多功能电子计价秤制作设计报告电子设计竞赛.docx
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多功能电子计价秤制作设计报告电子设计竞赛
大学生电子设计竞赛
编号:
参赛学校:
xx轻工业学院
指导教师:
设计者:
摘要
该多功能电子计价秤是以PhilipsLPC2103为控制核心,实现了电子秤的基本功能。
系统的硬件部分包括最小系统板,数据采集,人机交互界面三大部分。
最小系统部分主要是扩展了外部数据存储器,数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。
人机界面部分为键盘输入,128*64点阵式液晶显示,可以直观的显示商品单价、商品重量、总价、实时时钟等信息,打印机可以打印输出最近100次的交易信息。
系统扩展了实时时钟、温度显示等外围设备。
软件部分应用单片机C语言实现了本设计的全部控制功能,包括基本的称重功能,和发挥部分的显示购物清单的功能,可以设置日期和重新设定10种商品的单价,具有超重报警功能,由于系统资源丰富,还可以方便的扩展其应用。
关键词:
电子计价秤PhilipsLPC2103C语言
Abstract
Themulti-functionelectronicscaleisPhilipsLPC2103forthecontrolofthecore,achievedthebasicfunctionsofelectronicscale.Thehardwareofthesystemboard,includingthesmallest,datacollection,mostofthethreeman-machineinterface.Minimumsystemaresomeofthemajorexpansionoftheexternaldatastorage,dataacquisitioninpartbypressuresensors,signalprocessingandthefirst-classA/Dconverterparts.Somehuman-computerinterfaceforkeyboardinput,128*64dot-matrixliquidcrystaldisplay,visualdisplayunitpriceofgoods,commoditiesweight,lump-sum,real-timeclock,andotherinformation,theprintercanprintoutthelast100tradinginformation.Systemexpansionofthereal-timeclockandtemperaturedisplayandotherperipherals.
ApplicationofSCMsoftwarepartoftheClanguageofthedesignofallcontrolfunctions,includingbasicweighingfunctions,andplayapartoftheshoppinglistshowsthatthefunctioncansetthedateandre-setting10kindsofcommoditiesarepriced,withoverweightalarmFunction,duetosystemisrichinresources,canalsofacilitatetheexpansionofitsapplication.
Keywords:
electronicscalePhilipsLPC2103Clanguage
一设计要求
1.1设计任务
本题目最好采用广州周立功单片机发展有限公司赞助提供EasyARM2103主机板为主控器,设计并制作一个多功能电子计价秤。
(0-2V)
图1.1系统框图
1.2制作要求
1.2.1基本部分:
(1)能用键盘设置单价,称重后能同时显示重量、单价和总额;
电子计价秤:
最大称重为15.000公斤,重量误差不大于±0.1%;
(2)具有数码显示,显示重量、单价、总额等信息。
a.重量显示为5位数码,单位为公斤,最大重量显示值为99.999公斤;
b.单价金额显示为5位数码,单位为元,最大单价金额显示值值为999.99元;
c.总价金额显示为6位数码,单位为元,最大总价金额显示值值为9999.99元,总价金额误差不大于0.01元;
(3)具有去皮功能和总额累加计算功能;
(4)能预存10种商品的单价;可以随意调出使用;
(5)测量并显示环境温度,温度测量误差不大于1℃;
(6)自制可以连续可调高稳定度0-2V直流电源,用于模拟称重传感器输出的称重信号源。
采用0-2V模拟0-20kg称重;
(7)制作工艺。
1.2.2发挥部分:
(1)具有实时时钟显示并具有掉电保护,可显示日历时钟(年、月、日、时、分、秒);
(2)扩展高精度A/D转换器,提高电子计价秤测量精度,测量误差不大于±0.01%;
(3)采用称重传感器及相应信号处理电路与自制电子计价秤实测物品(1kg,5kg,10kg),重量测量误差小;称重数据稳定,数据稳定时间不小于2秒;
(4)能预存10种商品的名称(或代号)和商品的单价;能存储100组购物清单并显示,数据具有掉电保护,清单内容包括:
购货日期、收银员编号、商品名称、数量、单价、金额、本次购物总金额。
购物清单可以打印输出;
(5)商品名称可以中文输入和显示;
(6)其它特色发挥功能。
1.3评分标准
项目
满分
设计报告
设计与总结报告:
方案比较、设计与论证,分析与计算,电路图及有关设计文件,测试方法与仪器,测试数据及误差分析。
50
实际制作
基本部分
完成第
(1)项
10
完成第
(2)项
5
完成第(3)项
10
完成第(4)项
5
完成第(5)项
10
完成第(6)项
5
完成第(7)项
5
实际制作
发挥部分
完成第
(1)项
5
完成第
(2)项
10
完成第(3)项
10
完成第(4)项
10
完成第(5)项
5
完成第(6)项
10
1.4说明
1.不采用中文显示和打印时,相关内容可采用代号、拼音或英文显示。
2.测试基本要求功能时,使用自制可以连续可调高稳定度0-2V直流电源模拟称重传感器及相应变换电路的输出电压信号(0-2V)。
3.测试发挥功能时,第(3)项需要配接称重传感器及相应变换电路实测物品重量。
4.本科生需要完成所有项(基本要求7项,发挥部分6项,作品完成制作满分100分。
5.专科生需要完成以下各项:
基本要求部分中
(1)、
(2)、(3)、(6)和(7)项,满分35分;发挥部分中
(1)、
(2)、(3)和(6)项,满分35分;
6.专科生若完成基本要求部分中(4)和(5))项,发挥部分中(4)和(5)项,可获相应项目的加分。
二系统设计
根据题目要求,该多功能电子计价秤,包括控制模块、键盘模块、、显示模块、打印模块、实时时钟模块、温度测量报警模块和存储模块、AD转换模块。
系统的总体结构框图如图2.1所示。
图2.1系统总体布局框图
系统的各模块中,除了微控制器模块已经确定用周立功公司赞助的PHILIPSLPC2103外其余模块还需要我们论证比较不同的设计方案。
2.1称重传感器的原理及选用
题目要求称重范围15.000Kg,重量误差不大于0.015Kg,考虑到秤台自重、振动和冲击分量,还要避免超重损坏传感器,所以传感器量程必须大于额定称重—15Kg。
我们选择的是L-PSIII型传感器,量程20Kg,精度为
,满量程时误差
0.002Kg。
可以满足本系统的精度要求。
其原理如图2.2所示:
图2.2称重传感器原理图
称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成,内部线路采用惠更斯电桥。
当弹性体(弹性元件,敏感梁)在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在他表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小),再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流),从而完成了将外力变换为电信号的过程,输出信号电压可由下式给出:
,各组成部分的原理如下:
(1)电阻应变片
电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上,即成为一片应变片。
他的一个重要参数是灵敏系数K。
下面介绍的是它的意义。
设有一个金属电阻丝,其长度为L,横截面是半径为r的圆形,其面积记作S,其电阻率记作ρ,这种材料的泊松系数是μ。
当这根电阻丝未受外力作用时,它的电阻值为R:
R=ρL/S(Ω)(2—1)
当他的两端受F力作用时,将会伸长,也就是说产生变形。
设其伸长ΔL,其横截面积则缩小,即它的截面圆半径减少Δr。
此外,还可用实验证明,此金属电阻丝在变形后,电阻率也会有所改变,记作Δρ,对式(2--1)求全微分,即求出电阻丝伸长后,他的电阻值改变了多少。
我们有:
ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2(2—2)
用式(2--1)去除式(2--2)得到
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S(2—3)
另外,我们知道导线的横截面积S=πr2,则Δs=2πr*Δr,所以
ΔS/S=2Δr/r(2—4)
从材料力学我们知道
Δr/r=-μΔL/L(2—5)
其中,负号表示伸长时,半径方向是缩小的。
μ是表示材料横向效应泊松系数。
把式(2—4)(2—5)代入(2--3),有
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L
=(1+2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L))*ΔL/L
=K*ΔL/L(2--6)
其中K=1+2μ+(Δρ/ρ)/(ΔL/L)(2--7)
式(2—6)说明了电阻应变片的电阻变化率(电阻相对变化)和电阻丝伸长率(长度相对变化)之间的关系。
需要说明的是:
灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数,它和应变片的形状、尺寸大小无关,不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间;其次K值是一个无因次量,即它没有量纲。
(2)弹性体
弹性体是一个有特殊形状的结构件。
它的功能有两个,首先是它承受称重传感器所受的外力,对外力产生反作用力,达到相对静平衡;其次,它要产生一个高品质的应变场(区),使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号的转换任务。
以SB系列称重传感器的弹性体为例,来介绍一下其中的应力分布。
设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。
肓孔底部中心是承受纯剪应力,但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。
主应力方向一为拉神,一为压缩,若把应变片贴在这里,则应变片上半部将受拉伸而阻值增加,而应变片的下半部将受压缩,阻值减少。
下面列出肓孔底部中心点的应变表达式
ε=(3Q(1+μ)/2Eb)*(B(H2-h2)+bh2)/(B(H3-h3)+bh3)(2--8)
其中:
Q--截面上的剪力;E--扬氏模量:
μ—泊松系数;B、b、H、h—为梁的几何尺寸。
(3)检测电路
检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。
因为惠斯登电桥具有很多优点,如可以抑制温度变化的影响,可以抑制侧向力干扰,可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等,所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。
因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高,各臂参数一致,各种干扰的影响容易相互抵销,所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。
2.2前级放大器部分的选择
压力传感器输出的电压信号为毫伏级,所以对运算放大器要求很高。
我们有以下几种方案可以采用:
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:
图2.3差动放大电路图
电阻R1、R2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。
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。
方案三:
采用专用仪表放大器(如:
INA126,INA121等)
此类芯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。
以INA126为例,其接口如图2.4所示:
图2.4INA126放大电路图
放大器增益
,通过改变
的大小来改变放大器的增益。
结合本题对精度的要求,对比以上方案,我们决定采用方案二由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。
2.3AD转换模块
当前市场上卖的AD转换芯片品种较多,可供我们选择的方案也较多。
方案一:
采用双积分型A/D转换器(如:
ICL7135、ICL7109等)
双积分型A/D转换器精度高,但速度较慢(如:
ICL7135),具有精确的差分输入,输入阻抗高(大于
),可自动调零,超量程信号,全部输出于TTL电平兼容。
双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。
对正负对称的工频干扰信号积分为零,所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强,对高于工频干扰(例如噪声电压)已有良好的滤波作用。
只要干扰电压的平均值为零,对输出就不产生影响。
尤其对本系统,缓慢变化的压力信号,很容易受到工频信号的影响。
故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。
方案二:
逐次逼近型A/D转换器
逐次逼近型A/D转换,一般具有采样/保持功能。
采样频率高,功耗比较低,是理想的高速、高精度、省电型A/D转换器件。
高精度逐次逼近型A/D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟,基于ARM2103构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。
但考虑到所转换的信号为一慢变信号,逐次逼近型A/D转换器的快速的优点不能很好的发挥,所以此方案并不是理想的选择。
方案三:
选用美国CRYSTAL公司生产的一种20bit串行模/数转换器CS5531。
它的线性误差仅为0.0007%FS,无噪声分辨率最大可达到23位,其校准后可选输入范围为-5mV~5V,操作时只使用简单三线串行接口,简单易行,容易短时间内掌握其用法。
题目的基本要求为最大称重为15.000公斤,重量误差不大于±0.1%;如采用10位A/D转换模块其精度为:
15Kg/1024=14.6g,如采用20位A/D转换模块其精度为:
15Kg/1048575=0.01g。
作为电子秤,系统对AD的转换速度要求并不很高,满足基本的测量要求即可。
另外考虑到作品成本、抗干扰性能等诸多方面的因素我们最终选择了CS5531A/D转换器。
2.4键盘模块
键盘模块是实现多功能电子计价秤多种功能的重要模块,由于该项技术的发展成熟,可供我们采用的键盘方案也很多。
方案一:
用一块74LS138译码器输出8路扫描信号,4路扫描返回信号线接I/O口输入(我们设计是4*8的键盘)。
这种设计方案电路设计非常的简单,但是软件的编程要考虑软件的去抖等,会比较复杂而且占用大量的CPU资源。
方案二:
采用技术成熟的PS/2键盘,读键盘程序相对简单,仅占用2个I/O口,符合国际标准,可实现键盘接口,且替换性好,价格低。
但键盘接口与ARM2103连接不便,键盘管理协议不统一,需要熟悉标准键盘的协议,短时间内难以熟练使用。
方案三:
采用并行键盘控制芯片8279。
8279是总线型数码管和键盘管理芯片,编程比较麻烦,而且是并行工作方式,占用相当多的GPIO。
方案四:
选用自备键盘。
采用7290可扩展64个按键,64只按键中,前56个按键是普通按键K1~K56,最后8个为功能键F0~F7。
键盘电阻R86~R93的典型值是3.3KΩ。
在多数应用当中可能不需要太多的按键,这时可以按行或按列裁减键盘。
7290B可以扫描管理多达64个按键,s1~s16为普通按键,普通按键还有连击检测功能。
7290B的I2C总线器件地址是70H(写操作)和71H(读操作)。
访问内部寄存器要通过“子地址”来实现。
在本设计中要用到大量按键,但按键数目太多显得系统庞杂不美观。
综合以上各方案我们采用7290的16个按键并采用按键功能复用技术即方案四。
2.5显示模块
方案一:
只应用LED显示管。
LED数码管显示器,显示数字直观,成本低廉,但其只能显示少量字符和数字,且消耗功率大,不适用于该多功能电子计价秤的大量信息显示。
方案二:
采用金鹏OCMJ4×8C字符型液晶显示屏。
OCMJ4×8C液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块,可显示汉字及其图形,可与CPU直接接口,提供两种界面来连接微处理机:
8位并行及串行两种连接方式。
而且具有多种功能:
光标显示,画面移位,睡眠模式等,可在系统中作为显示屏。
方案三:
采用LCM240×128ZK点阵图形型液晶作为主液晶显示屏。
LCM240×128ZK液晶显示模块是240×128点阵的汉字图形型液晶显示模块,可显示汉字及图形,内容15×8行,内含7602个简体中文字型,支持4/8位6800/8080MPU接口,提供中英文文字对齐功能,内建粗体字形与行距设定,对比度软件调节,用户可自建字库,但其设计复杂,造价较高,不适宜选用。
显示模块是多供能电子计价秤的重要组成部分。
考虑到7290可驱动8为LED数码显示、显示功耗、大量实时信息的显示等因素,在本系统中我们选用金鹏OCMJ4×8C液晶屏显示商品单价、品种、重量、实时时钟和温度等信息;选用7290驱动的8段LED数码管显示金额信息。
这种显示组合方式能够很好的降低系统的功耗且能够充分利用已有资源,是最优的显示方案。
2.6打印模块
题目要求可打印最近存储的100组购物清单,包括:
购货日期、收银员编号、商品名称、数量、单价、金额、本次购物总金额等信息。
因此需要扩展打印机模块可供选用的方案如下:
方案一:
直接使用微型打印机的机芯,微控制器直接控制机芯工作。
采用这种方案可以减少设备的体积,也可以降低成本但开发难度很大,同时因为各种打印机的机芯不统一,带来一定的采购风险。
方案二:
使用针式微型打印机。
可选用并行、串行多种接口,可选用内置汉字库的打印机打印。
设备体积较小,打印机的选用范围比较大,各种打印机接口也比较统一。
但是噪音比较大,打印的质量不是很理想。
方案三:
采用扩展喷墨打印机,打印机效果较好,且接口简单,但控制命令未知。
短时间内很难熟练掌握。
从实用和价格等多方面考虑,我们选用方案二使用针式微型打印机。
2.7实时时钟模块
方案一:
选用低功耗实时时钟/日历CMOSPCF8563芯片,与采用并行总线的实时时钟芯片相比,虽然PCF8563节省了CPU资源,外围电路简洁,但LPC2103的I2C采用中断发送和接收数据,与键盘模块的外部中断会产生影响,降低了系统可靠性。
方案二:
选用实时时钟芯片DS1032。
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,工作电压为2.5V~5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据,通过I/O口与ARM2103进行通信,操作方便,简单易行,且具有掉电保护功能,稳定可靠,是实现各种时钟功能的理想选择。
方案三:
选用ARM2103内置RTC,它的秒、分、小时、日、月、年和星期及其定时报警寄存器可以直接被CPU读写,降低了系统开销。
而且它的功耗超低,具有独立的电源和时钟源,支持电池或其他的3.3V电源供电,特别适用于不需要连续工作的系统。
时钟源灵活,指定的32.768HZ的振荡器和可编程VPB时钟预分频器均可作为时钟源。
比较以上三种方案,最初我们选择的是方案二,但程序调了好长时间始终没能够调通,后来我们才发现方案三其实是实现这一功能的最佳方案。
最终我们选择了方案三。
2.8温度测量报警模块
方案一:
1.采用PT100作为测温电路的温度传感器。
PT100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化,并呈一定函数关系的特性来进行测温的,具有抗震动,稳定性好,准确度高,耐高压等优点。
但使用起来比较复杂。
方案二:
采用DS18B20作为测温电路的温度传感器。
DS18B20的数字温度输出通过“一线”总线这种独特的方式,可以使多个DS18B20方便的组建成传感器网络,为整个测量系统的建立和组网提供了更大可能性。
它在测温精度,转换时间,传输距离,分辨率等方面比其它温度传感器有了很大的进步,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
方案三:
采用LM35温度传感器。
LM35温度传感器是NS公司生产的,他具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围,他的输出电压与摄氏温度线性成比例,即0℃时输出为0V,每升高1℃,输出电压增加10mV。
且无需外部校准或微调,可以提供±1/4℃的常用的室温精度。
其电源供应模式有单电源与正负双电源两种,正负双电源的供电模式可提供负温度的测量,单电源模式在25℃下电流约为50mA,非常省电。
LM35电压与温度转换公式如下:
由于该多功能电子计价秤要求的测温显示误差不大于1℃,选择LM35已能够满足测温的需要,且LM35的电路结构、与ARM接口方式及编程方式都较简单。
所以我们选用方案三,用LM35作为温度传感器和温度监控器(温度超限报警),并使用单电源供电。
2.9存储模块
电子计价秤系统包含着大量的商品数据,因此一个大的存储空间和一个好的存取算法对整个系统的功能和速度都会产生举足轻重的影响。
所以存储器的选用至关种重要。
方案一:
采用256K位的非易失性铁电随机存储器。
该存储器有256K位的非易失性铁电随机存储器,32768*8位的结构容量,100亿次的读写次数,掉电数据保持10年,且写数据无延时。
,相对于EEPROM或其他非易失性存储器,该存储器具有系统可靠性更高,结构更简单等诸多优点
方案二:
采用ARM2103最小系统板自带的存储器CAT1025。
它是具有256字节存储空间、I2C接口的专用电源监控复位芯片,容量大,足够用来存储大量商品的单价信息了。
另外,Vcc电压监控电路提供了硬件数据保护功能,防止在Vcc降到低于复位阈值电压或上电时Vcc上升到复位阈值电压之前对存储器执行写操作。
运用ARM2103实验板自带的存储器还可以节省资源,实现资源的合理利用。
题目要求能够存储100组购物清单并显示,数据具有掉电保护,清单内容包括:
购货日期、收银员编号、商品名称、数量、单价、金额、本次购物总金额等信息。
因此需要进行大量数据的存储,且具有掉电保护,综合考虑100组购物清单存储所需要的容量等因素我们选择了方案案一,
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