集部分包含称重传感器电路 信号预处理电路 下 面将从这两方面给出论证 在电路设计中 传感器作为把实际物理量转为电信号的器件 显得格外重 要 因此必须选择合适和稳定的传感器 在选择过程中不仅要注意其量程等一 系列基本电气参数 还有考虑其外接电路的复杂程度 是否抗干扰能力和电路 性价比等指标 称重传感器量程量程的选择可由所设计电子秤的最大称量值 传感器的个 数 秤体的自重 最大偏载和动载等因素整体比较确定 从理论上分析 称重 传感器的量程和每个传感器分担的压力越接近 其测量精度就越高 但在实际 使用过程中 情况较为复杂 除考虑以上因素外 还需综合考虑称体本身的自 重 皮重以及偏载 振动冲击等因素 这样才能最大程度地保证传感器的使用 寿命和测量精度 通过查阅大量文献资料得知传感器量程的计算公式如下 C K0 K1 K2 K3 Wmax W N 3 1 其中 C 单个传感器的额定量程 W 称台本身的重量 Wmax 被测 物体重量的最大值 N 支撑被称物体的支撑点数量 K0 保险系数 正常 情况下其数值在 1 2 1 3 之间 K1 冲击系数 K2 秤体的重心偏移系数 K3 风压系数 本设计称重范围为 0 10Kg 测量误差小于 0 01Kg 根据传 感器量程计算公式 2 1 可知 C 1 25 1 1 03 0 7 10 0 1 2 3 2 4 55131 因此选用的传感器单个量程必须大于 4 55131Kg 为保证电子秤的精确度 克服传感器在被称物体较轻时误差较大的缺陷 传感器的量程必须考虑上述两 个方面选择 在实际情况中 往往需要传感器的有效量程在 20 80 之间 并 且要求在其量程范围内具有良好的线性度 精度高 测量误差为 0 01Kg 又 根据式 3 1 的计算结果 所以本设计选用两个传感器的额定量程为 5Kg 的称重 传感器 并且要求允许过载为 200 F S 精度为于 0 2 最大量程测量误差 0 01kg 3 3 13 3 1 压电传感器压电传感器 压电传感器工作原理是利用传感器中的介质受到压力后产生压电效应 其 优点为工作可靠 结构简单 重量轻 体积小 被广泛应用于动态力学量的测 量 例如加速度测量 并且要求动态变化频率较高 不适合作为静态测量传感 第 6 页 共 25 页 器 其弱点为 内阻较高 功率容量很小 所以其能输出的电压变化量很微弱 因此就需要对传输电缆的分布电容及噪声抗干扰能力强 进而提高了外围电路 的难度 3 3 23 3 2 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器是利用将被测物体的一些物理非电量转换为电容量的一种传 感器 其优点为 动态响应好 灵敏度高 结构简单 可实现非接触测量 具 有平均效应等优点 这种传感器常用来测量压力 位移以及振动等非电参数 但其也有不足之处 主要为一下两点 a 小功率 高阻抗 因为受几何尺寸的影响 电容传感器可变化的范围都 很小 一般在几皮法到几十皮法 由于其电容太小 故容抗就显得很大 使之 呈现出高阻抗 带负载能力相对较差 受电容的影响其视在功率 P C 也 2 o u 很小 这样容易被外界干扰信号的影响界 信号在放大过程中 必须像压电传 感器一样采取抗干扰措施 b 初始电容小 一般在几皮法级 所以测量结果容易受电路的分布参数的 影响 3 3 33 3 3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻式应变片将各种压力信号转为电阻这一电学 量的传感器 其工作原理是利用材料的电阻应变效应即将材料受压力产生的形 变转为电阻的变化 因此加上最基本的保护措施后电阻应变片即可单独作为传 感器使用 在日常应用中常结合弹性元件构成力学量传感器 该称重传感器主要由可恢复的弹性体 作为数据采集的电阻式应变片和 4 根电缆线等组成 其结构和工作原理如图 2 所示 图 2 称重传感器原理图 上图为一个惠斯顿电桥 由分析可知当电桥输出端开路时 就可从电桥的 第 7 页 共 25 页 43 4 21 1 RR R RR R E 4321 4231 RRRR RRRR E 3 4 2 1 R R R R 22 RRRRRRRR ERRRR uo E R R 两臂获得电压输出 忽略电源内阻 由电阻分压原理可得 ADABBDo uuuu 3 3 假设 R1 R3 R2 R4 即 3 4 时 可得输出电压为 0 此时被称为电桥平衡 式 3 4 被称为称平衡条件 再利用电阻应变片进行测量前应使电桥处于平衡状态 这样才能准确的获取因 被测物体所引起的电阻变化量 若差动工作 即 R1 R R R2 R R R3 R R R4 R R 按式 2 3 则电桥输出为 3 5 应变片式传感器有如下特点 a 应用和测量范围广 应变片可制成各种机械量传感器 b 分辨力和灵敏度高 精度较高 c 结构简单 安装所需空间较小 性能稳定 能在高温 高压 强磁场等较恶 劣的环境下稳定使用 d 商品化 使用方便 便于实现远距离 自动化测量 通过对本设计指标要求分析以及称重传感器使用要求 得出在如下结论 在本设计中需要选用两个传感器额定量程为 5Kg 的称重传感器 并且要求允许 过载为 200 F S 精度为于 0 2 最大量程测量误差0 01kg 通过不断选型 最终本设计采用 hl 8 电阻应变式称重传感器 该传感器量程为 5 Kg 内部结构 为一个半桥 为实现 10Kg 的量程和提高精度本设计采用两个传感器一起构成惠 斯顿电桥 由于惠斯顿电桥具有能抑制温度干扰 补偿方便等优点 所以该电 路结构测量精度高 温度特性较好 工作稳定 被广泛各类工业测量中 Hl 8 电阻应变式传感器参数如表 2 第 8 页 共 25 页 表 2 称重传感器主要技术指标 量程 kg 3 15 综合误差 F S 0 05额定输出温度飘移 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 1000 50 重复性 F S 0 05输出电阻 1000 50 滞后 F S 0 05绝缘电阻 M 2000 100VDC 蠕变 F S 3min 0 05推荐激励电压 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 150 3 43 4 控制器件部分的选型控制器件部分的选型 在本设计中需要对采集到的信号和用户输入的数据输入的数据进行处理 所以必须要有一个控制器 和普通数字电路相比 单片机具有电路简单 控制 容易 性价比高等一系列的有点 所以选用单片机为本设计的核心处理器 可 以简易地将计算机技术和测量控制技术整合在一起 构成新式的只需修改程序 就可以完成产品升级的 智能测量控制系统 这种新式的智能仪器在测量过程 能自动完成数据测量 数据处理和分析 由于 MSP430 单片机相对于其他单片机有以下优点 所以在控制器件的选型 中成为本设计的首选 a 处理能力强 b 运算速度快 c 超低功耗 d 片内资源丰富 这些优点已足够满足大多数数据采集应用在本设计中这一点尤为重要 例 如本设计选用的单片机 MSP430F1611 内部自带 12 位 ADC 并且可选用内部参考 源 是一款性价比很高的单片机 被广泛的应用于工业控制和简单数据处理 3 53 5 放大器的选择放大器的选择 由称重传感器转换后输出的信号幅度较小 大概在 10mV 以下 又由于电桥 结构决定输出电压为一对差分信号 为此 测量电路中必须加上小信号放大电 第 9 页 共 25 页 路 这一功能通常由集成运算放大器构成的放大器完成 放大器的输入信号由电桥的两个结点提供 该信号不仅电压幅值低 而且 内阻较高 同时还包含有共模电压 因此 对放大器电路提出了如下要求 a 放大器的输入阻抗必须大于信号源内阻 否则 由于放大器的负载效应会使 放大器得不到完整的信号电压从而使误差增大 b 对共模电压干扰能力强 c 在信号频带宽度范围内具有稳定且准确的增益 良好的线性 输入漂移和噪 声应尽量小以保障足够高的信噪比 d 电路兼容性强 如针对放大器增益可调 输出量程可选等 3 5 13 5 1 普通低温漂运算放大器普通低温漂运算放大器 这种结构虽然能满足增益高的要求 但是由于放大级数较多使得电路的噪 声增加 由于整个系统需要较高的精度 所以这些被累积的噪声会影响称量精 度 所以 此种方案不宜采用 3 5 23 5 2 高精度低漂移运算放大器高精度低漂移运算放大器 差动放大器输入阻抗高 增益高 例如 OP07 就可以完成这样的差动放大电 路 如图 3 所示 图 3 利用普通运放构成的放大器 其中 R1 R2 和 C1 C2 C3 C4 对从传感器输出的信号进行滤波 其中 C1 C2 为容值可以选用 103 的陶瓷电容 可以滤除高频干扰 C3 C4 为容值较 大的电解电容 减少低频干扰 该电路的优点 信号输入端加入射随器 使输入阻抗进一步提高 第二级 为差分放大电路 通过调节滑动变阻器 R6 提高直流偏置可以调整输出零点 最 后一级实现对放大倍数的细微调整 从而使放大输出满足 AD 转换器的要求 并 且输出电阻不大 缺点 此电路要求电阻 R3 R4 必须相等 否则将会直接影响放大器的共模 抑制能力 在实际电路中难度较大 处此之外 电路级数的增加会引入较大噪 第 10 页 共 25 页 声 影响测量精度 3 5 33 5 3 专用仪表运算放大器专用仪表运算放大器 比如 INA126 此类芯片专门为仪表放大器设计 芯片内部采用差分结构 对共模信号有很强的抑制 对差模信号呈现高输入阻抗 增益高 精度也很高 除此之外外部电路简单 以 INA126 为例 基本应用电路如图 4 图 4 INA126 仪表放大结构图 该电路的增益可通过改变电阻 RG 的大小来调节 INA126 具有体积小 SOP8 封装 功耗低 精度高 噪声低和输入偏置电流低 最大仅需 20nA 等一系列特点 低输入偏置电流充分反映了其高输入阻抗特性 通过调节外接 电阻 RG 可实现 5 1000 范围内的任意增益 较宽的工作电源范围 2 3 18V 最大工作电流为 1 3mA 最大输入失调电压为 125V 频带宽度 为 120kHz 在 G 100 时 基于以上分析在本设计中采用专用仪表放大器 INA2126 这是一个具有两 路差分放大器 并且每一路增益都可以通过外部点 RG 相当于内部有两片 INA126 3 63 6 数据转换部分的选择数据转换部分的选择 前面部分已经分析了传感器和信号的放大 为完成数据的采集还需要 A D 转换电路 A D 转换部分是整个系统的设计关键 这一部分直接影响单片机接 受到的信号质量 第 11 页 共 25 页 A D 转换器选用的原则 a A D 转换器的位数 即 A D 转换器的分辨率 在电路设计中 应使 A D 转换器的分辨率高出允许误差一倍以上 b A D 转换器的转换速率 即转换器接收到信号后到完成转换所需的时间 c 是具有采样保持功能 以满足信号的完整采样 d A D 转换器的启动转换和结束转换 一般 A D 转换器都可以通过外部控 制信号启动 这本设计中这一启动信号可由控制器提供 转换器完成转换后会 将内部触发器置位 并将转换结束标志位置位 通知控制器转换已完成 e A D 转换器的晶闸管现象 该现象表现为在正常使用时 芯片内部电流 骤增 假如时间较长就会使芯片被烧坏 对一个 12 位 ADC 而言 其分辨率为 1 4096 假如忽略噪声的影响 则系 统分辨率为 10Kg 4095 即 0 002Kg 小于所要求的分度值 所以一个 12 位的 ADC 已完全满足本设计要求 在 3 3 节控制器选型中指出 MSP430F1611 自带 12 位 A D 转换器 且自带参考源和采样保持 因此选用控制器内部的 A D 转换器 很大程度上为节省了时间和精力 3 73 7 显示模块显示模块 3 7 13 7 1 LEDLED 显示显示 LED 是发光二极管 light emitting diode 的英文缩写 它是一种通过 控制发光二极管的发光数量来显示的器件 主要用来显示文字 图形 图像等 信息 在本设计中需要显示数量不多的文字 如果用专门的驱动芯片会使电路 结构变得复杂 如果不用驱动芯片则显示的内容有限 所以我们不采用这种方 案 3 7 23 7 2 LCDLCD 显示显示 LCD 是液晶显示器 Liquid Crystal Display 的英文缩写 下面分析 LCD 显示的优点 a 显示质量高 液晶显示器的每个点在接收到控制信号后会保持不变的色 彩和亮度 保障了显示界面不会闪烁 b 数字式接口 单片机系统可以直接与液晶显示器的数字式接口连接 操 作方便 c 体积小 重量轻 液晶显示通过控制屏上的电极改变液晶分子的状态来 实现显示 同等显示面积下重量比传统显示器轻 d 低功耗 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小 第 12 页 共 25 页 由于液晶的上述特点 使之目前已被广泛应用到数码产品中作为显示器件 考虑到成本和使显示界面显的人性化 在本设计中采用 Nokia 5110 液晶显示屏 3 83 8 键盘输入模块键盘输入模块 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 用户可通过键盘向系统输入一些必要信息 因此键盘模块会直接影响 到系统的人性化和可靠性 键盘是由若干个按键组成 而键盘按键的数量则是 受用途限制的 每个键相当于一个机械开关 当有键按下时 按键触点闭合 控制器接收到信号后做出相应处理 当按键被松开时 接触点也随之断开 因 此 相对于控制器来说键盘是用户输入信号的接口 下面分析一下各个方案的 优缺点 3 8 13 8 1 专用按键处理芯片专用按键处理芯片 专用键盘处理芯片功能完善 能完成对按键的编码 扫描 消抖和等问题 的处理 有的还具有显示接口 如 Intel8279 专用键盘处理芯片使用方便 接口简单 可靠性高 相对而言适合处理按键较多的情况 但在本设计中 考 虑成本因素 决定不采用这种方案 3 8 23 8 2 矩阵键盘矩阵键盘 矩阵式键盘又叫行列式键盘 充分利用单片机 I O 口构成行和列 按键被 放置在行和列的交点处 例如 用 2 2 的行列结构可构成 4 个键的键盘 4 4 行列结构可构成 16 个键的键盘 因此 在按键数量不是很的情况下 可以节省 I O 资源 相对于专用芯片很大程度上降低了成本 且使用起来更加灵活 但 其需要通过实现对按键的消抖 重键 3 93 9 本章小结本章小结 本章主要根据设计要求完成对本设计的方案选择与论证 通过分析与论证 最终确定系统可分为三大模块 核心控制器部分 数据采集部分 人机交互界 面部分 其中数据采集模块由电阻应变式称重传感器 仪表运算放大器 INA2126 和单片机内部自带的 A D 转换部分组成 控制部分电路则选用 MSP4301611 单片机 人机交互界面部分则采用矩阵键盘和液晶显示的方式完成 和用户之间的信息交换 4 4 系统硬件设计系统硬件设计 根据上一章的分析确定在系统设计时可以分成以下几个部分 单片机控制 模块 数据采集部分 人机接口界面以及系统电源部分 4 14 1 基于基于 MSP430F1611MSP430F1611 的主控电路的主控电路 控制器作为系统的核心器件 完成对数据的接受 计算 分析以及人机信 第 13 页 共 25 页 息交换等一系列的功能 所以该部分很重要 4 1 14 1 1 MSP430F1611MSP430F1611 简介简介 MSP430F1611 是美国 TI 公司推出的一款 16 位超低功耗的处理器 具有强 大的数据处理能力 片内外设资源丰富 性能稳定 代码保护 可移植性强等 特点 其主要特点如下 a 超低功耗 具有 5 种低功耗模式 b 16 位 RSIC 精简指令集计算机 体系结构 125ns 指令周期 处理数据 能力远远超过 51 单片机 c 内部自带具有参考源的 12 位 ADC 且能采样保持和一系列的片内外设 d 低供电电压范围为 1 8V 3 3V 上面的这几点在本设计中显得尤为突出 使得设计更加方便 简单 4 1 2 芯片管脚芯片管脚 第 14 页 共 25 页 图 5 MSP430F1611 管脚图 4 1 3 具体电路说明具体电路说明 图 6 MSP430F1611 最小系统电路图 其中 8 9 和 52 53 脚外接 32 768K 和 8M 晶振 用以给芯片提高时钟信号 58 脚外接复位电路 该单片机为低电平复位 D1 为系统电源指示 D3 为测试 LED B2 B1 为数模隔离的磁珠 C1 C3 为滤波电容 4 24 2 INA2126INA2126 放大电路放大电路 第 15 页 共 25 页 4 2 14 2 1 芯片介绍芯片介绍 INA2126 是专门为精密仪器设计的仪表运算放大器 除前面分析的精度高 噪声低等特点外此运放提供了非常低的静态电流 每通道 175 A 除此之外 还有非常宽的供电电压从 1 35V 到 18V 使它们非常适用于便携式仪器和数 据采集系统 4 2 24 2 2 管脚定义管脚定义 图 7 INA2126 管脚图 INA2126 和 INA126 都是专门的仪表运放 主要用在工业数据采集 如全桥 电路中的数据采集 其中 1 2 15 16 脚为两组差分信号输入端 3 4 14 13 脚外接两个 控制放大倍数的电阻 5 12 脚接地 6 7 11 10 脚接信号输出端 8 9 脚 为电源输入端 在本设计中该芯片采用正负 5V 供电 4 2 34 2 3 具体电路说明具体电路说明 图 8 数据采集电路图 其中 D5 为系统电源指示 P1 和 P10 为两个传感器构成的全桥结构 通过 R3 和 R4 调节两组放大器的放大倍数为 405 倍和 200 倍 C3 到 C6 为电源滤波电 容 R7 R8 接经放大后的信号 直接接到单片机的 A D 采集端口 4 34 3 显示电路显示电路 第 16 页 共 25 页 通过前面的分析 在本设计中显示器件采用的是 Nokia5110 液晶作为显示器 件 4 3 14 3 1 液晶介绍液晶介绍 Nokia5110 是一个具有 84x48 点阵的 LCD 可以显示 4 行汉字 其通信协 议为 SPI 协议 接口数量较少 整个液晶一共只需 8 根线 数据传输速率最高 可以达到 4Mbps 支持全速写入 通过简单的外围电路即可绑定到 PCB 电路板 上 让二次开发减少不少工作量 除此之外还具有体积小 质量轻的特点 工 作电压为 3 3V 正常显示时的工作电流在 200 A 以下 具有背光灯 可以在黑 暗的环境下显示 其时钟线如图 9 所示 图 9 Nokia5110 液晶时钟线图 4 3 24 3 2 管脚定义管脚定义 Nokia5110 裸屏已经通过商家加工后可直接和单片机连接使用 其管脚分 布如下 1 脚 RST Nokia5110 复位脚 低电平有效 2 脚 CS 为片选使能脚 低电平有效 3 脚 D C 脚 数据和命令切换脚 4 脚 DIN 数据输入脚 5 脚 CLK 时钟信号输入脚 6 脚 VDD 电源正级接口 7 脚 BLC 背光控制较 其中低电平为打开背光 8 脚 GND 电源低参考脚 4 3 34 3 3 具体电路具体电路 图 10 Nokia5110 液晶电路图 第 17 页 共 25 页 4 44 4 电源电路电源电路 根据系统要求 本设计中需要一组 3 3V 电源和一组正负 5V 双电源 而系 统所有电源都由一块 9V 电池供电 所以需要一个正压转负压电路 通过了解 TPS5430 的电路拓扑结构 本设计中采用 TPS5430 将正压转为负压 正负 5V 通 过一组 LM7805 和 LM7905 完成 3 3V 则通过 AMS1117 3 3 完成 4 4 14 4 1 电源具体电路电源具体电路 图 11 正负 5V 电路图 在此选用线性稳压器件目的在于减小电源输出噪声 较低电源噪声对测量 精度的影响 图 12 正压转负压电路图 该电路充分利用 TPS5430 开关电源拓扑结构构成正电源转负电源的电路 简单 使用 但也存在一定的不足 即会造成一部分能量的浪费 图 13 3 3V 电路图 AMS1117 是一个最低压差为 1 2V 的 LDO 输出电源干净 在本设计中输入为 5V 这样设置不仅考虑了效率问题 也考虑了功耗问题 第 18 页 共 25 页 4 54 5 矩阵键盘电路矩阵键盘电路 该部分有 16 个按键开关组成 构成 4 行和 4 列 通过 P5 口一组 I O 口即完成 对行列的扫描 实现价格信息的输入 具体电路如图 14 所示 图 14 矩阵键盘电路图 4 64 6 本章小结本章小结 本章主要介绍具体硬件电路 首先分析本设计所需的性能指标 根据电路 的要求 确定了此次需要设计的几个主要的硬件模块 针对这些模块的主要芯 片做了简单介绍 讲述芯片的基本功能及应用 并且介绍了本设计的具体电路 设计 5 5 系统软件设计系统软件设计 在整个软件设计过程中采用了模块化设计 整个程序包括主程序 数据分 析模块 液晶驱动模块 按键扫描模块 数据采集模块 人机界面处理模块 本设计涉及到的程序均采用 C 语言编写 软件设计思路说明如下 首先程序将 进入主函数的 while 循环中 在 while 循环中将不断执行按键扫描 AD 转换 其中主程序的作用为液晶初始化 ADC 初始化 按键扫描以及获取传感器模拟 电压值并转换为实际的重量 程序开始首先对液晶 ADC 以及按键扫描进行初 始化 并在液晶上显示初始的界面及重量换算函数 如果按键扫描函数检测到 设定键 按下 程序将进入设定模式 液晶上将显示输入界面 直到新的数 据输入完毕 然后程序返回之前的 while 循环继续执行查询 转换 显示等操 作 软件主要三个方面 一是初始化系统 二是按键检测 三是数据采集 数 据处理并进行显示 这三个方面的操作分别在主程序中来进行 程序采用模块 化的结构 这样程序结构清楚 易编程和易读性好 也便于调试和修改 第 19 页 共 25 页 开始 液晶初始化 ADC初始化 显示界面初 始化 AD采集 重量换算 显示 键盘扫描 按下 设置键 N 设置新数据 Y 结束 5 15 1 主函数流程图主函数流程图 主函数流程图给出了系统工作的基本过程 此流程图基于信号的流向 对 理解系统起到一个向导的作用 主函数流程如图 15 所示 图 15 主函数程序流程图 第 20 页 共 25 页 5 25 2 子函数程序设计子函数程序设计 系统子函数主要完成模数转化和经处理后的数据读取程序设计 键盘输入 控制程序设计及显示程序设计等 5 2 1 数据采集程序设计数据采集程序设计 第 21 页 共 25 页 图 16 数据采集部分程序流程图 5 2 2 人机界面处理模块人机界面处理模块 显示子程序主要判断是否需要刷新显示 以及显示的具体实现 设计流程图 如图 17 所示 开始 启动AD转换 等待转换完成 转换 完成 读取数据 转换 N Y 结束 第 22 页 共 25 页