基于AVR单片机的电子秤

1摘要电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。它与我们日常生活紧密结合成为一种方便、快捷、称量精确的工具，广泛应用于商业、工厂生厂、集贸市场、超市、大型商场、及零售业等公共场所的信息显示和重量计算。电子称主要以单片机作为中心控制单元，通过称重传感器进行模数转换单元，在配以键盘、显示电路及强大软件来组成。电子称不但计量准确、快速方便，更重要的自动称重、数字显示，对人们生活的影响越来越大，广受欢迎。本系统针对电子称的自动称重、数据处理等进行了设计和制作。为了阐明用单片机是如何对采样数据进行处理，对数据的采集和转换、计算问题进行了研究，讨论了单片机控制系统中关键的计算问题。本文在给出智能电子称硬件设计的基础上，详细分析了电子称的软件控制方法。单片机控制的电子称结构简单，成本低廉，深受人们的喜爱，本文将对此进行详细讨论。关键词电子称；单片机；称重传感器2ABSTRACTINTELLIGENTELECTRONICSCALEISTHEDETECTIONANDCONVERSIONTECHNOLOGY,COMPUTERTECHNOLOGY,INFORMATIONPROCESSING,DIGITALTECHNOLOGY,ANINTEGRATEDMODERNTECHNOLOGYOFNEWWEIGHINGEQUIPMENTITISCLOSELYINTEGRATEDWITHOURDAILYLIVESINTOACONVENIENT,FAST,PRECISIONWEIGHINGINSTRUMENT,WIDELYUSEDINCOMMERCIAL,PLANTHEALTHPLANT,COUNTRYMARKETS,SUPERMARKETS,SHOPPINGMALLS,ANDRETAILANDOTHERPUBLICPLACES,INFORMATIONDISPLAYANDWEIGHTINTELLIGENTELECTRONICSSAIDTHEKEYTOSCMASTHECENTRALCONTROLUNIT,THROUGHTHEWEIGHINGSENSORANALOGDIGITALCONVERSIONUNIT,INTHEACCOMPANIEDKEYBOARD,DISPLAYCIRCUITANDPOWERFULSOFTWARETOCOMPONENTSAIDNOTONLYACCURATEMEASUREMENTOFTHEELECTRONIC,FASTANDCONVENIENT,MOREIMPORTANTLY,AUTOMATICWEIGHING,STATISTICSSHOWTHATBYTHEMAJORITYOFUSERSINTELLIGENTELECTRONICSSAIDTHATASEASYTOCARRY,EASYTOUSE,THEIMPACTONPEOPLESLIVESMOREANDMORETHISSYSTEMISKNOWNFORTHEELECTRONICAUTOMATICWEIGHINGANDDATAPROCESSINGOFRESEARCHTOILLUSTRATEHOWTOUSETHEMCUISSAMPLINGDATAPROCESSING,DATAACQUISITIONANDCONVERSION,COMPUTATIONALPROBLEMSSTUDIEDDISCUSSTHEKEYSCMSYSTEMCALCULATIONTHISPAPERPRESENTEDTHEHARDWAREDESIGNOFINTELLIGENTELECTRONICSTHAT,BASEDONDETAILEDANALYSISOFTHEELECTRONICCONTROL,SAIDTHESOFTWAREASTHESTRUCTUREOFMICROPROCESSORCONTROLLEDELECTRONICSTHATSIMPLE,LOWCOSTANDVERYPOPULAR,THISWILLBEDISCUSSEDINDETAILKEYWORDSELECTRONICSCALEMCULOADSENSOR3第一章绪论11引言在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。12选题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。4顶尖条码标签称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。13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，对称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5家在20世纪60年代就出现了01称量准确度的电子称，并在70年代中期约对75的机械称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。14研究现状141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。142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61、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。143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。144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7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第二章系统方案设计电子秤的应用系统是由硬件和软件所组成。硬件指单片机、扩展的存储器、扩展的输入输出设备等部分；软件是各种工作程序的总称。硬件和软件只有紧密配合、协调一致，才能提高系统的性能价格比。从一开始设计硬件时，就应考虑相应软件的设计方法，而软件设计是根据硬件原理和系统的功能要求进行的。21系统原理及设计思路211系统工作原理电子秤的工作原理。首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，还需要在传感器与A/D芯片之间加上信号调整电路。212系统设计基本思路按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。在扩展功能上，本设计增加了一个过载、欠量程报警提示。22系统总体设计方案比较与论证在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种方案一数码管显示方案结构简图如下图所示8数据采集单片机数码显示图21数码管显示方案此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。缺点是硬件部分简单，虽然可以实现电子称基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。方案二在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使电子称实现称重计价的功能。结构简图如下图所示数据采集单片机数码管显示键盘输入图22带有键盘输入的结构简图此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。9方案三前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。结构简图如下图所示压力传感器单片机LCD显示键盘控制信号放大信号转换图23LCD显示的方案目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。方案四采用现场可编程门阵列FPGA为控制核心采用现场可编程门阵列FPGA为控制核心，利用EDA软件编程，下载烧制实现。系统集成于一片XILINX公司的SPARTAN系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。采用FPGA测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。从下图中可以看到系统的基本工作流程和各单元电路所用到的核心器件。其中控制器采用XILINX公司可编程器件FPGA为核心，基于ISE软件平台，采用VHDL编程实现数据处理、LED和LCD驱动、时钟芯片的I2C通讯、键盘控制等模块。结构简图如下图所示FPGA10压力传感器LCD显示数码管信号放大信号转换时钟芯片报警电路键盘电路图24电子称系统的组成结构图FPGA的逻辑容量密度大，集成度高，可大大减少印刷电路板的空间，减低系统功耗，同时还可以提高设计的工艺性和产品的可靠性。虽然以FPGA为核心的电子称系统很优化，但只有在大规模和超大规模集成电路中其高集成度才能更好得以体现。其主要在PC机接口卡的总线接口、程控交换机的信号处理与接口、雷达声纳系统的成像控制与数字处理、数控机床的测试系统等方面有广泛应用。鉴于本电子称的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第三种设计方案。11第三章硬件方案设计31数据采集部分方案设计311传感器的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。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。12DACOR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。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。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、力、位移以及振动学非电参量。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（21）式（21）中两极板间的距离；DA两平行极板相互覆盖的有效面积；介质的相对介电常数；R真空中介电常数。O若被测量的变化使式中、A、三个参量中任一个发生变化，都会引起DR13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，X负载能力差；又因其视在功率PC，C很小，则P也很小。故易受外界2OU干扰，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。下图为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源EINE144321RE43213421R22RRREUOE图31感器结构原理图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ADBDOUU（22）当满足条件R1R3R2R4时，即（23）0，即电桥平衡。式（23）称平衡条件。OU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R1RR,R2RR,R3RR，R4RR,按式（22），则电桥输出为24K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。15通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。312前级放大部分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。我们考虑了以下几种方案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，如下图所示16图32利用普通运放构成的放大器电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，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R6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。本设计中数据采集部分最终选择的MOTOROLA公司生产的压力传感器MPX4250。MPX4250型压力传感器是将双极运算放大器和薄膜电阻网络、X型应变仪集成在一个芯片上，以提供高的输出电压。32控制器部分设计321A/D转换A/D转换原理1、逐次逼近法逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A17转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为O，与送入比较器的待转换的模拟量I进行比较，若O0FORN1N4/键盘字符表其中注意2,5,8后各保留一个空格CONSTCHARKEY_CHAR_TABLE“0123456789C“/初始化开始返回按键按下判断键值数据处理显示价格清除价格NY50/处理键盘操作/VOIDKEYBOARD_HANDLEVOIDCHARKEYCHAR/是否已经输入了价格P的小数点STATICINT8UHAVEDOT0/在还没有输出价格中的小数点时可继续输入字符的个数STATICINT8UDTNUMPLEN/如果有键按下则获取按键字符（根据解码器DA引脚是否输出高电平来判断）IFKEY_PRESSED/每次按键时输出按键提示音SOUNDER/根据键值获取按键字符KEYCHARKEY_CHAR_TABLEKEY_NO/如果输入的是数字字符或小数点（但此前未输入过小数点）IFISDIGITKEYCHAR|KEYCHAR/将所输入的字符存入缓冲IFNUMBERPTRINCLUDEDEFINEINT8UUNSIGNEDCHARDEFINEINT16UUNSIGNEDINT/液晶显示字符串函数EXTERNVOIDLCD_SHOWSTRINGINT8UX,INT8UY,CHARSTR/LCD显示输出缓冲价格/重量/金额的最大长度/因为要预留结束标志,实际串长比定义少1位DEFINEPLEN7DEFINEWLEN4DEFINESUMLEN10/LCD显示输出缓冲价格/重量/金额CHARDISP_BUFFER_PPLENCHARDISP_BUFFER_WWLENCHARDISP_BUFFER_SUMSUMLEN/LCD控制引脚定义DEFINERSPD0DEFINERWPD1DEFINEEPD2DEFINELCD_CRTL_PORTPORTD/LCD控制引脚操作定义DEFINERS_1LCD_CRTL_PORT|BITRSDEFINERS_0LCD_CRTL_PORTRW_1/读状态寄存器LCD_DDR0X00/将端口设为输入EN_1DELAY_MS10/LOOP_UNTIL_BIT_IS_CLEARLCD_PIN,7/LCD忙等待，直到LCD_PIN最高位为0EN_0DDRC0XFF/还原LCD端口为输出/写LCD命令寄存器/VOIDWRITE_LCD_COMMANDINT8UCMDLCD_BUSY_WAITRS_0RW_0/写命令寄存器55LCD_PORTCMD/发送命令EN_1EN_0/写入/写LCD数据寄存器/VOIDWRITE_LCD_DATAINT8UDATLCD_BUSY_WAITRS_1RW_0/写数据寄存器LCD_PORTDAT/发送数据EN_1EN_0/写入/LCD初始化/VOIDINITIALIZE_LCDVOIDWRITE_LCD_COMMAND0X38DELAY_MS15/置功能，8位，双行，5X7WRITE_LCD_COMMAND0X01DELAY_MS15/清屏WRITE_LCD_COMMAND0X06DELAY_MS15/字符进入模式屏幕不动，字符后移WRITE_LCD_COMMAND0X0CDELAY_MS15/显示开，关光标/56/显示字符串/VOIDLCD_SHOWSTRINGINT8UX,INT8UY,CHARSTRINT8UI0/设置显示起始位IFY0WRITE_LCD_COMMAND0X08|XELSEIFY1WRITE_LCD_COMMAND0XC0|X/输出字符串FORI0I16IWRITE_LCD_DATASTRI53本章小结本章主要介绍的是本次设计的软件部分，画出了软件的子程序流程图以及相关子程序。57设计总结经过几个月的努力，终于按照毕业设计进度要求如期完成了实用电子秤控制系统的硬件设计任务。在做毕业设计的过程中，虽然碰到了不少的困难，但是在老师的指导以及自己的努力下，终于取得了一定成果。一、主要工作及结论1、熟悉ATMEGA16芯片的功能及工作特性，掌握其接口扩展方法。2、通过对数据采集的分析，了解了各种传感器、放大器及A/D转换器，对信号的转换、传输有了更深的认识。3、对键盘和显示器进行选型比较，得出各种型号优劣比。4、采用面向对象的思想，分层次、分模块构建设计的总体框架。二、存在的问题1、电子电路的设计中对各种影响因素的考虑不够完全。2、系统设计不够优化，有待改善。比如系统的超量程和欠量程信号直接由A/D转换器送入报警电路，没有先送入单片机处理后再送入报警电路。3、可扩展更多电路，如日历时钟电路、通讯接口电路等。日历时钟电路可以显示购货日期，通讯接口电路可以与上位机（PC机）进行通讯，从而将大量的商品数据存于上位机，然后通过串口或并口通讯与电子称相连，达到远距离控制的目的。4、对各种实用芯片价格了解不够，选择上任有欠缺，如所选的称重传感器价格较贵，达好几百元。5、动手能力不强，电子秤的实物没能最终实现。这些都是我以后要继续研究的内容。回顾起来整个大四的下半学期都是毕业设计阶段。刚开始自己感觉电子秤的原理很简单，应该不会费什么功夫就能完成。因为设计所需的知识点如传感器原理、信号放大、模数转换、单片机原理、I/O接口技术等都在大学课程里学过，实际的操作远非理解原理这么简单。譬如，同样是单片机，型号却有很多种，到底选择哪种，为什么要选择它而它又有什么好处都需要我更深入地了解多种机型及目前的流行趋势，才能做出决定。又如，运用放大器时，我得根据实际任务要求计算出所需防大的倍数，并要考虑信号的滤波以及电路的功率58负载等问题。认识到这些问题后，我开始不断的出入图书馆查阅课题的相关资料，并充分运用网络这个现代化工具，在各个网站上收集资料。终于，经过将近一个月的努力，我对课题的各个方面都比较熟悉了，形成了自己的设计方案。以后的工作也就很顺利地按照自己的设计思路完成了。当然，在具体操作时，也常会碰到各种问题，但我都能通过查资料或向老师请教把问题解决掉，并在解决问题的过程中把细节认识得更清楚，得到更多的设计灵感，使设计也在这过程中不断完善。不过，这次的毕业设计也有很让我遗憾的地方，那就是最终的电子秤实物并没有试验成功，我在把理论付之实际上还差那么一步。有人问“为什么你会想到做这个，这个是怎么做成的”简单的问题却包含了我们这三年学习的全部精华。总的来说，只要积极参与了毕业设计这最后一项作业，肯定是收获匪浅。在毕业设计中，我才发现，三年中我们还有很多东西都不曾了解，有很多东西我们都还没有熟练掌握。通过毕业设计，使我将这三年所学到的知识得到了系统化、贯穿成了一条线。59致谢本电子秤的设计工作是在陈卫国老师的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和设计工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受的启迪。从老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在我的设计（论文）撰写过程中，陈卫国老师也提出了宝贵的意见和建议，给了我莫大的帮助，在这里向他表示深深的感谢。在多年的学习生活中，还得到了许多学院领导、系领导和老师的热情关心和帮助。最后，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意衷心地感谢在百忙之中评阅我的设计（论文）和参加答辩的各位老师李平波二O一二年五月60参考文献1白云飞电子秤的发展现状和趋势J观察管理，2010（5）2马心凯基于FPGA的实用电子秤J，低压电器，20063周立功ARM嵌入式基础教程M北京航空航天大学出版社，20064庄严电子秤与智能仪器的设计J仪表技术，20025张鹏飞单片机技术应用的发展状况研究J浙江工商职业技术学院学报，2005，（01）6李燕电子秤的结构和工作原理J物理通报，2006（6）7粱凯淋单片机技术的发展及应用J科学实践8康华光电子技术基础（第五版）M模拟部分高等教育出版社，20059阎石数字电子技术（第五版）M高等教育出版社,2009,710聂海霞改进电子秤的性能J电子产品世界，2006（19）11江海波，王卓然，耿德根深入浅出AVR单片机M中国电力出版社，2008,612谢兵ICCAVR和PROTUES在单片机教学中的应用J科技信息20102513赵茂泰智能仪器原理及应用M北京电子工业出版社，200414刘敏，张强，郝树红，王艳芬称重传感器的选用原则J电子科学，2009，（2）15杨青锋称重传感器的选用原则J经验点滴，2007，36（6）16彭伟单片机C语言程序设计实训100例基于AVRPROTEUS仿真M北京航空航天大学出版社,2010,517徐鲁，赵健16位译码器MM74C922的应用J电子技术，1994（08）18吴祖安，朱兆优基于单片机的电子秤设计J湖南农机，2010，519侯艳艳基于ARM的多功能电子计价秤设计J郑州轻工业学院学报（自然科学版）2009，6，（03）20李袖榕，李卓轩A/D转换技术的应用与发展J光电技术应用，2010，（03）21张景元，李业德一种基于单片机的的多功能电子秤J微计算机信息，612006（11）22符红霞，陈勇华C语言在液晶显示设备中的应用J电脑学习，2008,12（06）23秦雷液晶显示模块系统设计与应用J科技咨询报导，2007，（24）24李向江，樊京基于AVR单片机的数据采集系统设计J信息技术与网络服务2006,4125谭浩强C程序设计（第三版）M北京清华大学出版社，200726周润景,张丽敏,王伟ALTIUMDESIGNER原理图与PCB设计M北京电子工业出版社2009,627黄学良电路基础M北京机械工业出版社,2008,1028王素珍，郑淑芬，周梅称重配料系统传感器电源及放大电路J传感器技术，200629胡汉才单片机原理及系统设计M清华大学出版社，200230王福瑞集成电路器件大全M北京航天航空出版社，199931THEODOREWILDIELECTRICALMACHINE,ANDPOWERSYSTEMM,200262附录A英文资料PROGRESSINCOMPUTERSTHEFIRSTSTOREDPROGRAMCOMPUTERSBEGANTOWORKAROUND1950THEONEWEBUILTINCAMBRIDGE,THEEDSACWASFIRSTUSEDINTHESUMMEROF1949THESEEARLYEXPERIMENTALCOMPUTERSWEREBUILTBYPEOPLELIKEMYSELFWITHVARYINGBACKGROUNDSWEALLHADEXTENSIVEEXPERIENCEINELECTRONICENGINEERINGANDWERECONFIDENTTHATTHATEXPERIENCEWOULDSTANDUSINGOODSTEADTHISPROVEDTRUE,ALTHOUGHWEHADSOMENEWTHINGSTOLEARNTHEMOSTIMPORTANTOFTHESEWASTHATTRANSIENTSMUSTBETREATEDCORRECTLYWHATWOULDCAUSEAHARMLESSFLASHONTHESCREENOFATELEVISIONSETCOULDLEADTOASERIOUSERRORINACOMPUTERASFARASCOMPUTINGCIRCUITSWERECONCERNED,WEFOUNDOURSELVESWITHANEMBARASSDERICHESSFOREXAMPLE,WECOULDUSEVACUUMTUBEDIODESFORGATESASWEDIDINTHEEDSACORPENTODESWITHCONTROLSIGNALSONBOTHGRIDS,ASYSTEMWIDELYUSEDELSEWHERETHISSORTOFCHOICEPERSISTEDANDTHETERMFAMILIESOFLOGICCAMEINTOUSETHOSEWHOHAVEWORKEDINTHECOMPUTERFIELDWILLREMEMBERTTL,ECLANDCMOSOFTHESE,CMOSHASNOWBECOMEDOMINANTINTHOSEEARLYYEARS,THEIEEWASSTILLDOMINATEDBYPOWERENGINEERINGANDWEHADTOFIGHTANUMBEROFMAJORBATTLESINORDERTOGETRADIOENGINEERINGALONGWITHTHERAPIDLYDEVELOPINGSUBJECTOFELECTRONICSDUBBEDINTHEIEELIGHTCURRENTELECTRICALENGINEERINGPROPERLYRECOGNISEDASANACTIVITYINITSOWNRIGHTIREMEMBERTHATWEHADSOMEDIFFICULTYINORGANISINGACONFERENCEBECAUSETHEPOWERENGINEERSWAYSOFDOINGTHINGSWERENOTOURWAYSAMINORSOURCEOFIRRITATIONWASTHATALLIEEPUBLISHEDPAPERSWEREEXPECTEDTOSTARTWITHALENGTHYSTATEMENTOFEARLIERPRACTICE,SOMETHINGDIFFICULTTODOWHENTHEREWASNOEARLIERPRACTICECONSOLIDATIONINTHE1960SBYTHELATE50SOREARLY1960S,THEHEROICPIONEERINGSTAGEWASOVERANDTHECOMPUTERFIELDWASSTARTINGUPINREALEARNESTTHENUMBEROFCOMPUTERSINTHEWORLDHADINCREASEDANDTHEYWEREMUCHMORERELIABLETHANTHEVERYEARLYONESTOTHOSEYEARSWECANASCRIBETHEFIRSTSTEPSINHIGHLEVELLANGUAGESANDTHEFIRSTOPERATINGSYSTEMSEXPERIMENTALTIMESHARINGWASBEGINNING,ANDULTIMATELYCOMPUTERGRAPHICSWASTOCOMEALONGABOVEALL,TRANSISTORSBEGANTOREPLACEVACUUMTUBESTHISCHANGEPRESENTEDAFORMIDABLECHALLENGETOTHEENGINEERSOFTHEDAYTHEYHADTOFORGETWHATTHEYKNEWABOUTCIRCUITSANDSTARTAGAINITCANONLYBESAIDTHATTHEYMEASUREDUPSUPERBLYWELLTOTHECHALLENGEANDTHATTHECHANGECOULDNOTHAVEGONEMORESMOOTHLYSOONITWASFOUNDPOSSIBLETOPUTMORETHANONETRANSISTORONTHESAMEBITOFSILICON,ANDTHISWASTHEBEGINNINGOFINTEGRATEDCIRCUITSASTIMEWENTON,ASUFFICIENT63LEVELOFINTEGRATIONWASREACHEDFORONECHIPTOACCOMMODATEENOUGHTRANSISTORSFORASMALLNUMBEROFGATESORFLIPFLOPSTHISLEDTOARANGEOFCHIPSKNOWNASTHE7400SERIESTHEGATESANDFLIPFLOPSWEREINDEPENDENTOFONEANOTHERANDEACHHADITSOWNPINSTHEYCOULDBECONNECTEDBYOFFCHIPWIRINGTOMAKEACOMPUTERORANYTHINGELSETHESECHIPSMADEANEWKINDOFCOMPUTERPOSSIBLEITWASCALLEDAMINICOMPUTERITWASSOMETHINGLESSTHATAMAINFRAME,BUTSTILLVERYPOWERFUL,ANDMUCHMOREAFFORDABLEINSTEADOFHAVINGONEEXPENSIVEMAINFRAMEFORTHEWHOLEORGANISATION,ABUSINESSORAUNIVERSITYWASABLETOHAVEAMINICOMPUTERFOREACHMAJORDEPARTMENTBEFORELONGMINICOMPUTERSBEGANTOSPREADANDBECOMEMOREPOWERFULTHEWORLDWASHUNGRYFORCOMPUTINGPOWERANDITHADBEENVERYFRUSTRATINGF