智能电子称.docx

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智能电子称

目录

引言

任务书

摘要

开题报告

1、系统设计1

1.1系统框图1

1.2系统说明1

2、单元电路设计2

2.1方案论证2

2.1.1压力传感器2

2.1.2滤波放大电路3

2.1.3A/D转换器5

2.1.4单片机选型7

2.1.5键盘输入9

2.1.6LED显示9

2.2核心元器件介绍10

2.2.1L-PSIII型称重传感器10

2.2.2MSP430F149单片机12

2.2.3ADC080415

2.2.4INA126放大器16

3、总电路的设计18

3.1系统原理图18

3.2系统原理说明19

4、小结19

4.1设计的优缺点19

4.2可以改进的地方19

4.3结语19

5、参考文献21

附录：

（PCB图）22

致谢23

引言

智能传感技术自上世纪80年代末出现以来迅速运用于各行各业，其中智能电子称是一项较为成熟的应用。

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。

21世纪，电子产品变得越来越丰富，给人们带来了很多很多的方便，其中电子秤成了人们生活中不可缺少的一部分。

大大小小的市场电子秤能够完成许多工作，为人们节省了时间，提高了工作效率。

本设计就是为了制作这样一种电子秤，它以单片机为核心在实际使用时达到以下要求：

1、电子秤称重范围：

0～9.999㎏；重量误差不大于

0.005㎏；

2、液晶显示：

所称物体重量、10重商品的购物清单等。

本设计的控制功能包括基本的称重功能，显示购物清单功能，设置日期和重新设定10种商品的单价功能，还具有超重与欠量程报警功能。

由于系统资源丰富，还可以方便的拓展其应用。

摘要：

本课题设计的智能传感器分为最小系统、数据采集、人机交互界面和系统电源四大部分。

最小系统部分主要包括MSP430F149单片机和扩展的外部数据存储器；数据采集部分由L-PSIII传感器型压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成，包括运算放大器INA126和A/D转换器ADC0804；人机交互界面为键盘输入和LED显示，主要选用矩阵式键盘，可以方便的输入数据和直观的显示数字。

关键词：

压力传感A/D转换单片机LED显示

智能传感器系统的设计

1、系统设计

1.1系统框图

图

（1）系统框图

1.2系统说明

1.2.1各部分的作用

如系统框图所示，智能电子称电路主要由压力传感器电路、滤波放大电路、A/D转换电路、键盘输入模块、LED显示电路等组成。

各部分的作用如下：

（1）压力传感器：

压力传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。

在本设计中压力传感器的作用是接受被称重物体产生了一个压力信号并将其转化为可以被侦测的电信号。

（2）滤波放大电路：

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。

其作用主要是对压力将感器产生的电信号进行放大并且滤除其中的干扰信号。

（3）A/D转换器：

本设计中经滤波放大之后的信号为模拟信号，而单片机能识别的只能是数字信号。

A/D转换器即模数装换器。

能把检测到的电压或电流等模拟信号转换成计算机能够识别的等效数字量，这些数字量送入单片机处理后输出结果。

（4）键盘输入模块：

键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。

键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。

键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。

单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。

因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。

（5）单片机：

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU、内存、内部和外部总线系统，同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

本设计中单片机的作用是按照事先设计好的程序对输入的各种信号进行扫描和计算。

（6）LED显示电路：

LED显示是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

本设计中LED显示电路作用为将单片机计算结果显示出来。

1.2.2整个系统的原理

本课题设计的智能传感器系统组成如图1所示，当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一个电信号。

此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由A/D器进行转换，转换完成以后将数字信号送入单片机处理，单片机根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。

并将运行结果在LED显示屏上显示。

2、单元电路设计

2.1方案论证

2.1.1压力传感器

压力传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。

通常压力传感器产生的误差约占电子秤整机误差的50%~70%。

若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用压力传感器非常重要。

方案一、由MPX2100压力传感器构成的感应电路

压力传感器MPX2100输出信号经IC1、IC2（OP07）构成的差动放大器放大，再由IC3（OP07）构成的增益为1的差动放大器放大后，驱动9013，以4-20mA电流的形式向负载RL输出压力信号。

然后将模拟信号送入A/D转换机，处理完的信号再送入单片机处理。

处理电路如下图

（2）。

图

（2）MPX2100压力传感器感应电路

方案二、由L-PSIII传感器构成的感应电路

L-PSIII型传感器是专用的称重传感器。

其外围电路如下图（3）。

图中由于桥路失衡时的输出电压比较小，所以必须用运放IC1b和IC1C来进行放大。

图中VR1为偏置调整，VR2为压力灵敏度调整，VR3为没有加压时输出电压调整，C1、C2用于去除干扰信号。

图（3）L-PSIII型传感器感应电路

MPX2100压力传感器是压阻式传感器，主要用于于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。

在商用电子称上的应用非常少，技术还不成熟。

所以本设计不用此方案。

本设计中称重范围定为9.999Kg，重量误差不大于

Kg，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—9.999Kg。

我们选择的是L-PSIII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。

2.1.2滤波放大电路

方案一、利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器

如下图（4）所示为由一个分压偏置式共射放大电路和一个射极输出器组成的两级阻容耦合放大电路。

其中，射极输出器除了可以降低整个电路的输出电阻外，由于其较高的输入电阻就是前级共射放大电路的负载电阻，根据共射放大电路电压放大倍数的计算公式可知，尽管射级输出器本身的电压放大倍数小于1，但仍然可以提高前级放大倍数，从而提高整个放大电路的放大倍数。

图（4）两级阻容耦合放大电路

方案二、由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器

如图（5）是由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。

其中电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的干扰信号，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，主要用于滤除低频信号。

图（5）差动放大器

高精度低漂移运算放大器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。

方案三、采用专用仪表放大器

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。

下图（6）是INA126的接口图。

图（6）INA126的接口图

放大器增益

；

通过改变

的大小来改变放大器的增益。

基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126。

INA126是一种精密仪表放大器。

通过二个运放的组合设计,使器件具有极低的静态电流和较宽的电源范围。

综合以上，我选择了简单的仪表放大器INA126。

2.1.3A/D转换器

A/D转换器选用的原则：

1、A/D转换器的位数。

A/D转换器决定分辨率的高低。

在系统中，A/D转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。

2、A/D转换器的转换速率。

不同类型的A/D转换器的转换速率大不相同。

积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速A/D转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。

逐次逼近型属于中速A/D转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。

3、A/D转换器的有关量程引脚。

有的A/D转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。

方案一、采用AD574A

AD574A是一种高性能的12位逐次逼进式A/D转换器，它同ADC0809一样是常用的A/D转换器。

转换时间为25μs，线性误差为±1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装。

AD574A由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存缓冲器，10V基准电压源四部分构成。

图（7）AD574A的应用电路

方案二、采用ADC0804

图（8）ADC0804应用电路

逻辑电平输入信号（CS，RD和WR）符合TTL逻辑电平标准。

这些输入信号相当于ADC开始转换和输出使能的控制信号，并且为了使得微处理器控制简便，这些输入端都采用低电平有效。

在没有微处理器参与的应用中，输入端CS（1管脚）可以接地，并且当输入端WR（3管脚）为低电平时，AD转换启动。

输入端RD（2管脚）的低电平信号可以激活输出端的使能功能。

ADC0804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特强，对高于工频干扰（例如噪声电压）也具有良好的滤波作用。

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ADC0804可大大降低对滤波电路的要求。

作为电子秤，系统对AD的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。

另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。

2.1.4单片机选型

方案一、AT89S52单片机

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。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

基于AT89S52单片机的主控电路的设计如下图（9）。

图（9）AT89S52单片机的主控电路

P1口和P2.0～P2.6口作为地址总线，其中P1口作为低地址线和数据总线复用，P2.0～P2.6口做高地址线。

P2.7作为62256的片选控制总线，ALE接锁存器74LS373的使能端。

P3.6和P3.7作为外部数据存储器写/读选通信号输出端分别接62256的/WE和/OE端。

AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz，并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

方案二、AT89C51单片机

AT89C51是一种带4K字节的单片机。

AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图（10）AT89C51单片机应用电路

方案三、MSP430F149单片机

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）推出的一款16位超低功耗的混合信号处理器，其在我国推出的时间也已经很久了，它以低功耗著称，并且将许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，因此一经推出便在我国得到迅速推广。

下图（11）为MSP430F149单片机的应用电路：

图（11）MSP430F149单片机的应用电路

针对目前普遍使用的51系列单片机局限性，为了很好地满足控制器的准确性、精确性的要求，采取了一系列措施。

首先，考虑系统所接的外部模块比较多，需要的I/O口比较多，一般的8位单片机是不够用的所以考虑选择8位以上的单片机，再者32位的单片机功能又太过了，不仅I/O口比较多，而且好多集成的资源用不上都会浪费，所以考虑使用16位的单片机，而16位单片机中的TI公司MSP430系列的较为成熟，适用于在仪表仪器中使用，而且用在本系统中也正好合适，其次该控制器本身部分集成了12位的A/D转换器进行高精度转换，并可采用软件配置采样通道，确定采样序列，保存采样结果。

用于本系统中进行采样也比较合适，再次考虑控制器对功能性接口要求较高，而且存在较大数量的计算任务。

基于以上的考虑，选择了性价比比较高的MSP430F149单片机。

2.1.5键盘输入

键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。

操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。

因此键盘模块设计的好坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。

键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。

键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。

单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。

因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。

本设计选用矩阵式键盘（又叫行列式键盘）。

用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。

例如，用2×2的行列结构可构成4个键的键盘，4×4行列结构可构成16个键的键盘。

因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。

相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活。

缺点就是需要用软件处理消抖、重键等问题。

图（12）键盘电路

2.1.6LED显示

LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写，简称LED。

它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示器结构：

基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。

可实现0～9的显示。

其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等

LED显示器与显示方式:

LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。

通常使用的是七段LED。

这种显示块有共阴极与共阳极两种。

共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。

当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。

在设计中使用LED显示块构成N位LED显示器。

N位LED显示器有N根位选线和8*N根段选线。

根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。

段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮、暗。

LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。

我们使用的为动态显示方式。

在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。

其中两片74LS244分别用于段信号和位信号的驱动，74LS273用于段信号的锁存，其锁存地址为7FFFH。

图（13）显示电路

2.2核心元器件介绍

2.2.1L-PSIII型称重传感器

L-PSⅢ型称重传感器为双孔悬臂梁形式，是电子计价秤的专用产品，也可用于制造由单只传感器构成的电子案秤，台秤及专用衡器等。

下图为PS压力传感器的截面结构图。

如图所示，在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体，如果对这一电阻体施加压力，由于压电电阻效应，其电阻值将发生变化。

受到应变的部分，即膜片由于容易感压而变薄，为了减缓来自传感器底座应力的影响，将压力传感器片安装在玻璃基座上。

当向空腔部分加上一定的压力时，膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。

压电电阻的排列方法如下图所示，受到拉伸的电阻R2和R4的阻值增加；受到压缩的电阻R1和R3阻值减小。

下图（14）为L-PSⅢ型称重传感器的结构图。

图（14）L-PSⅢ型称重传感器的结构图

主要技术指标参考下表：

L-PSIII型称重传感器电气特性

准确度等级

C30.020.03

额定载荷

kg

3、6、10、20、30、50

灵敏度

mV/V

1.8±0.08

非线性

%F.S.

±0.02

滞后

0.02

重复性

0.02

蠕变

%F.S./30min

±0.02

蠕变恢复

零点输出

%F.S.

±1

零点温度系数

%F.S./10℃

±0.02

额定输出温度系数

输入电阻

Ω

415～445

输出电阻

Ω

349～355

绝缘电阻

MΩ

≥5000

供桥电压

V

12（DC/AC）

温度补偿范围

℃

-10～+50

允许温度范围

℃

-20～+60

允许过负荷

%F.S

120

极限过负荷

%F.S

200

四角误差

%F.S

0.03

连接电缆

mm

Φ3.8×300

接线方式

输入（+）:

红输入（-）:

白输出（+）:

绿

输出Output（-）:

蓝屏蔽:

黄

而我们在具体实现采集的模拟量时，出于经济方面的考虑并没有在系统中采用L-PSIII型传感器，而是直接从系统的电源电路中引出一个毫伏级的电压作为待采样的模拟量。

2.2.2MSP430F149单片机

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）推出的一款16位超低功耗的混合信号处理器，其在我国推出的时间也已经很久了，它以低功耗著称，并且将许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，因此一经推出便在我国得到迅速推广。

针对目前普遍使用的51系列单片机局限性，为了很好地满足控制器的准确性、精确性的要求，采取了一系列措施。

首先，考虑系统所接的外部模块比较多，需要的I/O口比较多，一般的8位单片机是不够用的所以考虑选择8位以上的单片机，再者32位的单片机功能又太过了，不仅I/O口比较多，而且好多集成的资源用不上都会浪费，所以考虑使用16位的单片机，而16位单片机中的TI公司MSP430系列的较为成熟，适用于在仪表仪器中使用，而且用在本系统中也正好合适，其次该控制器本身部分集成了12位的A/D转换器进行高精度转换，并可采用软件配置采样通道，确定采样序列，保存采样结果。

用于本系统中进行采样也比较合适，再次考虑控制器对功能性接口要求较高，而且存在较大数量的计算任务。

MSP430F149的引脚图如图（15）所示。

图（15）MSP430F149的引脚图

MSP430F149的引脚功能：

引脚

I/O

说明

名称

序号

P1.0/TACLK

12

I/O

通用数字I/O引脚/Timer-A，TACLK时钟信号输入

P1.1/TA0

13

I/O

通用数字I/O引脚/Timer-A，捕获：

CCI0A输入，比较：

OUT0输出

P1.2/TA1

14

I/O

通用数字I/O引脚/Timer-A，捕获：

CCI1A输入，比较：

OUT1输出

P1.3/TA2

15

I/O

通用数字I/O引脚/Timer-A，捕获：

CCI2A输入，比较：

OUT2输出

P1.4/SMCLK

16

I/O

通用数字I/O引脚/SMCLK信号输出

P1.5/TA0

17

I/O

通用数字I/O引脚/Timer-A，比较：

OUT0输出

P1.6/TA1

18

I/O

通用数字I/O引脚/Timer-A，比较：

OUT1输出

P1.7/TA2

19

I/O

通用数字I/O引脚/Timer-A，比较：

OUT2输出

P2.0/ACLK

20

I/O

通用数字I/O引脚/ACLK输出端

P2.1/TAINCLK

21

I/O

通用数字I/O引脚/Timer-A，INCLK时钟信号

P2.2/CAOUT/TA0

22

I/O

通用数字I/O引脚/Timer-A，捕获：

CCI0B输入，比较：

OUT0输出

P2.3/CA0/TA1

23

I/O

通用数字I/O引脚/Timer-A，捕获：

CCI1B输入，比较：

OUT1输出

P2.4/CA1/TA2

24

I/O

通用数字I/O引脚/Timer-A，比较：

OUT2输出

P2.5/Rosc

25

I/O

通用数字I/O引脚/外接一电阻用以决定DCO频率

P2.6/ADC12CLK

26

I/O

通用数字I/O引脚/12位A/D转换器的转换时钟

P2.7/TA0

27

I/O

通用数字I/O引脚/Timer-A，比较：

OUT0输出

P3.0/SET0

28

I/O

通用数字I/O引脚/从机传输使能—USART0/SPI模式

P3.1/SIMO0

29

I/O

通用数字I/O引脚/USART0/SPI模式的从输入或主输出

P3.2/SOMI0

30

I/O

通用数字I/O引脚/USART0/SPI模式的从输出或主输入

P3.3/UCLK0

31

I/O

通用数字I/O引脚/外部时钟输入—USART0/UART或SPI模式，时钟输出—USART0/SPI模式

P3.4/UTXD0

32

I/O

通用数字I/O引脚/发送数据输出—USART0/UART模式

P3.5/URXD0

33

I/O

通用数字I/O引脚/接受数据输入—USART0/UART模式

P3.6/UTXD1

34

I/O

通用数字I/O引脚/发送数据输