山東省電子設(shè)計(jì)大賽

（ 2004 年）

參賽學(xué)校： 山東大學(xué)

指導(dǎo)教師： 萬 鵬 姚福安

設(shè)計(jì)者： 劉永勝 杜 輝 楊媛媛

2004 年 9 月 13 號(hào)

摘 要

本系統(tǒng)采用單片機(jī) AT89S52 為控制核心，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。系統(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng)板，數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互界面三大部分。最小系統(tǒng)部分主要是擴(kuò)展了外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號(hào)的前級(jí)處理和 A/D 轉(zhuǎn)換部分組成。人機(jī)界面部分為鍵盤輸入 ， 128 300)this.width=300" border=0>64 點(diǎn)陣式液晶顯示，可以直觀的顯示中文，使用方便。

軟件部分應(yīng)用單片機(jī) C 語言實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的全部控制功能，包括基本的稱重功能，和發(fā)揮部分的顯示購物清單的功能，可以設(shè)置日期和重新設(shè)定 10 種商品的單價(jià)，具有超重報(bào)警功能，由于系統(tǒng)資源豐富，還可以方便的擴(kuò)展其應(yīng)用

第一部分： 方案論證與比較

一、控制器部分

本系統(tǒng)基于 51系列單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)需要大量的控制液晶顯示和鍵盤。不宜采用大規(guī)模可編程邏輯器件：CPLD、FPGA來實(shí)現(xiàn)。（因?yàn)榇笠?guī)�？删幊踢壿嬈骷�一般是使用狀態(tài)機(jī)方式來實(shí)現(xiàn)，即所解決的問題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換問題。本系統(tǒng)狀態(tài)較多，難度較大。）另外系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了AT89S52通用的比較普通單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。內(nèi)部帶有8KB的程序存儲(chǔ)器，在外面擴(kuò)展了32K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以滿足系統(tǒng)要求。

二、數(shù)據(jù)采集部分

（ 1 ）、傳感器

題目要求稱重范圍 9.999Kg ，重量誤差不大于 300)this.width=300" border=0>Kg ，考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重— 300)this.width=300" border=0>。我們選擇的是 L-PSIII 型傳感器，量程 20Kg ，精度為 300)this.width=300" border=0>，滿量程時(shí)誤差 300)this.width=300" border=0>0.002Kg 。可以滿足本系統(tǒng)的精度要求。其原理如下圖所示：

稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓可由下式給出：

（ 2 ）、前級(jí)放大器部分

壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，所以對(duì)運(yùn)算放大器要求很高。 我們考慮可以采用以下幾種方案可以采用：

方案 一 、利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器。

普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)引入大量噪聲。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號(hào)就會(huì)直接影響最后的測(cè)量精度。所以，此中方案不宜采用。

方案二、由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器。

差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放 ( 如 OP07) 做成一個(gè)差動(dòng)放大器。

電阻 R1 、 R2 電容 C1 、 C2 、 C3 、 C4 用于濾除前級(jí)的噪聲， C1 、 C2 為普通小電容，可以濾除高頻干擾， C3 、 C4 為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。

優(yōu)點(diǎn)：輸入級(jí)加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級(jí)為差動(dòng)放大電路，滑動(dòng)變阻器 R6 可以調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)，最后一級(jí)可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。輸出級(jí)為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合應(yīng)用要求。

缺點(diǎn)：此電路要求 R3 、 R4 相等，誤差將會(huì)影響輸出精度，難度較大。實(shí)際測(cè)量，每一級(jí)運(yùn)放都會(huì)引入較大噪聲。對(duì)精度影響較大。

方案 三 ：采用專用儀表放大器，如： INA126，INA121等。

此類芯片內(nèi)部采用差動(dòng)輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。

以 INA126為例,接口如下圖所示：

放大器增益 300)this.width=300" border=0>，通過改變 300)this.width=300" border=0>的大小來改變放大器的增益。

基于以上分析，我們決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器 INA126 。

（ 3 ）、 A/D 轉(zhuǎn)換器

由上面對(duì)傳感器量程和精度的分析可知： A/D 轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在 300)this.width=300" border=0>以下

12 位 A/D 精度： 10Kg/4096=2.44g

14 位 A/D 精度： 10Kg/16384=0.61g

考慮到其他部分所帶來的干擾 ,12 位 A/D 無法滿足系統(tǒng)精度要求。 所以我們需要選擇 14位或者精度更高的A/D。

方案一、逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器，如：ADS7805、ADS7804等。

逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換，一般具有采樣/保持功能。采樣頻率高， 功耗比較低，是理想的高速、高精度、省電型 A/D 轉(zhuǎn)換器件。

高精度逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器一般都帶有內(nèi)部基準(zhǔn)源和內(nèi)部時(shí)鐘，基于89C52構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)僅需要外接幾個(gè)電阻、電容。

但考慮到所轉(zhuǎn)換的信號(hào)為一慢變信號(hào)，逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器的快速的優(yōu)點(diǎn)不能很好的發(fā)揮，且根據(jù)系統(tǒng)的要求，14位AD足以滿足精度要求，太高的精度就反而浪費(fèi)了系統(tǒng)資源。所以此方案并不是理想的選擇。

方案二、雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器：如：ICL7135、ICL7109等。

雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器精度高，但速度較慢(如：ICL7135),具有精確的差分輸入，輸入阻抗高（大于 300)this.width=300" border=0>），可自動(dòng)調(diào)零，超量程信號(hào)，全部輸出于TTL電平兼容。

雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)正負(fù)對(duì)稱的工頻干擾信號(hào)積分為零，所以對(duì)50HZ的工頻干擾抑制能力較強(qiáng)，對(duì)高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對(duì)輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對(duì)本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號(hào)，很容易受到工頻信號(hào)的影響。故而采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對(duì)濾波電路的要求。

作為電子秤，系統(tǒng)對(duì) AD的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上14位的AD足以滿足要求。另外雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器較強(qiáng)的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價(jià)格。綜合的分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們最終選擇了ICL7135。

三、人機(jī)交互界面

（ 1 ）、鍵盤輸入

鍵盤輸入是人機(jī)交互界面中最重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。 我們采用了專用的鍵盤顯示芯片 ZLG 7289。

Intel8279 是一種比較成熟的可編程鍵盤 / 顯示芯片，可以滿足小系統(tǒng)的要求。

ZLG7289 是周立功單片機(jī)公司設(shè)計(jì)的串行輸入輸出可編程鍵盤 / 顯示芯片有強(qiáng)大的鍵盤顯示功能，支持 64 鍵控制�？梢员容^方便的擴(kuò)展系統(tǒng)。另外 ZLG7289 內(nèi)部有譯碼電路，大大簡化了程序。

我們選擇功能更好的 ZLG7289 作為鍵盤掃描顯示芯片

（ 2 ）、顯示輸出

雖然 ZLG7289 具有控制數(shù)碼管顯示的功能，但考慮到本題目要求中文顯示，數(shù)碼管無法滿足，只能考慮用帶有中文字庫的液晶顯示器。由于可以分頁顯示，無需太大屏幕，我們選擇了點(diǎn)陣式 128 × 64 型 LCD — OCM4X8C 。