基于PSD电子秤电路设计-大学学士学位论文

1、哈尔滨理工大学学士学位论文- -大学学士论文：基于PSD电子秤电路设计电子秤是日常生活中常用的电子衡器，是衡器的一种，是利用胡克 定律或力的杠杆平衡原理测定物体质量的工具，广泛应用于超市、大 中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原 理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量 精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、 工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。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，所以电子秤替代机械秤是发展的趋势。而目前市场上电子秤产品的整 体水平不高，部

2、分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏 产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套 有实用价值的电子秤系统，从技术上要克服上述诸多缺点，改善电子秤系 统在应用中的不足之处，具有现实意义。该设计以单片机为控制核心，实现电子秤的基本控制功能，并且以位 置敏感传感器作为称重传感器的电子称电路计。我们选用了TI公司的MSP430系列中的MSP430F135单片机（内置12位A/D转换器）用于完 成数据米集、运算、显示及控制等工作。关键词 单片机；PSD;位置敏感传感器；放大器；数模转换ased on PSD Electronic Scale DesignAbstrac

3、tElectr onic scales is com monly used electr on weigh ing apparatusi n daily life, is a kind of instruments, is to use Hooker law or the lever principle of bala nce of force as determ in ati on of the quality of the object tools. widely used in supermarket, large and medium-sized stores, logistics d

4、istribution center, Electronic scales in the structure and principle of the substituted with the prin ciple of lever bala nce for traditi onal mecha ni cal weighi ng tools. Compared with the traditional mechanical weighing tools, electronic scales has to weigh the high precisi on, small volume, in s

5、talled the applicati on ran ge, easy to operate ,etc, and in shape layout, working principle, structure and material are new measuring instruments. Electronic weighing device electronic scale, electronic balance to its accurate, rapid and convenient, direct display a lot of adva ntage and get the fa

6、vour of people, so electr onic scales alter native mach inery scale is the trend of the developme nt. And on the market at prese nt the whole product micro-electronic level is not high, some small enterprise poor product quality and technical force is weak, the equipment is not complete, lack of pro

7、duct development ability, quality of products wander at a low level. So, have specific aim to develop a set of have the practical value of the electr on bala nce system, from tech no logy to overcome the disadva ntages the above, improve the electron balance system in the defects of the application,

8、 have realistic sig nifica nce.This design with Single-chip microcomputer as control core, realize the basic con trol function electr onic scales, and with displaceme nt sen sor sen sitive as weighi ng tran sducer electr onic scales circuit desig n.We select MSP430F135 mcu of TI s MSP430 family (12b

9、it A/D in side) to acquire in formatio n, calculate, display, con trol, etc.哈尔滨理工大学学士学位论文-iii -Keywords single-chip microcomputer； PSD； displacement sensorsensitive； amplifier ； analog-to-digital conversion哈尔滨理工大学学士学位论文- V -哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -目录 TOC o 1-5 h z 摘要IAbstractII HYPERLINK l bookmark4 o Cu

10、rrent Document 第1章绪论1. HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.1课题背景1. HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.2课题研究的目的和意义1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.3电子秤的组成2. HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 1.3.1电子秤的基本结构2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1.3.2电子秤的工作原理3 HY

11、PERLINK l bookmark16 o Current Document 1.3.3电子秤的计量性能 3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.4设计思路4. HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第2章系统方案论证与选型5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.1控制器部分5. HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2.2数据采集部分 6. HYPERLINK l bookmark26 o Cur

12、rent Document 2.2.1传感器的选择 PSD光电位置传感器 6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.2.2放大电路的介绍7. HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 2.3显示电路部分的选择1.1 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.4超量程报警部分选择1.1 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 2.5本章小结11 HYPERLINK l bookmark36 o Current Doc

13、ument 第3章硬件电路设计12 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3.1 TI公司MSP430单片机简介12 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 3.1选用MSP430的原因 13 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 3.1.1单片机与放大电路的接口 14 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3.1.2单片机与按键的接口 1.5 HYPERLINK l bookmark46 o Current Do

14、cument 3.1.3单片机与显示电路的接口 16 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 3.1.4复位电路的设计 16 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 3.2电源电路设计17 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3.3数据采集电路设计18 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document PSD器件的工作机理1.8 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document MSP430F

15、135单片机的 A/D 转换1 9 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3.4报警电路的设计20 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3.5本章小结20 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 第4章系统软件设计 21 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 4.1主程序设计 21 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 4.2子程序设计 21421 A/D转换启动及数

16、据读取程序设计 22 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 4.2.2显示子程序设计 24 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 4.2.3报警子程序的设计 24 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 4.3本章小结25 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 结论26 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 致谢27 HYPERLINK l bookmark78 o C

17、urrent Document 参考文献28 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 附录A英文文献29 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 附录B中文翻译3.4附录C整体电路43哈尔滨理工大学学士学位论文- -第1章绪论1.1课题背景本课题研究的是基于PSD电子秤电路设计。物体重量是实际应用中非 常重要的物理量，所以它的测量工具在工作和生活中经常被使用。利用作用于物体上的重力来测量该物体质量的计量仪器称做秤。物品称量是市 场交易中很基本的活动，是商业领域最基本的衡具。电子秤是衡器的一种，人类最早使用的

18、衡器是原史天平约在公元前 5000年，埃及就已使用等臂天平秤。它是在简易杠杆中点设一支点，在杠 杆一端的盘（钩）上放置被测物，在另一端的盘上逐个放置形状、质量一 样的物体，当这种装置平衡时，就意味着两边的质量相等，并可从左端物 体的个数确定右端被测物的质量，中国杠杆的应用历史也比较悠远。传统 的量具是杆秤或盘秤，随着电子技术的飞速发展，20世纪70年代开始出现了电子秤。二十世纪初期外国人将金属质电子秤带进我国。据载，我 国于1918年出现了修理外国电子秤的作坊。当时英国人到中国来进行贸 易，货船自带电子秤，电子秤损坏了由中国工人为他们修理，但控制很严 格，不准仿造。后来我们掌握了技术，于192

19、2年在上海开始仿造，首家厂名为“岑南德记台秤修理厂”；1926年南洋华侨陶志祖先生在上海开办“陶记磅台秤修理制造厂”，修理并制造台秤，秤的承重件都是铸造的，标尺是铸铜件，承重转换件为“球式”；1931年日本产品进入中国，他们用的承重转换件为“刀式”，由铸刀改为鑲刀。早期的电子秤多通过模拟电路实现，随着电子技术的不断发展，数字芯片的价格下降， 模拟控制已经逐步被数字控制所代替。在科学技术高速发展的今天，如何用简单便宜，性能良好的元器件制 造出对人类生活有用的产品，已经成为人们研究的主要趋势数字电子秤在 各种生产领域和人民日常生活中得到广泛应用。1.2课题研究的目的和意义衡器广泛用于工业、农业、商

20、业、科研、医疗卫生等部门。衡器是利 用力的形变平衡原理（胡克原理）或力的杠杆平衡原理测定物体质量 的。形变平衡根据被测物自身重量所引起的弹性体形变量来测定被测物质 量，形变量随着重力加速度的变化而变化；杠杆平衡根据标定砝码重量与 被测物重量在杠杆上的平衡来测定被测物质量。杠杆平衡与重力加速度的 变化无关，但在重力加速度等于零时，衡量失效。衡器主要由承重系统 （如秤盘）、传力转换系统（如杠杆传力系统）和示值系统（如刻度盘） 三部分组成。衡器按照结构和原理可分为三大类：机械秤、电子秤、机电 结合秤。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。称重装置的应用已遍及到

21、国民经济各领域，取得了 显著的经济效益。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重 视。衡器发展的重点是电子衡器。60年代初期出现机电结合式电子衡器以 来，经过40多年的不断改进与完善，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，特别是对 快速称重和动态称重的研究与应用。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

22、、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。生产工艺，质量保证，可靠性考 核等规模生产中的关键技术与工艺，提高批量生产能力，使我国的民族衡 器工业走上健康持续发展的轨道。1.3电子秤的组成电子秤主要由承重系统（如秤盘、秤体）、传力转换系统（如杠杆传力系统、传感器）和示值系统（如刻度盘、电子显示仪表）三部 分组成。1.3.1电子秤的基本结构电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器， 也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原 理制成的电子秤均由以下三部分组成：（1）承重、传力复位

23、系统它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤 的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件 和限位减振机构等。（2）光电位置传感器高灵敏度光电位置传感器 PSD（ Position Sensitive Detector ）是一种新 型的光电器件，或称为坐标光电池，它是一种非分割型器件，可将光敏面 上的光点位置转化为电信号。当一束光射到 PSD的光敏面上时，在同一面 上的不同电极之间将会有电流流过，这种电压或电流随着光点位置变化而 变化的现象就是半导体的横向光电效应。因此利用PSD的PN结上的横向光电效应可以来检测入射光点的照射位置。它不像传统的硅光电探测器

24、只能 作为光电转换、光电耦合、光接收和光强测量等方面的应用；而能直接用 来测量位置、距离、高度、角度和运动轨迹等。它与阵列式图像传感器也 不一样，不像固态图像传感器的测量表面由于敏感单元有一定大小而存在 死区；PSD器件能连线检测光点的位置，没有死区，分辨力高，适配电路 简单等特点；正日益引起人们的重视 。（3）测量显示和数据输出的载荷测量装置即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源 或电压源、调节器、补偿元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打 印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪 表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计

25、 数、寄存、控制和驱动显示等环节。1.3.2电子秤的工作原理电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称 量装置，才能满足并解决现实生活中提出的快速、准确、连续、自动称量 要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过 程控制的应用要求。首先是通过压力传感器采集到物体重量的变化，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。1.3.3电子秤的计量性能电子秤的计量性能涉及的主要技术指

26、标有：量程、分度值、分度 数、准确度等级等。（1） 量程：电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况 下，所能称量的最大值。（2）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度 值。用e或d来表示。（3）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数 用n表示。电子衡器的最大称量 Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表 示，即 Max = n ?c。（4）准确度等级国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成I、U、M、W四类 等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数 n的范围，如下表1所示：表1电子秤等级分类标志及等级电子秤种类分度数范围特种准确度基准衡器n 100

27、000高准确度精密衡器10 000 nw 100 000中准确度商业衡器1 000 nw 10 000普通准确度粗衡器100 n w 1 000电子称技术指标：测量范围：0 1000g测量精度：1g1.4设计思路目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局 限性：体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受 到制约。现有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤， 居民用户使用的基本是杆秤。弹簧盘秤制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问 题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以 至损坏，影响到称重的准确性和可靠性，只是一种暂时的代用品，也被

28、列 入逐渐取消的行列。微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，电子产 品的更新速度达到了日新月异的地步。本系统在设计过程中，系统的微控 制器部分选择了兼容性比较好的 MSP430系列单片机，在系统更新换代的 时候，只需要增加很少的硬件电路，甚至仅仅删改系统控制程序就能够实 现。另外由于实际应用当中，称可以有一定量的过载，但不能超出要求的 范围，为此我们还设计了过载提示和声光报警功能。综上所述，本课题的主要设计思路是：利用光电位置传感器采集因位 移变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过数模转换器 转换为模拟信号，最后把模拟信号送入单片机。单片机经过相应的处理 后，得出

29、当前所称物品的重量，然后再显示出来。这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便，集质量称量功 能与价格计算功能于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。第2章系统方案论证与选型按照本设计功能的要求，系统由 6个部分组成：控制器部分、测量部 分、报警部分、数据显示部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图 如图2-1所示。图2-1设计思路框图测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设 计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路、差动放大电路）处理 后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。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

30、为物体的 实际重量信号，并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。当 超载时报警装置报警。2.1控制器部分本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器，而且以单片机 为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一 起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制 系统”这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以 及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。再则由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比 较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用

31、 带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不 用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。这些配置能够很好地实现本仪 器的测量和控制要求。51系列单片机：由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容。在单 芯片上，拥有灵巧的 8位CPU和在线系统可编程 Flash,使得AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O

32、 口线，看门狗 定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断 结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下，CPU停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式 下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一 个中断或硬件复位为止。而且，它还具有一个看门狗(WDT)定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入 死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电 路3。430系列单片机：MSP430系列单片机是一个特别强调超低功耗的单片机品种，很适合 应用与电池供电的长时间工作场合

33、。在这个系列中有很多个型号，它们是 由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。MSP430系列的CPU采用16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的 代码效率。它采用数字控制振荡器(DCO)，使得从低功耗模式到唤醒模 式的转换时间小于6g。其中MSP430 x41x系列微控制器设计有一个16位 定时器，一个比较器，96段LCD驱动器和48个通用IO引脚。MSP430F1x系列具有以下一些共同特点：超低功耗。强大的处理能力。丰富的片上外围模块。方便高效的开发方式。多种存储器形式。适应工业及运行环境。在本设计中选择MSP430F135系列单片机14。2.2数据采集部分电子秤

34、的数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路和A/D转换电路，因此对于这部分的论证主要分三方面。2.2.1传感器的选择 PSD光电位置传感器在设计中，传感器是一个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显 的特别的重要，不仅要注意其量程和参数，还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等。高灵敏度光电位置传感器 PSD是一种新型的光电器件，或称为坐标光 电池，它是一种非分割型器件，可将光敏面上的光点位置转化为电信号。 当一束光射到 PSD的光敏面上时，在同一面上的不同电极之间将会有电 流流过，这种电压或电流随着光点位置变化而变化的现象就是半导体的横 向光电效应。因此利用 PSD的p

35、n结上的横向光电效应可以来检测入射光 点的照射位置。它不像传统的硅光电探测器只能作为光电转换、光电耦 合、光接收和光强测量等方面的应用 ；而能直接用来测量位置、距离、高 度、角度和运动轨迹等。它与阵列式图像传感器也不一样，不像固态图像传感器的测量表面由于敏感单元有一定大小而存在死区；PSD器件能连线检测光点的位置，没有死区分辨力高。适配电路简单等特点；正日益引起 人们的重视。PSD应用于位移测量基本原理如图所示，由半导体激光器（LD）发射出的光束经过透镜1聚焦，光斑照射到待测物体上，部分反射光通过透镜2会聚到PSD的光敏面上。当激光光斑投射到被测物的某一位置时，会聚到 PSD的光斑恰好位于光敏

36、面的中央位置。此时，PSD两电极输出电流相同。由图（2-2）可知光敏面上位置坐标x = 0，以该位置作为基准点。图中B 点表示待测物的基准点，则其散射光斑会聚到 PSD光敏面中央b处，而待测 点A和C的散射光斑分别会聚到PSD光敏面a c两处，分别测得两电极的电 流信号，再经过后续处理电路就可以精确测试出 A、C两点与基准点B之间 的位移。图2-2位移测试原理图当重力压在位移敏感传感器的重力盘上时，重力盘弹性元件的形变位 移在上图中位置 A、B、C范围内变化，此时PSD的敏感表面上的光斑位 置发生变化，从而使PSD产生相应的电流信号，有电流信号的变化可以看 出重力大小的变化，再经过后续一系列处

37、理使电信号转变为数字信号显示 出来。2.2.2放大电路的介绍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A/D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

38、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。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A/D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差动放大器。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，如图2-3所示：R1ViR3R6R2Vi -C1C3尸口R8R4rr丄 -J-C4LJ

39、C2R7R5C1、C2图2-3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,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。缺点：此电路要求 R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较 大。实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大12。方案三采用专用仪表放大器，如：AD620，INA126等。此类芯

40、片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益 高，精度也非常好，且外部接口简单。OUTPUTREF+ 12VR3U14 1K12V图2-5AD620的接口图接口如图2-5所示:AD620由传统的三运算放大器发展而成，但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计，如电源范围宽（.38V）,设计体积小，功耗非常低（最大供电电流仅1.3mA），因而适用于低电压、低功耗的 应用场合。AD620的单片结构和激光晶体调整，允许电路元件紧密匹配和跟踪， 从而保证电路固有的高性能。AD620为三运放集成的仪表放大器结构，为 保护增益控制的高精度，其输入端的三极管提供简单的差分双极输入，并采

41、 用B工艺获得更低的输入偏置电流，通过输入级内部运放的反馈，保持输 入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。AD620的两个内部增益电阻为24.7k8，因而增益方程式为：G = 49. 4 / RG+ 1（2-1）对于所需的增益，贝U外部控制电阻值为：RG = 49. 4 /（ G - 1）K（2-2）AD620具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的 特点。其最大输入偏置电流为20nA,这一参数反映了它的高输入阻抗。AD620在外接电阻Rg时，可实现11000范围内的任意增益；工作电源 范围为i2.3 8V ;最大电源电流为1.3mA;最大输入失调电压为

42、125V; 频带宽度为120kHz （在G=100时）。在本设计中，根据PSD原理选用相应的放大电路，且先需要首先应对 PSD输出的光电流进行电流-电压转换，在进行放大，如图2-6所示：图2-6常用的PSD测量电路及相应的放大电路2.3显示电路部分的选择数据显示是电子秤的一项重要功能，是人机交换的主要组成部分，它 可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。数据显 示部分可以有以下两种方案供选择。的组成有以下两种方案可供选择：一 是LED数码管显示，二是 LCD液晶显示两种选择。LCD液晶显示器是 一种极低功耗显示器，从电子表到计算器，从袖珍时仪表到便携式微型计 算机以及一些文字

43、处理机都广泛利用了液晶显示器。2.4超量程报警部分选择智能仪器一般都具有报警和通讯功能，报警主要用于系统运行出错、 当测量的数据超过仪表量程或者是超过用户设置的上下限时为提醒用户而 设置。在本系统中，设置报警的目的就是在超出电子秤测量范围时，发出 报警信号，提示用户，防止损坏仪器。超限报警电路是由单片机的I/O 口来控制的，当称重物体重量超过系 统设计所允许的重量时，通过程序使单片机的 I/O值为高电平，从而三极 管导通，使蜂鸣器SPEAKER发出报警声。2.5本章小结本章对电路设计所用元件进行了比较和选型，并主要对控制器部分和数据采集部分进行了进行了分析。最后决定采用MSP430F135单片

44、机，内含A/D转换器；数据采集部分运用 PSD常用的测量电路以及其相应的放 大电路。第3章 硬件电路设计3.1 TI公司MSP430单片机简介MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型 单片机，在1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方 便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于 以下的特点。强大的处理能力 MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了 精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的

45、模拟指令；大量的 寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指 令；有较高的处理速度，在 8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。这些特 点保证了可编制出高效率的源程序。在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实 现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125“的指令周期以及多功能的 硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）15。MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活 方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6M超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低

46、芯片 的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是 1.83.6V电压。因而 可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在 200400A左右， 时钟关断模式的最低功耗只有 0.1让其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430系列中有两个不同的系统时 钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+ ）时钟系统或DCO数字振 荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（32768Hz），有的使用两个晶体 振荡器）。由系统时钟系统产生 CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟 可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时

47、打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片 的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4 ）。在等待方式下，耗电为 0.7以在节电方式下， 最低可达0.1讣系统工作稳定上电复位后，首先由 DCOCLK启动CPU，以保证程序 从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后 软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体 振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系 统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。丰富的片上外围模块：MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富 的片内外设。它

48、们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器 A、定时器 A（Timer_A）、定时器 B（ Timer_B ）、串口 0、1（ USART0、1）、硬件乘法 器、液晶驱动器、10位/12位ADC、I2C总线直接数据存取（DMA ）、端 口 0 （P0）、端口 16（ P1P6）、基本定时器（Basic Timer）等的一些外围 模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器 进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器Timer_A和Timer_B ）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可 用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同

49、步 及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6-8条I/O 口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下 降沿的中断输入；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps,能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩 展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA ）模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的 方便5。方便高效的开发环境目前 MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM 型三种类型的器件，这些

50、器件的开发手段不同。对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有电可擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到 FLASH内，再在器件内通过 软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方 法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和 C语言。MSP430单片机目前主要以FLASH型为主。适应工业级运行环境MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度 为-40+85摄氏度，所设计的产品适合用于工业环境下10。

51、3.1选用MSP430的原因对于一个以单片机为核心的系统来说，单片机的选择至为重要。MSP430F135是一款功能强大的16位单片机，但我们选择它还是基于系统 设计的考虑。我们选择 TI公司的MSP430F135的主要原因是：MSP430F135具有6-8个通用I/O 口，大大方便了系统的设计。所 以在显示电路中，我们对8段LED的段选直接用了 8个I/O 口，而没有使 用八段译码器（如74LS249等）；对5个LED的位选也直接用了 5个I/O 口。这样大大简化了电路的设计，降低了系统的复杂性，同时也节省了成本。MSP430系列单片机一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有

52、丰富的寻址方式。在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽 度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（F135无）相配合，能实 现数字信号处理的某些算法，如平均值算法、折线或是多次曲线拟合算 法、滤波算法等。MSP430系列单片机具有丰富的片内外设：12位A/D转换器ADC12可把测量电路的输出信号转化为数字量，而无需外加独立的A/D转换芯片。16位定时器可用来定时5个LED数码管动态显示时刷新的时 间间隔。MSP430系列单片机是一款超低功耗单片机，并有多种低功耗模 式。这样一起可用电池供电，从而使仪器小型化。方便以后把仪器

53、改造成 便携仪器。MSP430的F系列引入了 Flash和JTAG技术，使得在开发过程中 不需要仿真器和编程器，十分便于开发调试11。其它，如价格相对便宜，家族成员丰富，熔丝烧断后可升级等。3.1.1单片机与放大电路的接口与放大电路的接口设计 MSP430F135单片机内部有一个12位的A/D 转换器ADC12，并有8个外部输入通道A0 - A7,我们把放大电路通道1 的输出接至A0，放大电路通道2的输出接至A2。为了使输出电压在单片 机I/O 口能承受的范围之内，我们在放大电路后加了钳位电路。单片机与 放大电路的接口如图3-1所示：在放大电路与单片机内部的 A/D转换器之间加一个钳位电路。钳

54、位电 路的作用是：防止放大器输出的电压信号高于2.5V损坏A/D转换器，破坏电路。放大电路钳位电路MSP430F135图3-1单片机与放大电路的接口示意图3.1.2单片机与按键的接口除“复位”键外，“调零” （KEY1）与“测量” （KEY2）两个按键。其 中，“调零”实现的功能是：测量当前重量值，把测得值在 LED上显示出 来，并把此值作为一个零点，成为测量的一个基准；“测量”实现的功能是：测量当前重量，减去零点值，完成相对测量，并在LED上显示出来。与单片机的接口如图3-2所示：图3-2单片机与按键的接口示意图3.1.3单片机与显示电路的接口本次设计采用LED作为显示元件，在显示方法上用动

55、态显示的方法 实现5个LED数码管的显示，如图3-3所示：图3-3单片机与显示电路的接口示意图JfcomLLH.e dcomc h11 111B.e dcomc hh 11 r0.e d com c h 1111 B.e dcomc h11 11 He dcom c h位选段码3.1.4复位电路的设计当仪器出现异常故障时，可用“复位”键使其复位，其设计如图3-4所示：MSP430系列单片机复位信号只在芯片上电或 PST/NMI设置成复位模 式，在RST/NMI引脚上出现低电平信号两个事件发生时产生。复位信号 的发生总是会产生PUC信号，但是PUC信号的发生不会产生复位信号。 产生PUC信号的事

56、件为：发生复位信号；处于看门狗模式下，看门狗定 时器时间到；看门狗定时器写入错误的安全键值；RST/NMI引脚上出现低电平信号；FLASH存储器写入错误的安全键值13。图3-4复位电路3.2电源电路设计本系统为单片机供电+3.3V。如图3-5所示:图3-5电源电路图3.3数据采集电路设计数据采集部分电路包括传感器、输出信号放大电路、A/D转换器。331 PSD器件的工作机理PSD （ Position Sensitive Detectors）器件是自本世纪70年代研制成功的 一种新型位置传感器，由于该器件具有体积小、灵敏度高、线性范围大、 噪声低、响应速度快、后续处理电路简单等优点，所以广泛应

57、用于光电位 置测量、光学遥控、位移和振动的检测和监控、方向探测、光学边界判 别、医用器械、三维位置测量系统以及机器人视觉等方面。PSD是一种独特的半导体光电器件，他的 PN结结构、工作状态、光 电转换原理等与普通光电二极管类似，但他的工作原理与普通光电二极管 的完全不同，后者基于PN结或肖特基结的纵向光电效应，普通光电二极 管通过光电流的大小反映入射光的强弱，是光电转换器件和控制器件，而 位置敏感探测器不仅是光电转换器，更重要的是光电流的分配器，通过合 理设置分流层和收集电流的电极，根据各电极上收集到的电流信号的比例 确定入射光的位置。PSD的主要特点如下：（1）响应速度快。PSD的光电转换响

58、应速度和输出电阻及结电容的 乘积成反比（约几个微秒），与一般的光敏二极管相比，响应速度要低一 点，但由于它是非扫描型的，因此比扫描型的光敏器件响应速度要快的多。（2）位置分辨率高。CCD器件的分辨率取决于像素的间距，一般都 在十几个微米左右，而PSD器件由于其敏感面十连续的，它的分辨率与外 部检测电路的噪声及入射光所产生的光电流大小有关，一般为零点几个微 米。（3）可同时检测位置和光强。因光强和总的光生电流有关，所以只 要加上一线路，把从信号电极输出的电流相加得到总电流，就可以求出入 射光强。（4）位置输出与光点强度及尺寸无关，只与光的重心位置相关。这 一特点使得PSD在应用时无需苛求复杂得光

59、学聚焦系统【9】。当有几条光束分别照射在敏感面时，按X=L（l2-l1）/（l2+l1）计算出各光束的入射位置，然后 根据这些位置和入射光强所计算出来的“能量中 心”，与这几条光束同时照射 PSD表面时，按上式计算出的位置，二者 是一致的。PSD敏感表面被未经聚焦的光束照射时，输出所反映的位置与经聚焦 光束照射时输出所反映的位置是一致的。光斑大小对PSD的非线性没有影响，只有在内部不均匀而光斑直径较大时，由于平均效应才可能降低非线性。（5）频谱响应宽，响应范围从 330到1100nm。（6）外围电路简单，信号检测方便，价格相对光电阵列器件要便宜 的多。在本设计中PSD作为称重传感元件应用在电路

60、中。3.3.2 MSP430F135单片机的A/D转换因为MSP430内部有一个12位的A/D转换器ADC12，所以需要对其 进行编程。我们采用了“序列通道单次转换”的方式，装换过程自动完 成，无需软件转换，其流程图如图 3-6所示：入口1启动一次序列通 道单次转换1转换数值对应RAM存储区累加求和F子程序返回图3-6 A/D转换流程图ADC的结构特点：ADC12有8个外部模拟信号采样通道（a0a7）和4个内部通道（a8a11），各个通道的参考电平可以由用户根据需要编程选择。ADC12的转换时钟ADCI2CLK可选自多个时钟源，如内部振荡器ADC12OSC或ACLK、MCLK和SMCLK，并可