检测技术课程设计报告

设计小组成员信息表姓名班级学号具体负责的工作联系方式李其昌F资料搜集，总体方案设计，原理图绘制，框图设计，报告撰写郑怀周F语音部分方案设计张姗姗FA/D部分方案设计，框图绘制，软件设计，PPT制作李琳娜F传感器及模拟信号处理部分方案设计宋海灵F芯片资料搜集摘 要：本文设计一个电子计价枰系统。以微控器AT89C51为核心控制部件,系统的硬件部分主要包括数据采集隔离，A/D转换模块，单片机系统,人机交互界面，语音报数几个部分。本系统能实现的主要功能包括基本的称重功能,单价输入显示功能，计算、显示、播报总价的功能。整机系统结构较简单，使用方便，功能较全，精度高，达到了高效、安全、精确、实用、方便的电子计价秤的设计目的。关键词：单片机，传感器，电阻应变片，光电隔离，人机交互，语音芯片，语音库。上海交通大学 电子信息与电气工程学院地 址：东川路800号邮 编：目录1. 概述11.1 编写说明11.2 名词定义11.3 主要芯片列表12. 系统总述22.1 系统组成22.2 系统各部分的主要功能23. 单元电路设计44. 系统软件设计134.1 设计思想134.2 部分需要说明的程序设计方法145. 参考文献186. 附录A 开发环境197. 附录B 课程学习心得和意见建议20第20页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院1. 概述1.1 编写说明编写目的：本报告主要介绍了一种计价枰的系统设计适读对象：读者需具有一定模拟电路、数字电路和单片机的软硬件基础知识。1.2 名词定义计价枰：一种电子衡器，具有称重、商品价格设定、总价计算显示等功能。单片机：Microcontroller ， 芯片级的微型计算机。流程图：用一定的图标、文字、符号、单位将系统或软件流程等形象、完整、准确的表达出来的图表。1.3 主要芯片列表74LS164：8 位移位寄存器（串行输入，并行输出）。AD7705：AD公司生产的比较典型的一种16位A/D转换芯片。AT89C51：一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器（单片机）。ISD1416：美国ISD公司推出的28脚语音集成芯片。2. 系统总述2.1 系统组成我们设计的这个电子计价枰系统总的组成和数据传输流程如下图所示：图一 系统组成 整个系统以单片机为处理核心。使用电阻应变片传感器采集物品重量信息，转化成为模拟电压信号，经过A/D转化之后成为单片机可以识别的数字信号，通过单片机处理，将物品重量信息显示出来，同时配合人机交互界面的设定达到计算物价、显示、播报数值的应用目的。2.2 系统各部分的主要功能 传感器：全桥接法的电阻应变片式传感器将物品重量信息转化成为应变片的阻值变化量，并通过阻值的变化引起线性的输出电压的变化，从而为A/D转化输送一个与物体重量成线性关系的变化的电压信号。 A/D转化器一般的A/D转化器和传感器之间还需要放大环节，为了简化设计，我们选用AD公司的AD7705芯片完成压力传感器信号的转化，将模拟的电压信号转化成为数字信号供单片机处理使用。 单片机系统这是整个系统的核心处理器。AT89C51单片机通过C51编程和适当的硬件连接完成主要的系统任务，主要有：将A/D转化器输出的数字信号翻译成为物品重量并输出给显示器；接受键盘输入的单价设置等指令，计算物品总价并输出给显示器；驱动语音芯片播报输入输出数据。 LED显示电路接收单片机的数据输出信号，显示单价、物品重量、总价等信息。 矩阵式键盘输入物品单价、确认、清除、复位等信息。 语音模块播报显示出来的数据，方便用户发现操作错误等信息。3. 单元电路设计 一，应变片式重量传感器导体或半导体在外界作用下产生机械形变时，其阻值将发生相应的变化，这种现象称为“应变效应”。根据应变效应将应变片粘贴于被测材料上，使其在受到外界应力作用时，引起应变片的变形，并使其阻值发生变化。通过测量双差动全桥电路将应变片阻值的变化转换成电压的输出，就可确定被测材料机械量的变化。我们根据传感器理论可知,设一长为L、截面积为S、电阻率为的电阻丝，已知其阻值为当电阻丝L方向两端有机械应力F时，,l,s都会发生变化，从而导致电阻发生变化,其金属丝的应变灵敏系数K为K=1+2+c(1-2)比例系数称为泊松比，c为金属晶格结构的比例系数，一般在-12(镍)+6(铂)范围。在弹性形变范围内，K决定于泊松比和比例系数c；在塑性形变范围内，因=0.5，所以K=2。在电子计价秤的实际应用中，应变式传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件亦称弹性体，利用它把被测物理量重量转换为弹性体的应变值。我们采用铝合金作为弹性体的材值。另一个是应变片，由于金属材料的应变片的稳度稳定性好，在很大范围内保持常数，所以一般采用金属电阻应变片。并且电子计价秤在秤台结构上一个显著的特点是一个相当大的秤台只在中间装置一块专门设计的传感器组来感应物料重量。当秤台上放置物料时，应变片产生电阻应变R（应变片受拉时为R+R，应变片受压时为R-R），为了显示和记录，通常将应变片组成双差动全桥电路.双差动全桥电路具有较高的灵敏度，良好的线性关系和适应温度变化的补偿能力。如图1所示即采用两片受压，两片受拉的四片应变片，且使相同受力状态的两应变片接入电桥的相对臂上。设R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则此时输出电压为U=US*R1/R1。电桥的电压灵敏度S=US/R1/R1=US，可见，全桥双差动电路的电压灵敏度为US。同时完全线性。图二 传感器原理图 二，A/D转化电路这部分电路的作用前面已经介绍过了，下面介绍一下我们所选用的AD7705芯片的特点，读者会发现我们选用这块芯片的原因。美国AD公司的AD7705采用-转换技术,有2个模拟通道,片内带数字滤波器,抗干扰性强,分辨率高,稳定性好,是重量测量中理想的A/D转换器芯片。AD7705主要具有如下特点:(a)2个全差分模拟输入通道, 16位无丢失代码, 0. 003%非线性。(b)可编程增益放大器,增益范围1128,可与压力传感器直接相连,无须外接放大器。(c)内置可编程数字滤波器。(d)内置可编程自校准电路,通过对零点和满度校准,可有效地去除零点漂移和增益误差。(e)双向串行通讯接口,可方便的与微处理器和DSP芯片连接。图三 AD7705内部结构AD7705内部结构:AD7705的内部结构如图3所示。它包括一个-ADC,数字滤波器,可编程模拟放大器,时钟发生器,串行接口电路等。AD7705的引脚中MCLKIN和MCLKOUT为主时钟频率的连接端, SCLK为串行时钟输入端,CS为片选端,将CS接为低电平被选中,能以三线接口模式运行,RESET为复位输入,低电平时将器件的控制逻辑、接口逻辑、校准系数、数字逻辑器和模拟调制器复位至上电状态。AIN1+、AIN1-、AIN2+、AIN2-分别为两路信号的输入端, REFIN+、REFIN -为外加参考电压输入端,DRDY为A/D转换完成端,低平有效DOUT、DIN为串行数据的输出和输入端。 片内寄存器:a.通信寄存器。0/DRDY-:写操作时此位必须为0,读操作时表示数据寄存器数据是否准备好。RS2,RS1,RS0:寄存器选择位。R/W-:读写选择,“0”表示下一次是写操作,“1”表示下一次是读操作。STBY:等待模式,写入“0”器件处于正常工作模式。CH1,CH0:通道选择, 00选择通道1, 01选择通道2。b.设置寄存器。MD1,MD0:工作模式选择位, 00为正常工作模式, 01为自校准, 10为零刻度系统校准, 11为满刻度系统校准。G2,G1,G0:增益选择位, 0008分别对应增益值1128。B/U:单极性/双极性择位,“0”表示双极性,“1”表示单极性。BUF:输入缓冲控制位,“0”表示无缓冲,“1”表示有缓冲。FSYN:滤波器同步。c.时钟寄存器。ZERO:必须为0,否则,会导致器件的非指定操作。CLKDIS:主时钟禁止位,“1”禁止时钟在MCLKOUT引脚输出。CLKDIV:时钟分频位。CLK:时钟位,时钟频率为2. 4576MHz时,该位设置为“1”,时钟频率为1MHz时,该位设置为“0”。FS1,FS0:滤波器选择位,与CLK一起决定器件的输出更新率。d.数据寄存器。数据寄存器是一个十六位只读寄存器,它包含了最新的转换结果。e.测试寄存器。测试寄存器用于测试期间使用,用户一般不用。.f零标度校准寄存器和满标度校准寄存器。这两上寄存器都是24位,用户一般不用。 AD7705的读写时序:AD7705各种功能的实现全部由片内各寄存器的设置来控制,而对这些寄存器的读/写是通过串行口来完成的。AD7705的串行口包括5个信号: CS/、SCLK、DIN、DOUT和DRDY/。其通信时序图如下所示,图4是从AD7705输出移位寄存器读数据的时序图,图5是向AD7705输入移位寄存器写数据的时序图。图四 从AD7705读数据时序图图五 向AD7705写数据时序图 A/D转化电路原理图最后组成的AD转换电路如图六所示：其中电位器用于调节基准电压，使基准电压能从0V到5V之间可调。图六 A/D转化电路 三，主控器控制电路以ATMEL公司的51系列单片机AT89C51为控制核心,单片机最小系统为控制器实现电子计价枰的各项功能。本设计中的单片机最小系统板主要由AT89C51、12MHz晶振、电源部分、显示部分、语音读数部分和按键组成。系统实现的功能主要通过软件的编程实现,单片机主要对按键电路,显示电路,语音读数电路，AD板电路进行控制处理。单片机资源分配如下, P1口主要为键提供接口,P2口主要为显示、语音提供接口, P3口主要为AD7705提供接口。为了便于别人操作,制作出了直观的界面显示,友好的操作和显示界面,将控制键盘简单化。由于AT89C52单片机可利用的引脚多,资源多,可以控制键盘、显示。并不需要外加键盘或显示控制芯片,从而简化了外部电路。而且编程难度不大,容易实现。 矩阵式键盘电路由于电子称需要设置单价,所以需要十个数字键,一个小数点键,一个确认键,一个清除键和一个调零键。总共需设置14个键,还剩2个键,用于以后可能的扩展功能键。由于51系列单片机的P1口,内部具有上拉电阻,外部可以不接上拉电阻,连接很方便。键盘与单片机的接口电路如图7所示。各按键对应的功能和作用如图8所示。图七 键盘电路原理图图八 按键对应的功能和作用 LED数码管显示电路本设计中的十一位共阳极LED数码管能够显示商品的单价,重量和对应的总价,其中最上面三位用于显示单价,中间四位用于显示重量,底下四位用于显示总价。其显示的功能主要由软件的设计实现,为了节省系统的资源,本系统采用动态显示。为了便于程序的设计,采用了多行同时扫描的技术。显示原理如下:当向74LS164送出三个字节的数据时,这时只有一列数码管选通显示,延时一段时间后可以发送第二个三字节数据,选通另一列数码管,显示器分时轮流工作,虽然每次只有一个显示器显示,但由于人的视觉暂留现象,我们仍能感觉到所有显示器都在同时显示。图9为显示电路的原理。图九 显示电路原理图 语音报数、报价电路设计该部分电路的主要目的是出于实际应用时防止人为出错方面考虑，可以尽量避免按键错误。这里我们选用一块强大的语音芯片ISD1416。下面介绍一下它的基本情况。ISD1416是美国ISD公司推出的28脚语音集成芯片，系ISD14oo系列中的一种，采用其独特的模拟量直接存储技术，较好地保存了语音中的有效成份，音质好，是一种颇受欢迎的语音录放电路。录放语音时间165，可任意分段，每段最短(分辨率）100ms。引脚功能和注意事项描述：电源(VccA，VccD) 芯片内部的模拟和数字电路电源。地线(VssA，VssD) 芯片内部的模拟和数字电路电源地线。录音(/REC) 低电平有效。只要/REC变低，而不管芯片处于何种状态，芯片即开始录音。录音期间，/REC必需保持为低。边沿触发放音(/PLAYE) 此端出现下降沿时，芯片开始放音。放音持续到信息结束标志EOM)或内存结束。电平触发放音(/PLAYL) 此端从高变低时，芯片开始放音。放音持续到此端回到高电平，或遇到EOM标志，或内存结束。录音指示(/RECLED) 处于录音状态时，此端变低，可驱动LED。话筒输入(MIC) 此端外接麦克风，内接片内前置放大器。话筒参考(MICREF) 此端是前置放大器的反向输入，以差分形式连接麦克时，可减小噪音，提高共模抑制比。自动增益控制(AGC) AGC动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量时的失真能保持最小。模拟输出(ANAOUT) 前置放大器输出。前置电压增益取决于AGC端的电平。模拟输入(ANAIN)此端即芯片录音的输入信号。对话筒输入来说，ANAOUT端应通过外接电容连至本端，其它音源可通过交流祸合直接连至本端。扬声器输出(SP+，SP一) SP+与SP一管脚可直接驱动16n阻抗的扬声器。当单端使用时必须在输出端和扬声器间加藕合电容，而双端输出既不用电容又能将功率提高到4倍。外部时钟(XCLK) 此端芯片内有下拉元件，不用时应接地。地址(A。一A7) 地址端有两个作用，取决于最高(MSB)两位A7，A6的状态，当A7或A6有一个为零时，所有输入均解释为地址位，作为当前录放操作的起始地址。地址端只作输入，不输出操作过程的内部地址信息。地址在/PLAYE，/PLAYL或/REC的下降沿锁存。AT89C51单片机与ISD1416语音芯片的接口如图十所示。图十 语音芯片接口电路原理图此语音报数装置，为避免在每一字段放音完后出现的“叶咏”声，采用电平放音控制模式，由AT89C51的PI.0口线对ISD1416的/PLAYL进行控制，低电平放音，当刚遇到片内EOM时，高电平强行停止放音，从而可达到报数的圆润和自然。由于目前电子计价衡器中的CPU大都处于单片方式下工作，为节省CPU的口线，本设计采用AT89C51的串行口TXD，RXD外接一片74LS164扩展八根口线分别控制ISD1416的AO一A7地址线，作为对每个发音字的寻址。4. 系统软件设计4.1 设计思想根据系统的要求,系统的大部分功能都以软件为基础,通过C语言编程实现。系统的主程序流程图如图十一所示,该程序流程图是根据系统软件的工作流程得出的,它实际上是各个程序模块的集合。主程序流程图给出了系统工作的基本过程,描述了信号的基本流向,起到一个向导的作用。AD7705的初始化主要是设置时钟寄存器和设置寄存器。设置时钟寄存器时先写通信寄存器(写入的值为0x21,表示选择通道1,下一操作是对时钟寄存器进行写操作)后写时钟寄存器(写入的值为0x01,主要用于设置AD转换的输出更新率)。写设置寄存器时先写通信寄存器(写入的值为0x11,表示选择通道1,下一操作是对设置寄存器进行写操作)后写设置寄存器(写入的值为0x6a,使AD7705工作于自校准方式,前置放大器放大倍数为32)。图十一 系统主程序流程图4.2 部分需要说明的程序设计方法 数据处理子程序说明本程序主要用到的滤波算法是:AD7705连续采集16次,然后取中间的8个AD值求平均,作为有效的用于转换成重量的值。系统将外部输入的单价信息存于数据RAM中,当接收到AD转换器的数据(电压信号)后,将AD转换的数值转化为相应的重量数据,并将其进行乘法运算得到总价,即总价=重量单价在进行乘法运算得出结果后,进行BCD转换,最后将这些信息显示于LED数码管上。 语音库的建立及软件设计语音库的建立对计价衡器显示的重量和金额实现自动报数，首先必须建立语音库。建立语音库可以在手动模式下使用话筒录音，也可以用线路录音，同时也可以在单片机控制下进行录音。本系统采用的是后者，在单片机控制下进行录音建库的优点是:第一，可以实现单字一个一个去录，同时对录放效果可以试听，满意可以往下录，不满意可以重录;第二，每个语音可以确切知道其地址，这对编程实现语音任意组合带来极大方便。语音地址及时间的换算在对ISD1416器件的语音信息寻址时，经常交叉使用二种表达方式，开始地址或开始时间，它们按以下公式换算:时间=直接地址*分辩率对于ISD1416语音器件来说，其分辩率为100ms，存储时间16s，直接地址范围是0159D(09FH)，据此，建立的语音库及地址如下表所示。建立语音库的录、放、试听程序清单。根据图十一的接口电路及上述原理，设汁的录、放、试听程序清单如下：ORG 0000HSTART: AJMP MAINORG 0030HMAIN: MOV SVON，#00H ;置串行口为方式0。MOV A，#00HACALL SEND ;发送地址(下同)。CLR P2.0 ;报0MOV A，#09HACALL SENDCLR P2.0 ;报1MOV A，#12HACALL SENDCLR P2.0 ;报2MOV A，#IBHACALL SENDCLR P2.0 ;报3MOV A，#24HACALL SENDCLR P2.0 ;报4MOV A，#2DHACALL SENDCLR P2.0 ;报5MOV A，#36HACALL SENDCLR P2.0 ;报6MOV A，#3FHACALL SENDCLR P2.0 ;报7MOV A，#48HACALL SENDCLR P2.0 ;报8MOV A，#51HACALL SENDCLR P2.0 ;报9MOV A，#5AHACALL SENDCLR P2.0 ;报点MOV A，#63HACALL SENDCLR P2.0 ;报元MOV A，#6CHACALL SENDCLR P2.0 ;报千克MOV A，#7EH;ACALL SENDCLR P2.0 ;报拾MOV A，#87HACALL SENDCLR P2.0 ;报百MOV A，#90HACALL SENDCLR P2.0 ;报千LJMP MAINSEND: NOPSETB P2.0 ;停止放音，为下一录放和试听作准备。MOV SBUF，AWAIT:JNB T1，WAITCLR T1RETEND上面程序的用法是:在仿真器上汇编通过后，单步运行，在每次执行完ACALLSEND语句，即向ISD1416发出一确切的地址后，按下录音按钮52，同时对着麦克风，说要报的数，此时即录下语音。然后当执行CLRPl.0语句时，便可试听，也可按51按钮进行试听。这里要注意的是，由于每字的时间长度仅为0.95，所以说每一字时，声音不要拖的过长，且每一字的时间尽可能均匀一致。5. 参考文献1 马忠梅等，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，19982 ATMEL，8 BIT MICROCONTROLLER WITH 8K BYTES IN-SYSTEM PROGRAMMABLE FLASH AT89S52，20013 童诗白等，模拟电子技术基础（第三版），高等教育出版社，20014 张培仁 ，MCS-51单片机原理与应用，清华大学出版社 ，20035 王毓银 ，数字电路逻辑设计（第三版），高等教育出版社，19996 卜玉明，ISD1416争咨音慈片在电子计价秤报数中的设计与实现，衡器，19997 李灿廖宁，基于AD7705电子计价秤的设计，20026. 附录A 开发环境Protel 99 SE单片机C语言编译环境KEIL C51Microsoft Office Visio 2007CAJViewer 7.0运行环境windowsXP7. 附录B 课程学习心得和意见建议李其昌：我作为课程设计小组的小组长，在实际的工作中我负责的是资料搜集，系统总体设计，Protel作图，Visio 作图，软件思路设计，报告编写等工作。对于一个较为复杂一些的系统设计，良好的分工对工作的完成起着至关重要的作用，所以我的工作还包括根据小组内每个人爱好特长进行合理的分工。虽然这次的课程设计实验不需要做出实际的系统作品出来，但是在实际的设计过程中，我们依然尽量的思考设计的合理性和现实性，努力做到如果把我们的方案拿出去做成PCB版以后就可以使用了。但是，由于时间有限，手头的资料有限，我们所掌握的知识的局限性，以及实践能力不足等原因，我们的设计中肯定存在这这样那样的缺点错误，甚至可能是致命的，还有待改进。通过这次课程设计实验，让我们充分体会了大家一起解决遇到问题的那种过程，体会了团队合作的优势，受益匪浅，也充分体会了那种困难被攻克后的喜悦之情。郑怀周：首先，很高兴我们组能齐心协力完成本此课程设计。我们这次课程设计实质上是电阻应变片式传感器的调理电路及扩展功能的设计。在主的框架定下后，我主要负责语音部分的方案设计。 语音部分通过使用美国ISD公司推出的28脚语音集成芯片ISD1416进行设计的。该部分由两个步骤组成。首先，对用到的字进行录音，并赋予对应的地址。第二步是，由单片机分析需要读出的文字格式编排地址，然后依次读出地址对应的声音。理解这两部分之后，在进行语音方案的设计就比较清晰了，在正文中已经进行阐述，在此不再详述。 在本次课程设计中，我们的组长及其他组员都进行了认真的查找资料，仔细分析每一部分，力求完善的作出这个语音电子计价秤的方案。大家互相帮忙，共同讨论攻克遇到的难题。 最后，对本课程设计中给我以帮助的老师，组长李其昌同学以及同组的其他同学付出的努力表示感谢！张姗姗：本次电子计价秤的设计，我负责的是原理图绘制，软件设计的内容，总体来说，还是