测控技术与仪器 毕业论文范文——高精度电子秤设计

高精度电子秤设计摘 要 随着科技的进步，对电子秤的要求也越来越高。影响其精度的因素主要有:机械结构、传感器和数显仪表。在机械结构方面，因材料结构强度和刚度的限制，会使力的传递出现误差，而传感器输出特性存在非线性，加上信号放大、模数转换等环节存在的非线性，使得整个系统的非线性误差变得不容忽视，因此，在高精度的称重场合，迫切需要电子秤能在线自动校正系统的非线性。此外，为了保证准确、稳定地显示，仪器内部分辨率一般要比外部显示分辨率高4倍以上，这就要求所采用的ADC具有足够的转换位数，而采用高精度的ADC，自然增加了系统的成本。基于电子秤的现状，本文提出了一种基于单片机控制和称重传感器的高精度智能电子秤设计方案。通过实时地对系统的非线性进行补偿，使测量精度得到了大大提高。关键词：单片机，电子秤，称重传感器The design of the high accuracy electronic scaleAbstractAlong with the advancement of the science and technology, the requirements of electronic scales become higher and higher. The factors which affect the precision of the scale mainly include: Mechanism, Sensor and Digital Instruments. In the mechanical structure, because of the restrictions of the structural strength and stiffness, the transmission of the force will appear error. Due to the existence of the non-linear of the sensor output, signal amplification and Analog-digital conversion and so on, which makes the non-linear of the whole system not be ignored. So, in high-precision weighing occasions, it is very important that the electronic scale can revise the non-linear of the system on-line automatically. Furthermore, in order to ensure accurate, stable display, the internal resolution of the instrument is 5 times than the external resolution generally. This requires that the ADC we used has sufficient conversion median. But the use of high-precision ADC will increase the cost of the system. Based on the status of electronic scale, this paper presents a kind of electronic scale design which based on the microcontroller-based control and the high-precision weighing sensor design. Through the compensation to the non-linear in real time, the measurement accuracy can be greatly improved. Key words: High-speed data acquisition, FPGA, High-speed ADC1 绪论1.1 电子秤概述千百年来人们的称重手段一直沿用依据杠杆力矩平衡原理的机械式秤，小到天平、星子，大到汽车衡、轨道衡大都如此。直到二、三十年前由于电子技术的飞速发展，一种全新的称重手段才问世，这就是电子秤。电子秤一般由传感器和二次仪表组成。电子秤的工作原理是：称重时把所施加于传感器上，由传感器把重量信号转变成电量信号，再经二次仪表的处理放大，将重量值用数字方式显示出来，有的还可以打印记录。电子秤的传感器是多种多样的，如按传感器的电量形式分类，大致可分为：电阻式、电容式、电感式等数种。电阻应变片式传感器体积小精度高，但容易受温度、湿度等环境因素的影响，工作不稳定。在采取密封、保温、补偿等措施后，可以大大消除环境因素的影响。在目前应用的电子秤中大多是电阻应变片式传感器。电容式传感器体积大，精度也较电阻应变片式传感器稍差。但由于电容量的变化可以方便地转化为频率的变化，而频率可以作为数字量处理，这样传感器和二次仪表的系统综合精度就可以大大提高。电感式传感器受环境因素影响小，耐用性好，但精度不高。一般只用于限重、配料等精度要求不高的场合。电子秤发展迅速，到目前电子秤的种类几乎涵盖了所有机械秤的种类。并且由于其自身的特点还增加了一些机械秤所难以实现的种类，如吊钩秤、小车秤、动态皮带秤等等。在实物流通中大量使用的是1吨以上量程的秤，最突出的优越性有三点：一是可以减少作业环节和作业量，提高生产效率；二是可以降低司磅人员的劳动强度，减少人为称量误差；三是便于实现自动化。小车式电子秤和吊钩式电子秤在减少作业环节和作业量、提高生产效率方面有显著作用。这两种秤都是应用在吊车上的，可以在物资的装卸过程中同时完成称重作业。小车式电子秤是把传感器安装在桥式吊的小车上。由四只传感器将小车上的卷扬机构全部支承起来。传感器和司机室内的二次仪表之间可以用电缆连接，也可使用无线信号传递信息。小车式电子秤特别适合安装在频繁称重作业的桥式吊车上，对使用条件和环境条件的适应性较好。吊钩式电子秤是把安装了传感器的秤体挂在吊车的钩头上，被称的重物再挂在秤体的下面。二次仪表课固定在秤体上，成为一体式。二次仪表也可以与秤体分开而独立存在，称为分体式。一体式吊钩电子秤在称重时重量值在秤体上直接用数码管或液晶显示。数码管显示适用于光线较暗的场所，如夜间、室内。液晶显示适用于光线强的场所。一体式吊钩称使用时方便简捷，但在称重时秤体悬停在距地面数米的高度上，读取秤体上所显示的重量数值时要仰头仔细观察。分体式吊钩称是在秤体上装上无线信号发射机，二次仪表接收无线信号显示重量数值。这种电子秤的秤体较耐撞击，使用也方便。分体式吊钩秤的二次仪表有台式的、便携式的手持式的还有大屏幕式的。台式的由于不必担心其体积和重量，功能配备的较多。手持式的可以在手中读取重量值，使用非常方便。大屏幕显示可以在一定距离范围内多人同时读取重量值。一台电子秤可同时配用几种不同形式的二次仪表。用户可根据自己的需要选用一种或几种二次仪表。早期还有一种用信号电缆将传感器和二次仪表连接的吊钩式电子秤，因使用不便已淘汰。吊钩式电子秤的优点是使用灵活方便，适合于经常变换使用场所的情况，不但能在桥吊、门吊上应用，也能在其他形式的吊车如汽车吊、轮胎吊上应用。在我国应用的范围要比小车式电子秤广泛，在工厂、仓储、铁路、港口等部门都有应用。价格也较小车式电子秤低，20吨级的秤34万元/台。吊钩式电子秤的生产厂家较多，郑州电子秤厂生产的ORS系列电子吊秤在精度、分辨率和可靠性等方面都较突出。电子秤在我国生产、应用的时间只有短短十几年。最初的电子秤二次仪表是电子管的，体积大、稳定性和可靠性差，使用前需预热。近几年电子秤有了飞速的进步。传感器在材料、工艺的支持下灵敏度、线性度、重复性等项指标都达到了很高的水平。二次仪表普遍采用了集成电路、微处理器等技术，缩小了体积，增加了功能。电子秤的系统精度已达到或优于级秤的水平，出现了许多较完善的定型产品，形成了系列。由于电子秤所具备的种种优越性，使传统的机械秤在它面前相形见绌，电子秤取代机械秤的地位是大势所趋。电子秤今后的发展动向是：一、进一步提高可靠性和耐用性。电子秤的构成元件比机械秤多得多，而且大都是电子元件，客观上故障概率要比机械秤高，提高可靠性显得尤为重要。秤体在使用中要经得起正常的磕碰，不能太娇气。提高可靠性和耐用性是电子秤与机械秤竞争的关键。二、降低成本价格。电子秤目前的价格与机械秤相比还是偏高一些，影响电子秤的推广应用。在电子元器件呈降价去世的情况下降低电子秤的成本和销售价格不是不可能了。三、进一步改进二次仪表，开发新功能。例如增加磁盘存储器，便于向计算机输送信息；增加语音报重功能等。还可以应用户要求进行特殊设计，使电子秤参与对自动生产过程的控制1-4。1.2 国内外称重传感器发展状况 工业与商业电子秤用的称重传感器的技术与制造工艺，美、德等工业发达国家的著名制造公司一直处于国际市场引导者的领先地位，我国具有一定规模的称重传感器制造公司处于市场挑战者或市场追随者地位。家用电子秤用称重传感器的研发和生产中心在中国深圳，我过的制造技术、工艺水平、产品质量和年产量都在逐年提高。 当今国际市场称重传感器技术的竞争，集中表现在产品的准确度、稳定性和可靠性的竞争；制造技术与制造工艺的竞争；应用高新技术研发新产品和自主知识产权产品的竞争。各称重传感器制造企业都在努力培植自己的核心竞争技术和打造核心竞争产品。从近几年国际衡器工业展览会上展出的产品和对多家处于市场引导者地位的企业产品的分析可以得出这些企业的共同追求是：弹性体材质更精良；电阻应变计、补偿元器件的技术要求和环境应力筛选更严格；制造工艺更精细；电路补偿工艺更完善；外观质量更完美。 称重传感器的准确度、稳定性和可靠性是重要的质量指标，同时也是用户最关心的问题。对此，这些企业在结构设计、制造工艺、电路补偿与调整和稳定性处理等方面进行许多研究与试验工作，取得较大进展。1.2.1 主要成果 （1）在结构设计与计算过程中，引入计算机拟实技术进行动态仿真，动力学分析；在工艺设计过程中引入计算机虚拟技术，对弹性体生产工艺进行模拟和检验； （2）在弹性体加工中，纳入先进制造技术，变刚性制造为柔性制造。普遍采用加工中心、柔性制造单元和柔性制造系统； （3）在生产全过程中，尽量减少手工操作、人为控制，增加半自动与自动控制、自动检验工序，并在生产工艺中采用计算机网络技术； （4）改进、创新工艺装备，实现高效智能电路补偿，建立全自动快速检测系统，提高C3级产品成功率和大批量生产产品的抽检合格率； （5）移植先进的稳定处理技术与装备，实施振动时效或共振时效新工艺，提高称重传感器的长期稳定性和工作可靠性； （6）应用高新技术开发新产品和自主知识产权产品，增强核心竞争力。处于国际市场引导地位的企业都有自己的核心竞争技术、工艺和产品，例如：正负蠕变电桥的“O蠕变”称重传感器；铍青铜动态称重传感器；整体型和分离型数字式智能称重传感器；高准确度不锈钢3柱、4柱高温称重传感器；组件化设计的“即插即用”型新式称重模块等。国外称重传感器技术发展特点及快速发展的原因： （1）重视基础技术、基础工艺和共性关键技术的研究，作到基础研究与预先研究并行；共性关键技术研究与应用技术研究并行；典型产品开发与产品工程化并行。保证基础技术与基础工艺（电阻应变计、应变粘结剂、补偿元器件、防护与密封材料等）一直处于世界领先地位。 （2）重视基础设施建设和制造技术、制造工艺的研究与应用。配置优良的工艺装备和检测仪器，特别是智能化工艺设备，作到工艺装备最先进； （3）描准世界称重传感器技术的发展潮流和战略前沿，确定研究课题和产品开发方向。重视新产品和自主知识产权产品的开发，增强核心竞争力。其技术创新和新产品开发的标准是：具有较高的技术先导性，工艺先进性，市场扩散性，效益增殖性。使技术与工艺始终处于世界领先地位。 （4）重视称重传感器的可靠性设计、控制与管理，严格设计符合性控制和工艺可靠性控制，努力使工艺兑现率达到百分之百。 （5）重视市场竞争，加强市场调查与分析，快速响应市场。21世纪的市场竞争，是以市场响应速度为焦点，以改进和创新产品为基础。 （6）重视相关法规和规程的学习，全面理解并认真执行，保证生产的每一个产品都符合要求。 正因为如此，国外的称重传感器品种繁多，规格齐全，合金钢、铝合金、不锈钢、铍青铜制品应有尽有；水下、钻井下测量，耐压防爆、抗辐射、耐腐蚀产品；微小和超大量程；多称量与动态称量；集成化与模块化结构任用户选购。并作到产品的内在与外观质量并重，近几年外观质量的改进与提高十分明显，基本没有喷漆产品，几乎全部是亮光或亚光化学镀镍、镀铬，烤漆，喷塑，瓷质阳极化和不锈钢产品。个别产品的外形已融入人性化设计。1.2.2 我国称重传感器技术现状及主要差距 尽管我国航空、航天工业部门早在20世纪50年代末期就开始研究应用应变式负荷传感器，但并未向民用发展。就全国而言，负荷传感器的研制与生产起步较晚，60年代只有几个厂家生产普通精度等级的应变式测力传感器。结构单一，只有圆柱、圆环两种结构，基本不进行电路补偿与调整，有的产品甚至用外部平衡箱调整零点。 80年代初，全国有20余个企业用资一亿元人民币，用汇1300万美元，从美、日等国引进应变式负荷传感器制造技术与工艺装备，进行学习、消化、吸收。经过仿制和试生产后，开始多品种小批量生产，推向市场后，取得相当可观的效益。当时人们对此产品的总结是：多品种、小批量、低成本、高收益、投资少、见效快。引起不少行业的个人和企业的关注，纷纷进入此行业，生产厂家从70年代的20多个迅速增加到100多个，年产量与日本相当，达到100多万只。 随着国民经济的发展，各行业对电子衡器的需求不断增加，极大的促进了称重传感器技术的发展。80年代中期到90年代中期，是我国称重传感器技术稳步发展，品种和规格迅速增加，产品质量不断提高的十年。不少厂家都改进或增加工艺装备、检测仪表，购置智能温度补偿装置和灵敏度温度补偿设备，实现了规模化生产。90年代中期称重传感器生产企业增加到160多个，年产量200多万只。除满足国内市场需求外，十余个企业开始小批量出口，呈现出较好的发展势头。 国际称重传感器技术的发展动向是，把称重传感器的准确度、稳定性和可靠性作为极其重要的质量指标，把制造技术和制造工艺作为核心竞争力，紧紧抓住称重传感器的特性问题、生产问题和应用问题进行基础研究、工艺研究和应用研究，其研究方向和特点是： （1）在产品结构设计与制造工艺中，吸取了工程化产品设计中的计算机拟实技术和虚拟技术，加快开发速度，减少开发风险； （2）在弹性体加工中，从单元加工技术发展到集成化加工技术；从刚性制造发展到柔性制造；从简单化经验判断发展到智能化定量分析。普遍采用柔性制造单元和柔性制造系统； （3）生产工艺已不是传统关念中的“作坊手艺”，而是技术与管理相结合的一项系统工程。为适应多品种、大批量生产，保证产品技术性能的均一性，生产工艺必须向尽量减少手工操作、人为控制，增加半自动化和自动化工序方向发展。例如：采用计算机控制，人机一体化工艺系统和测试技术网络化信息系统等； （4）与稳定性和可靠性有关的稳定处理工艺在高温处理，低温深冷，脉动疲劳，超载静压等方法的基础上，又研究出振动时效、共振时效新工艺，共振10分钟，可消除绝大部分残余应力。1.2.3 称重传感器技术的发展趋势应变式称重传感器的发展趋势，可用“四化”来概括，即设计技术虚拟化，制造技术柔性化，生产工艺网络化，企业管理信息化。 设计技术虚拟化：包括弹性体结构设计的拟实技术和工艺设计的虚拟技术。结构设计的拟实技术：是指面向弹性体的结构和性能分析技术，包括动态仿真、动力学分析、强度和刚度有限单元法计算、敏感区应变大小与分布等，以达到优化设计的目的。 工艺设计的虚拟技术：是指面向弹性体生产过程的模拟和试验，检验弹性体的可加工性，加工方法和工艺的合理性，保证制造工艺最佳化。 设计技术虚拟化的核心是有限单元计算和计算机动态仿真。通过仿真软件来模拟真实受载情况，发现并及时处理设计和工艺缺陷或错误，以确保结构设计和生产工艺的合理性。 制造技术柔性化：是指在多品种、大批量生产的弹性体加工中，纳入先进的制造技术：柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统。它是计算机技术、信息技术、自动控制技术等与传统的制造技术相结合形成的全新的制造系统。 生产工艺网络化：是指在生产工艺全过程中，通过通讯线路和设备把各生产工序具有独立操作和控制功能的计算机系统相互连接起来，在网络软件管理下，实现信息的收集、存储和处理。与传统的“作坊手艺”生产工艺相比，大大的减少了手工操作，最大限度的排除了人为因素对产品质量的影响。 企业管理信息化：是指按计算机处理的要求，依据结构化系统分析和设计方法，建立企业信息系统，实现企业管理全面现代化。包括CAD、CAM系统，生产管理系统，商务决策系统和经营管理系统等。 为适应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，以及电子衡器对称重传感器的新要求，以下课题将是今后一个时期的研发重点：快速、低速动态和动态称重传感器及其阻尼技术；多功能、多分量称重传感器及其测试方法；微小和超大量程称重传感器57。 第38页 共36页 2 本系统的实现方案和硬件电路设计2.1 系统设计要求能够实现由单片机控制的电子秤，单片机作为主控芯片，实时记录测点的称重值，测试数据要读入计算机。2.2 系统组成及工作原理2.2.1 方案设计根据电子秤的性能要求，我们选用80C51单片机为核心，组成称量系统，系统主要有80C51单片机、A/D转换器、放大电路、键盘扫描电路、显示电路、传感器、与门、反相器、锁存器等组成。系统的结构如图2.1所示。称 重传感器前置放大器模/数转换器单片机接口键盘显示器被测重量图2.1 系统框图 2.2.2 系统基本工作原理电子秤的原理是秤重物品经由装在机构上的电子称重传感器，将重力转换为电压或电流的模拟信号，电子秤经放大及滤波处理后由A/D处理器转换为数字信号，数字信号由中央处理器(CPU)运算处理电子秤，而周边所需要的功能及各种接口电路也和CPU连接应用，最后由显示屏幕以数字方式显示。当商品放到秤盘上时，秤盘下的重量电阻应变式传感器产生一个电信号，信号的强弱随商品重量的大小而变。该电信号经放大电路放大后，送入转换芯片进行模数转换，转换后的数字量与物重成正比，再进入单片机，经过数据处理，单片机产生一组满足显示要求的数据，送至显示电路显示出实际重量。2.3 称重传感器89本文设计的电子秤中，选用了电阻应变式传感器，其量程为20kg，精度为0.01%，满量程时候的误差为0.002kg，其工作原理基于四个基本的转换环节（重力）应变（）电阻变化（）电压输出（）。为了保证被称物体放在秤盘的任意地方，减小误差本设计选用四个称重传感器分别放在秤盘的四角。2.3.1 电阻-应变效应考察一段圆截面的导线（金属丝），图2.2，设其长为，截面积为（直径为），原始电阻为 （1）式中，为金属丝的电阻率。 图2.2金属丝拉伸后的电阻变化当金属丝受到轴向力而被拉伸（或压缩）产生形变，其电阻值会随之变化，通过对（1）式两边取对数后再取全微分得： （2）式中为材料轴向线应变，且。根据材料力学，在金属丝单向受力状态下，有 （3）式中为导体材料的泊松比。因此，有 （4）试验发现，金属材料电阻率的相对变化与其体积的相对变化间的关系为 （5）式中，为常数（由一定的材料和加工方式决定），。将式（5）代入（4），且当时，可得 （6）式中，为金属丝材料的应变灵敏系数。上式表明，金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。电阻应变片的基本结构电阻应变片主要由四部分组成。如图2.3所示，电阻丝是应变片的敏感元件；基片、覆盖片起定位和保护电阻丝的作用，并使电阻丝和被测试件之间绝缘；引出线用以连接测量导线。 图2.3电阻应变片的基本结构2.3.2 测试电路测试电路采用惠更斯电桥，其原理如图2.4所示。图2.4惠更斯电桥原理图当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出： 2.4 主要芯片选择及简介2.4.1 控制单元本系统基于51系列单片机来实现，因为系统需要大量的控制LED显示和键盘。不宜采用大规模可编程逻辑器件：CPLD、FPGA来实现。因为大规模可编程逻辑器件一般是使用状态方式来实现，即所解决的问题都是规则的有限状态转换问题。本系统状态较多，难度较大。另外系统没有其它高标准的要求，我们最终选择比较普通单片机80C51来实现系统设计。80C51单片机是本设计的核心器件。80C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。 80C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。 此外，80C51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。如图2.5是40引脚双列直插的80C51管脚图。其中电源和晶振，大家都是比较了解的就不用在详细介绍了。下面主要介绍80C51中比较重要的引脚的功能： I/O口 有4个，32根。P08位、漏极开路的双向口I/O。当使用片外存储器时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（这时需要外加上拉电路）。P0作为总线时能驱动8个LSTTL负载。在本设计中此I/O口用做输出来给数码管提供输入信号。P18位、准双向I/O口。在编程/校验期间，用做输入低位字节地址。P1口能驱动4个LSTTL负载。此I/O一部分用于电路复位一部分分别驱动四只数码管交替（动态）显示。P28位、准双向I/O口。当使用片外存储器时，输出高8位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。P38位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。图2.5 80C51管脚分布图P3提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。P3.0RXD 串行输入口的输入。P3.1TXD（串行输出口），输出。P3.2INT0 ，在外部中断0的输入。P3.3INT1，外部中断1的输入。P3.4T0，定时器/计数器0的外部输入。P3.5T1，定时器/计数器1的外部。P3.6WR，低电平有效，输出，片外数据存储器写选通。P3.7RD，低电平有效，输出，片外数据存储器读选通。 控制线：共4根。RST复位输入信号，高电平有效，在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将期间复位。EA/VPP片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。再编程时，其上施加21V的编程电压。ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。用做片外存储器访问时，低字节地址锁存。ALE一1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间，作输入。输入编程脉冲（PROG）。ALE可以驱动8个LSTTL负载。PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取指期间，在每个机器周期中，在PSEN有效时，乘虚存储器的内容被送上P0口PSEB可以驱动8个LSTTL负载7。2.4.2 键盘和显示单元8279主要负责键盘和显示部分。管脚分布如图2.6所示，各管脚功能：图2.6 8279引脚图(1) DB0-DB7：双向数据线。在CPU与8729间做数据与命令的传送。(2) CLK：8279的系统时钟，100kHz为最佳选择。(3) RESET：输入HI时可复位8279。(4) /CS：芯片选择。低电平使能，使能时可将命令写入8279或读取8279的数据。(5) A0：缓冲器地址。A0=1时，读取状态标志位或写入命令；A0=0时，读写一般数据。(6) /RD：读取控制线。/RD=0时，8279会送数据至外部总线。(7) /WR：写入控制线。/WR=0时，8279会从外部总线捕捉数据。(8) IRQ：中断请求。平常IRQ为LO，在键盘模式下，每次读取FIFO/SENSOR RAM的数据时，IRQ变为HI，读取后转为LO；在传感器的模式下，只要传感器一有变化，就会使IRQ为HI，读取后转为LO8。 2.4.3 A/D转换单元模数转换器选用ADC1143。ADC1143是一种逐次逼近型A/D转换器。主要由16位CMOS DAC、16位逐次逼近寄存器、低功耗比较器、内部时钟、低噪音参考电源以及模入电阻网络和高质量旁路钽电容等组成。16位的CMOS DAC包括薄膜电阻和电流控制开关等模拟器件。ADC1143正是利用了CMOS集成电路和薄膜组件，才使其获得了低功耗、高精度和小尺寸等优越性能。ADC1143的功能框图如图2.7所示。图2.7 ADC1143功能框图ADC1143的引脚功能分述如下： 模入电压引脚（2729脚）：模入电压范围可编程。 参考电源入、出脚（25脚和26脚）：使用内部参考电源，将25脚与26脚之间接100欧姆精密电位器，以进行增益校准。 偏移调节引脚（24脚）：零输出校正用。 并行数据输出引脚（419脚）：具有数据锁存功能，无三态驱动，以偏移二进制码输出。 /MSB二进制补码输出使用位（3脚）。 模拟地和数字地（30和2脚）：模拟地和数字地在ADC1143内没有连接。因此，在组成系统时要通过外部连接，以一点连接为最佳。 状态引脚（22脚）：反映ADC1143的工作状态的信号。 转换命令引脚（21脚）：用以启动ADC进行A/D转换，该脚信号的下跳沿，各内部状态全部复位。ADC1143的工作过程可以通过图2.8的工作时序来说明。图2.8 ADC1143时序图那个被转换的模拟信号送到模入断后，便可启动A/D转换。启动转换脉冲是一个正脉冲，在该脉冲的下跳沿启动转换，要求转换脉冲宽度至少要有1us。一旦启动转换，在转换结束之前就不能再发启动脉冲，否则，前次转换无效。转换命令脉冲的下跳沿，所有内部逻辑都被复位，MSB被置高电平，其余被置低电平，状态线也被置低电平，并保持到整个转换周期结束9。在转换期间，每位依次被内部时钟的上升沿置为高电平，ADC的内部DAC输出与当时的模拟输入电压比较，以确定该位的逻辑输出状态。当模入大于或等于DAC输出，该位为1，否则为0.这样依次逐位进行比较，没一比较持续一个周期。在状态线的上升沿并行输出数据有效。串行输出有效则是在每个确定位状态时钟周期的末尾。若不再启动转换，ADC1143的并行输出将保持有效，而串行输出有效仅保持一个时钟周期。2.5 硬件电路设计2.5.1 数据的采集和显示 A/D转换接口是数据采集系统前向通道的一个重要环节。数据采集和转换系统从信号源中采集模拟信号，并把它转换为数字信号。在实际应用中，最常用的A/D转换方法是逐次逼近式和积分式。一般来说，转换的分别率与转换速度是一对矛盾。逐次逼近式A/D转换的特点是转换速度高，但分辨率通常只有8-12位，虽然己出现了16位的逐次逼近式A/D转换芯片，但由于其电路工艺复杂，价格昂贵；而积分式A/D转换的特点则是转换分辨率高，抗干扰能力强，但转换速度较慢，一般为每秒3-10次。在对转换速度要求不高而对转换精度较高的场合，使用积分式A/D转换是较好的选择。在我们设计的电子秤，就是采用积分式的A/D转换方法。2.5.2 积分A/D转换原理及硬件设计10 积分式A/D转换首先把模拟电压转换成积分时间，然后用数字脉冲计时方法转换成计数脉冲数，脉冲数的大小代表了输入模拟电压的大小。 如下图2.9所示，运放Al,A2分别构成积分器和比较器，Vx为待测信号电压，Vcc为标准电压，Vrefl和Vref2为参考电压。为了能够进行积分，这里VccVreflVx0，下图2.9为积分A/D转换硬件原理图：图2.9 积分A/D转换硬件原理图当开关S断开时，积分器对Vx-VrefI定时积分，积分器输出电压上升。假设定时积分时间为TI，则输出电压变化为： (1)当定时积分时间TI到，由输出比较中断服务程序来完成使开关S闭合，同时重新开始计时，积分器对Vcc-Vrefl积分，积分器输出电压Vo开始下降，当Vc下降到Vref2时，比较器输出的电压产生一个负跳变，从而产生一个输入捕捉中断，在输入捕捉中断服务程序中读出放电时间T2的脉冲数，并立即使开关S断开，启动定时计数，进行定时T1积分，从而进入下一个A/D转换周期。在T2时间内，输出电压变化为: (2)在一个AID转换周期T=TI+T2时间内，显然有AVol+AVo2=0 (3)由（1）至（3）可解得 (4)由上式可见，当VccVrefl时，要使T20，必须VxVrefI，此即积分能进行的条件。2.5.3 积分A/D转换电路的误差分析 积分电容的漏电阻带来的非线性转换误差产生的原因及补偿方法为便于研究。图2.7中，参考电压V，与输入电压V的极性相反。假设对被测信号V进行积分的时间为恒定值T1(对应的计数值为N1)，而对参考电压反向积分的时间为T2(对应的计数值为N2)。则显然有 (5)考虑到积分电容漏电阻的影响，图2.7中，Rc为积分电容的漏电阻。积分器的阶跃响应为 （6）位加1，直到捕捉到负跳变，在输入捕捉中断服务程序中读出输入捕捉寄存器的值(低16位)，把它和高位一起减去原先读出并保存的计数值，即得到采样值T2。在输入捕捉中断服务程序中预置输出比较寄存器的值并允许输出比较中断，即进入下一A/D转换周期。软件编制方法为，由PA.7来控制开关S的断开和闭合，当PA.7=1时，开关S断开，积分器对Vx-VrefI积分，当PA.7=0时，开关S闭合，积分器对Vcc-VrefI积分。为了实现高分辨率A/D转换，可以把定时充电时间Tl的计数脉冲数增加到17位。可以采用输出比较中断来实现，方法是:在进行一次A/D转换前，先预置输出比较寄存器的计数脉冲值为T1脉冲数值减去16位计数器的溢出值(即65536)，这样，当第二次比较符合时，即表明定时时间TI到。考虑到采样时间T2的计数脉冲值也可能超过16位，而输入捕捉寄存器为16位，这里采用了输入捕捉中断和定时器溢出中断，其中输入捕捉中断用于计数低16位，定时器溢出中断用于计算高位，方法是:当Tl时间到时，在输出比较中断服务程序中先读出自由运行计数器的值(16位)并保存起来，并且同时允许定时器溢出中断和输入捕捉中断，这样，每次定时器溢出时，在中断服务程序中使高位加1，直到捕捉到负跳变，在输入捕捉中断服务程序中读出输入捕捉寄存器的值(低16位)，把它和高位一起减去原先读出并保存的计数值，即得到采样值T2在输入捕捉中断服务程序中预置输出比较寄存器的值并允许输出比较中断，即进入下一A/D转换周期。除了上述误差外，造成电子秤误差的原因还有:传感器，放大器等元件的缓慢漂移；外界的偶然干扰；系统的随机误差等。这些都会影响A/D转换器的精度。因此必须对这些因素加以考虑并一一进行相应处理以减少它们的不利影响，否则误差就可能超过允许值。(1)为了消除传感器、放大器的缓慢漂移和称台上积尘等的影响，采用自动零点跟踪技术，即系统称重后每次都回到“毛重零”状态。而且在空载状态下也实时监视零点.(2)外界来的偶然干扰在被称物体重量不变的情况下都会使测量数值呈现较大的离散性，因此可用中值滤波来消除偶然干扰的影响。(3)随机误差主要是有系统噪声引起的，测量数值离散性不大，通常呈现正态分布，因此可采用平均值滤波来削弱其影响11。2.5.4 数据的显示 8279是一种可编程的键盘、显示器接口芯片。8279芯片内部有专门用于存储显示数据的RAM区，共有16个字节，地址排列从00H到0FH。8279芯片的扫描线有译码扫描和编码扫描2种工作方式。当采用译码扫描方式时，8279只能送出显示RAM中前4个字节的内容(地址为00H203H)，因而最多只能扫描4个LED数码管。当采用编码扫描方式时，扫描输出线SL3SL0经过“416译码后，可以选择16个LED数码管，这16个LED数码管显示的字符分别对应8279显示RAM区的00H0FH中的内容。将8279的命令字设置成:读或写以后地址自动加1，左端输入。当SL3SL0为0000时，显示数据输出线上输出为显示RAM区中的第1位(00H 中的内容)。当SL3SL0为0001时，显示数据输出为显示RAM区中的第2位(01H中的内容)。依次类推，当SL3SL0为1111时，显示数据输出为显示RAM 区中的第16位(0FH中的内容)。因而，8279送出的显示数据，与CPU写入8279内部16个字节显示RAM区的数值，存在着一一对应的关系12。据此，可以设计如下的LED显示电路。 当选用8段LED数码管作为显示器件时，扫描输出线可接“416译码器，其输出的每一位接一个数码管的COM端。显示数据输出线经过锁存器和驱动器后，接到数码管的段码端，如图2.10所示。这样可构成最多16个8段LED的显示电路。 图2.10 8段数码管的显示电路 当选用16段LED数码管时，可以把16段分成2个8段来对待，在显示数据输出线上，并接2个8路锁存器和驱动器，2个锁存器的锁存信号由扫描输出线SL0来控制。当SL0 = 0时，选中第1片；当SL0=1时，选中第2片。这时扫描输出线SL1 SL3接“38 译码器，其输出的每一位接一个数码管的COM端，如图2.11所示。这样，最多可以构成8个16段LED的显示电路。图2.11 16段数码管的显示电路2.5.5 接口电路的设计 选用8279可编程键盘/显示器接口芯片，连接16位LED显示器和16键(包括数字键和功能键)键盘。根据上述设计，电子秤的硬件原理图如附录所示。考虑测量的灵敏度、精度和稳定性等指标，传感器的4片特性相同的电阻应变片对称地粘贴在弹性梁上，将其接成全桥四臂工作方式，由直流稳压电源供电，构成测量。电桥输出电压经AD524放大，送入A/ D转换器。ADC1143片内可提供时钟发生器和低噪声基准电压源，但无三态门，故输出端应加接缓冲电路。ADC1143输出的16位数据经2片缓冲器74LS244与80C51的数据线相接,并通过P2.5和P2.6分别选通高位和低位缓冲器，读取高、低8位数据。启动命令由P1.0输出，延时100s后输出转换结果。P1.1驱动共射放大电路，利用扬声器进行声响报警。单片机80C51 与8279之间通过P0口进行信息交换，由74LS373锁存。8279的RL07与16线译码器74LS154的两根输出线构成28的键盘。8279经译码/驱动器BIC8706、BIC8708驱动16位LED显示器进行显示1213。3 系统软件设计3.1 数据采集程序整个系统的软件部分主要包括主程序和中断子程序部分。主程序的功能是完成系统初始化，包括设置堆栈指针、分配内存空间、设置中断控制字以及设定计数器/定时器的工作方式等，主程序结构如图3.1所示。为了使各环节硬件电路的输出在测量前达到稳定阶段，从而确保所测得的空载(零点)T0计数值的正确性，仪器上电时设置了5s软件延时，在这段时间里，同时进行系统的自检。中断子程序包括INT0和INT1服务程序。数据的采集、数字滤波及显示控制都由INT0中断程序完成；INT1中断服务程序的功能是键盘管理，包括响应键盘输入、键值分析和键功能的处理等。系统初始化调用数据采集处理子程序记入零点单元调用数据采集处理子程序减去零点量化显示设定采集次数采集数据采集次数到？数据平均滤波温度误差修正送数据存储单元3.1 主程序流程图3.2 子程序流程图主程序如下： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INTT0 0RG 0100HMAIN: MOV SP,#70H MOV PSW,#00H CLR IT0 MOV IE,#80H MOV IP,#01H MOV P1,#00H CLR P3.4 SETB P3.5 MOV DPTR.#00H MOV A,#80H MOV DPTR,A CLR P3.5 MOV R1,#8 MOV A,#00HLOOP1: MOVX DPTR,A DJNZ R1,LOOP1 MOV R0,#20HSTART: SETB IE.0 SETB P1.7 SETB P3.4WAIT: SJMP WAIT数据采集程序：INTT0: PUSH ACC PUSH B PUSH PSW PUSH DPH PUSH DPL CLR EA MOV DPTR, #4000H MOVX A, DPTR MOV R2, A JNB ACC.5, HF JB ACC.4, HF MOV DPTR, #5000H MOVX A, DPTR MOV R0, A INC R0 MOV A, R2 ANL A, #0FH MOV R0, A INC R0 MOV A, R0 CJNE R0,#30HMAX: MOV R1, #30H MOV 28H, R1 INC R1 MOV 29H, R1 MOV R7, #9MAX1: INC R1 MOV R5, R1 INC R1 MOV R4, R1 MOV A, 28H CLR C SUBB A,R4 JNC MAX2 MOV 28H,R5 MOV 29H,R4MAX2: DJNZ R7, MAX1 MOV R1, #30H MOV 26H, R1 INC R1 MOV 27H, R1 MOV R7, #9MIN: INC R1 MOV R5, R1 INC R1 MOV R4, R1 MOV A, 26H CLR C SUBB A, R5 MOV A, 27H SUBB A, R4 JC MIN1MIN1: DJNZ R7, MIN CLR A MOV 2DH, A MOV 2CH, A MOV R7, #10 MOV R1, #30HAD: MOV A, R1 ADD A,2CH MOV 2CH, A INC R1 MOV A, R1 ADDC A,2DH MOV 2DH, A INC R1 DJNZ R7, AD CLR C MOV A, 2CH SUBB A, 28H MOV 2CH, A MOV A, 2DH SUBB A, 29H MOV 2DH, A CLR C MOV A, 2CH SUBB A,26H MOV 2CH, A MOV A, 2DH SUBB A, 27H MOV 2DH, A MOV R7, #3P: CLR C MOV A, 2CH RRC A MOV 2CH, A MOV A, 2DH RRC A MOV 2DH, A DJNZ R7, P MOV A, 2DH XRL A, 2BH JNZ HF CLR C MOV A, 2CH SUBB A, 2AH CJNE A, #2, PWPW: JNZ HF MOV 2AH, 2CH MOV 2BH, 2DHHF: CALL DISP POP DPL POP DPH POP PSW POP B POP ACCSETB EARETI3.2 显示子程序利用8279可实现对键盘/显示器的自动扫描，以减轻CPU负担，并具有显示稳定、程序简单、不会出现误动作等特点。本系统中8279的状态/命令口地址位8701H；数据口地址位8700H。示例程序运行将显示8279-，并等待按键输入，将键值显示在数码管上（只响应0-F按键）。程序框图如图3.3所示：开始设置8279有键按下读键并显示NY图3.3 键盘显示子程序程序如下：ORG 0000H AJMP START ORG 0040HZ8279 EQU 08701H ;8279 状态/命令口地址D8279 EQU 08700H ;8279 数据口地址LEDMOD EQU 10H ;右端输入 八位字符显示 ;外部译码键扫描方式,双键互锁LEDFEQ EQU 38H ;扫描速率LEDCLS EQU 0D1H ;清除LEDWR0 EQU 80H ;设定的将要写入的显示RAM地址START: MOV SP,#60H LCALL INIT8279 ;初始化8279WAIT: MOV DPTR,#Z8279 MOVX A,DPTR ANL A,#0FH JZ WAIT MOV A,#40H MOVX DPTR,A MOV DPTR,#D8279 MOVX A,DPTR ANL A,#3FH MOV R4,#00H MOV R5,A LCALL DISLEDSJMP WAITINIT8279: ;8279初始化子程序 PUSH DPH ;保存现场 PUSH DPL PUSH ACC LCALL DELAY ;延时 MOV DPTR ,#Z8279 MOV A,#LEDMOD ;置8279工作方式 MOVX DPTR,A MOV A,#LEDFEQ