基于msp430的智能电子秤设计论文

江苏科技大学本科毕业设计（论文）学院电子信息学院专业电气工程及其自动化学生姓名于玉萍班级学号0545503137指导教师王宝忠副教授二九年六月江苏科技大学本科毕业论文基于MSP430的智能电子秤设计DESIGNOFTHEELECTRONICSCALETHATBASEDONMSP430CHIPMICROCOMPUTER江苏科技大学毕业论文（设计）任务书学院电子信息学院专业电气工程及其自动化学号0545503137姓名于玉萍指导教师王宝忠职称副教授2009年3月1日毕业设计（论文）题目基于MSP430的智能电子秤设计一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）1提供条件MSP430开发板，IAR开发环境、PROTEL99软件等；2设计内容与要求1调研收集分析有关资料，总结智能电子秤的结构特点；2确定智能电子秤的结构设计总体原则3进行智能电子秤的统结构规范计算4绘制智能电子秤的电路框图、程序流程图等；5设计智能电子秤的电路图和C原程序。二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1毕业设计论文一份（不少于15万字）；2外文译文一篇（不少于5000英文单词）；3智能电子秤的电路图和C原程序。三、完成日期及进度自2009年2月25日起至2009年6月20日止进度安排第一三周（2月25日3月16日）1、熟悉课题；2、查阅资料；3、翻译外文文献；4、完成开题报告。第四八周（3月17日4月20日）1、熟悉MSP430单片机硬件结构，掌握常用模块的设计原理；2、硬件、软件设计。第九十一周（4月21日5月11日）1、硬件、软件调试（若有条件）。2、完成中期检查报告。第十二十五周（5月12日6月8日）撰写毕业设计论文。第十六周（6月9日6月15日）1、交论文；2、完成毕业设计验收。第十七周（6月16日6月20日）毕业答辩。五、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）1电子技术基础高等教育出版社1998。72模拟电子线路2电子科技大学出版社200473SP430系列16位超低功耗单片机原理与实践沈建华编著北京航空航天大学出版社200874MSP430单片机基础与实践谢兴红编著北京航空航天大学出版社200815MCS51单片机原理及应用实例清华大学出版社200436单片机应用系统设计北京航空航天大学出版社19961278051单片机基础教程科学出版社200398基于MCS51单片机的嵌入式系统设计电子工业出版社20047系教研室主任（签章）年月日学院主管领导（签章）年月日摘要目前，电子计价秤的使用非常普及，逐渐会取代传统的杆秤。由压力传感器制作的电子秤已广泛地应用到各行各业,特别是微处理机的出现，工业生产过程自动化程度的不断提高，压力传感器已成为过程控制中的一种必需的装置。本文介绍了一种以MSP430单片机微处理器最小系统，并配以几个主要的集成电路器件设计成的智能电子秤。本系统是利用压力传感器采集当前压力，根据输入单价，准确计算出物品的金额，同时把重量、金额显示到LED数码管上。关键词压力传感器放大器单片机ABSTRACTNOWADAYS，ELECTRONICSCALEISVERYPOPULARANDITWILLREPLACETHETRADITIONALSTEELYARDGRADUALLYTHEELECTRONICSSTEELYARDMADEBYTHEPRESSURETRANSDUCERHASBEENAPPLIEDTOALLPROFESSIONS,ESPECIALLYTHEEMERGENCEOFTHEMICROPROCESSORANDWITHTHEINCREASINGOFTHEAUTOMATIONOFINDUSTRYPRODUCTION,THEPRESSURETRANSDUCERBECOMESAKINDOFESSENTIALDEVICEINTHEPROCESSCONTROLTHISPAPERINTRODUCESAMSP430SMALLESTSINGLECHIPMICROPROCESSORSYSTEM,ANDWITHSEVERALMAJORINTEGRATEDCIRCUITDEVICESDESIGNEDASASMARTELECTRONICSCALESTHESYSTEMISTOUSEPRESSURESENSORSCOLLECTTHECURRENTPRESSURE,ACCORDINGTOINPUTPRICE,ANDACCURATELYCALCULATETHEAMOUNTOFGOODS，ATTHESAMETIME,THEWEIGHTOFTHEAMOUNTOFSHOWSONTHELEDDIGITALTUBEKEYWORDSPRESSURETRANSDUCERAMPLIFIERSINGLECHIPMICROCOMPUTER目录第一章绪论111电子秤设计背景112称重技术和衡器的发展113电子秤的发展现状114电子秤的发展趋势215现有电子秤的不足4第二章芯片介绍521单片机的发展522MSP430F149芯片6221MSP430F149的引脚6222MSP430F149的模数转换器ADC12923压力传感器10231压力传感器的选择10232放大电路1124LED数码管12241数码管的分类12242数码管的驱动方式1225键盘1326相关软件13261PROTEL99SE13262C语言1527小结16第三章系统硬件设计1731电子秤系统的构成及工作原理1732电子秤系统压力传感器电路1733电子秤系统的键盘电路1834电子秤系统的显示电路1935电子秤系统的电源电路2036小结20第四章电子秤系统的软件设计2141电子秤系统的程序总流程图2142初始化程序流程图2143压力传感器程序流程图2244预处理程序流程图2245称重计价程序流程图2346键盘程序流程图24461键盘分析程序2547数码管显示流程图2748小结27结论28致谢29参考文献30附录一31附录二33第一章绪论11电子秤设计背景目前，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，也被列入逐渐取消的行列。多年来，人们一直期待测量准确、价格低廉的电子秤投放市场。基于电子秤的现状，本课题拟研究一种用MSP430单片机控制的高精度智能电子秤设计方案。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。12称重技术和衡器的发展电子衡器一般是指装有电子装置的衡器。因其种类繁多，且涉及到贸易结算和保护广大消费者的利益，所以为世界各国政府普遍关注和重视，并被确定为国家强制管理的法制计量器具。电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段，对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。电子衡器具有反应速度快，测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传、便于计算机控制等特点。被广泛应用于我国煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口、建筑、机械制造和国防等各个领域。13电子秤的发展现状50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。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。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。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。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。14电子秤的发展趋势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，电子秤总的发展方向是小型化、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。1）集成化对于某些品种和结构的电子衡器，例如小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等，都可以实现秤体与称重传感器，钢轨与称重传感器，轨道衡秤体与铁路线路一体化。如秤体与称重传感器一体化的便携式静动态电子轮轴秤，多用硬铝合金厚板制成。其结构原理是经过固溶热处理强化的铝合金板，或通过在4个角上钻孔和铣槽分别形成4个悬臂梁型称重传感器；或在铝合金板的底面铣出多个对称的盲孔和盲槽形成整体剪切梁型称重传感器。这就使得秤体与称重传感器合二为一，即铝合金板既是秤体台面又是一个大板式称重传感器。以后者结构的10T便携式动态电子轮轴秤为例，其尺寸为720MM550MM32MM，重量约为23KG。2）智能化电子衡器的称重显示控制器与电子计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。使电子衡器在原有功能的基础上，增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能，这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子衡器与采用智能化称重显示控制器的电子衡器的根本区别。3）综合性电子称重技术的发展规律就是不断的加强基础研究并扩大应用，扩展新技术领域，向相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。例如在流量计量专业，如果按照传统的理论和方法建造一套标准大流量测量系统，价格相当昂贵。如果采用称重法即质量流量法，只要将重量和时间测量准确，大流量的测量问题就迎刃而解了。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。4）组合性在工业称重计量过程或工艺流程中，不少称重计量系统还要求具有可组合性，即测量范围等可以任意设定；硬件能够依据一定的工作条件和环境作某些调整，硬件功能向软件方向发展；软件能按一定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可以使用不同的语言和条形码，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。5）小型化体积小、高度低、重量轻，即小、薄、轻。近几年新研制的电子平台秤结构充分体现了小薄轻的发展方向。对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤，可采用将薄型或超薄型的圆形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底面与称重传感器外径相同的盲孔内，形成低外形的秤体结构，称重传感器的数量和位置由秤的额定载荷和力学要求计算决定。钢板或铝板就是秤体的台面，称重传感器既是传感元件，又是承力支点，极大地减化了秤体结构，减少了活动连接环节，不但降低了成本，而且提高了稳定性和可靠性。对中等或较大容量的电子平台秤、电子地上衡，已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢，并联排队列焊接成一个整体的竹排式结构的秤体，4个称重传感器分别安装在最外边两根薄壁型钢两端的切口内，安装在称重传感器承力点上的固定支承就是秤体的承力支点，既减化了承力传力机构，又节省了秤体高度，这是一种很有发展前途的秤体结构。对于大型电子平台秤，可利用有限单元法进行等强度和刚度计算，采用抗弯刚度大的型材和轻型波纹夹心钢板等。6）模块化对于大型或超大型的承载器结构，如大型静动态电子汽车衡等，已开始采用几种长度的标准结构的模块，经过分体组合，而产生新的品种和规格。以（5、6、7）M长的同宽度3种标准模块为例，由单块、二块、三块到四块分体组合，可以组合成长度为（528）M的22种规格的分体式秤体结构。当然在实际应用中，根据各行业用户的需要，选择其中10余种常用的标准规格即可。这种模块化的分体式秤体结构，不仅提高了产品的通用性、互换性和可靠性，而且也大大地提高了生产效率和产品质量。同时还降低了成本，增强了企业的市场竞争能力。15现有电子秤的不足我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。我国的电子衡器要打入国际市场。参与国际竞争。就必须执行国际法制计量组织制定的国际建议并要有国际水平的技术与装备、有国际水平的质量。这就要求企业以技术为先导、以质量为中心、以管理为基础，努力提高制造技术与制造工艺水平，稳定产品质量。增强国际市场竞争能力。面对与国际先进水平的差距和我国国民经济持续发展的大好形势，我们衡器行业发展应该是明确的，就是要从观念上、技术上和管理上迅速赶上，瞄准先进、与时俱进、迎接挑战、开拓创新、以提高制造技术与制造工艺水平为突破口，主要解决电子衡器中的工程化产品的定型设计。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。第二章芯片介绍21单片机的发展单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲一块芯片就成了一台计算机，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。还有它的体积小、质量轻、价格便宜、而且它低电压，低功耗，便于生产便携式产品，因此为学习、应用和开发提供了便利的条件。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更高级的还有自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械等等。综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了，因此单片机的学习、开发与应用是十分重要的。22MSP430F149芯片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。基于以上的考虑，选择了性价比比较高的MSP430F149单片机。221MSP430F149的引脚MSP430F149的引脚图如图21所示，引脚功能如表21所示。DVCC1P632P643P654P665P676VREF7XIN8XOUT/TCLK9VEREF10VREF/VEREF11P1012P1113P1214P1315P1416P1517P1618P1719P2020P2121P2222P2323P2424P2525P2626P2727P3028P3129P3230P3331P3432P3533P3634P3735P4036P4137P4238P4339P4440P4541P4642P4743P5044P5145P5246P5347P5448P5549P5650P5751XT2OUT52XT2IN53TDO/TDI54TDI55TMS56TCK57RST/NMI58P6059P6160P6261AGND62DGND63AVCC64U2MSP430F149图21MSP430F149的引脚图表21MSP430F149的引脚功能引脚I/O说明名称序号P10/TACLK12I/O通用数字I/O引脚/TIMERA，TACLK时钟信号输入P11/TA013I/O通用数字I/O引脚/TIMERA，捕获CCI0A输入，比较OUT0输出P12/TA114I/O通用数字I/O引脚/TIMERA，捕获CCI1A输入，比较OUT1输出P13/TA215I/O通用数字I/O引脚/TIMERA，捕获CCI2A输入，比较OUT2输出P14/SMCLK16I/O通用数字I/O引脚/SMCLK信号输出P15/TA017I/O通用数字I/O引脚/TIMERA，比较OUT0输出P16/TA118I/O通用数字I/O引脚/TIMERA，比较OUT1输出P17/TA219I/O通用数字I/O引脚/TIMERA，比较OUT2输出P20/ACLK20I/O通用数字I/O引脚/ACLK输出端P21/TAINCLK21I/O通用数字I/O引脚/TIMERA，INCLK时钟信号P22/CAOUT/TA022I/O通用数字I/O引脚/TIMERA，捕获CCI0B输入，比较OUT0输出P23/CA0/TA123I/O通用数字I/O引脚/TIMERA，捕获CCI1B输入，比较OUT1输出P24/CA1/TA224I/O通用数字I/O引脚/TIMERA，比较OUT2输出P25/ROSC25I/O通用数字I/O引脚/外接一电阻用以决定DCO频率P26/ADC12CLK26I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器的转换时钟P27/TA027I/O通用数字I/O引脚/TIMERA，比较OUT0输出P30/SET028I/O通用数字I/O引脚/从机传输使能USART0/SPI模式P31/SIMO029I/O通用数字I/O引脚/USART0/SPI模式的从输入或主输出P32/SOMI030I/O通用数字I/O引脚/USART0/SPI模式的从输出或主输入P33/UCLK031I/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P34/UTXD032I/O通用数字I/O引脚/发送数据输出USART0/UART模式P35/URXD033I/O通用数字I/O引脚/接受数据输入USART0/UART模式P36/UTXD134I/O通用数字I/O引脚/发送数据输出USART1/UART模式P37/URXD135I/O通用数字I/O引脚/接受数据输入USART1/UART模式P40/TB036I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B7CCR0P41/TB137I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B7CCR1P42/TB238I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B7CCR2P43/TB339I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B7CCR3P44/TB440I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B7CCR4P45/TB541I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B7CCR5P46/TB642I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B7CCR6P47/TBCLK43I/O通用数字I/O引脚/定时器B3的输入时钟TBCLKP50/STE144I/O通用数字I/O引脚/从机发送使能USART1/SPI模式P51/SIMO145I/O通用数字I/O引脚/USART1的从输入、主输出或SPI方式P52/SOMI146I/O通用数字I/O引脚/USART1的从输出、主输入或SPI方式P53/UCLK47I/O通用数字I/O引脚/外部时钟输入USART1/UART或SPI模式，时钟输出USART1/SPI模式P54/MCLK48I/O通用数字I/O引脚/主系统时钟MCLK输出P55/SMCLK49通用数字I/O引脚/子系统时钟SMCLK输出P56/ACLK50I/O通用数字I/O引脚/辅助时钟ACLK输出P57/TBPUTTH51I/O通用数字I/O引脚/切换所有的PWM数字输出口为高阻抗定时器B3TB0TB2P60/A059I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道0P61/A160I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道1P62A261I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道2P63/A32I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道3P64/A43I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道4P65/A54I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道5P66/A65I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道6P67/A76I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道7RST/NMI58I复位输入、不可屏蔽中断输入口，或自动加载程序启动（FLASH版本器件有此功能）TCK57I测试时钟，TCK是用于器件测试与自动加载程序启动的始终输入接口（FLASH版本器件有此功能）TMS56I测试方式选择，器件编程与测试的输入口TDI55I测试数据输入口，期间的保护熔丝被连接到TDITDO/TDI54I/O测试数据输出口、编程数据输出口VEREF10I/P送到模数转换器ADC12的外部基准电压VREF7O模数转换器ADC12内部基准电压的正输入端VREF/VEREF11O模数转换器ADC12内部基准电压或外部加的基准电压负端XIN8I晶体振荡器XT1的输入口XOUT/TCLK9I/O晶体振荡器XT1的输入口或测试时钟的输入口XT2IN53I晶体振荡器XT2的输入口，只能接标准晶体XT2OUT52O晶体振荡器XT2的输出口AVCC64模拟电源的正输入端，送到模数转换器ADC12的模拟部分AVSS62模拟电源的负输入端，送到模数转换器ADC12的模拟部分DVCC1数字电源的正输入端DVSS63数字电源的负输入端222MSP430F149的模数转换器ADC12MSP430F149内嵌模数转换器模块，其采样频率为每通道200KB/S，可以对生物、机械等传感器给出的模拟量进行AD转换。内置的模数转换器又由带有采样和保持的ADC内核、参考电压发生器、转换时钟的选择和控制电路、采样与转换时序控制电路4部分组成。采样系统中数模转换速度与转换时钟有密切关系，MSP430的ADC12CLK来源于ACLK，MCLC，SMCLK，ADC12OSC，然后被分频器分频，最终得到的信号作为ADC12CLK送往ADC12内核。ADCS12信号源自内部，同时会随温度、电压以及器件的离散性而变化。对于要求精确的转化，则需要稳定的转换时钟信号，因此使用由晶体产生的时钟信号。为了得到正确可靠的转换，模拟输入信号必须在采样期间保持稳定，在整个采样与转换期间，不允许有相邻的其他通道引脚有数字信号活跃，这样可减少对模拟信号转换的干扰，以得到正确的结果。MSP430F149内置模数转换器有4种转换模式单通道单次转换、单通道多次转换、多通道单次转换、多通道多次转换。23压力传感器231压力传感器的选择压力传感器又称荷重传感器，考虑到使用地点的重力加速度（G）和空气浮力（F）的影响后，通过把其中一种被测量（质量）转换成另外一种被测量（输出）来测量质量的力传感器。压力传感器由敏感元件、转换元件、后续处理部分组成，压力传感器一般应用应变片来实现压力的测量，应变片的制造原理是依据桥式电路，当在桥臂上的电阻满足这样的条件R1R3R2R4时电桥平衡，则输出的电压为零，当电阻由变化的时候，电桥不平衡，有一定的电压输出。可分为单臂电桥、双臂电桥、全臂电桥，其输出的电压与电阻的变化量成近似的线性变化。应变片是很薄的薄片，上表面镶嵌两个有电阻丝制成的电阻，同时下表面也有两个同样的电阻，在连接上形成桥式电路，当应变片上没有压力是，输出的电压为零，当有压力作用时，上边的电阻变大，下面的电阻变小，电桥不平恒，而且是相同的电阻丝，其电阻的变化量相同，输出的电压与电阻的变化量成线性关系，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。这样就可以测量出压力的大小。本设计中称重范围定为9999KG，重量误差不大于KG，考虑到秤台自重、05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。我们选择的是LPSIII型传感器，量程20KG，精度为，满量程时误KG91差0002KG。可以满足本系统的精度要求。其原理如图22所示R112KR212KR412KR312KEINEOUT图22全桥测量电桥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，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由式21给出EINR432R142EOUT（21）232放大电路在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器本设计中，我们将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,接口如图23所示RG1KINA126P60GND5VINA126图23放大电路结构图放大器增益，通过改变的大小来改变放大器的增益。GRK805GR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。24LED数码管241数码管的分类LED数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极COM的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极COM的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮242数码管的驱动方式数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态显示驱动静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。动态显示驱动数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“A,B,C,D,E,F,G,DP“的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12MS，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。25键盘在单片机应用中，键盘是人机对话的输入设备，借助键盘可以向系统设置参数，发出控制指令等。在数字电路中，可以利用编码器实现按键键值的直接编码。将每个按键的输出信号对应连接到编码器的每个输人端，通过编码逻辑就可以在编码器的输出端得到对应每个按键的码值，早期称这种键盘为编码键盘。但是，当按键较多时数码逻辑的成本较高，直接编码的方法也不够灵活，一旦编码逻辑固定就难以更改。在通用键盘上或当按键数量较多时，普遍采用扫描方式产生键值。将按键连接成矩阵，每个按键位于某行、某列的交点上，先通过扫描方式确定按下键的行和列位，即位置码或扫描码。再查表将位置码转换为按键码值或者直接使用扫描码，称为扫描式键盘。在执行键盘扫描时应注意将键在闭合过程中往往会有一些难以避免的机械性抖动如图43，使输出信号也发生抖动，通常达10MS20MS宽。若不避开抖动区，则可能误认为多次按键。还应注意当前一个键值还未送出又有按键按下时，后边的键值将覆盖前边的键值，从而造成丢失。要解决这一问题即可以设置硬件延时电路，延迟数十毫秒后再读取键值，这种电路称为去抖电路。或者在软件里面采用软件延时的方式来读取键值。26相关软件261PROTEL99SE1PROTEL的发展PROTEL是PROTEL（现更名为ALTIUM）公司在20世纪80年代末推出的CAD工具。它较早在国内使用，普及率很高。早期的PROTEL主要作为印刷板自动布线工具使用，现在普遍使用的是PROTEL99SE。它是个完整的全方位电路设计系统，包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计，可编程逻辑器件设计等功能，并具有CLIENT/SERVER体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式。PROTEL软件功能强大、界面友好、使用方便。它最具代表性的是电路设计和PCB设计。PROTEL99SE是应用于WINDOWS9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源地层和16个机加工层。2PROTEL99SE的系统组成按照系统功能来划分，PROTEL99SE主要包含以下俩大部分和6个功能模块。1）电路工程设计部分1、电路原理设计部分电路原理图设计部分包括电路图编辑器、电路图零件库编辑器和各种文本编辑器。本系统的主要功能是绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。2、印刷电路板设计系统印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器、零件封装编辑器和电路板组件管理器。本系统的主要功能是绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。3、自动布线系统本系统包含一个基于形状的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。2）电路仿真与PLD部分1、电路模拟仿真系统电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。2、可编程逻辑设计系统可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器。本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。3、高级信号完整性分析系统信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。3PROTEL99SE的功能特性1、开放式集成化的设计管理体系。2、超强功能的、修改与编辑功能。3、强大的设计自动化功能。总的来说，PROTEL99SE是个完整的全方位电路设计系统，包含了电路图的绘制、混合信号仿真、多层印刷电路板设计、可编程逻辑器件设计、图表生成等功能。所有模块都集合在一个窗口里，并具有CLIENT/SERVER体系结构，同时可与ORCAD、PSPICE、EXCEL等软件相兼容。因此被广泛使用于电子电路仿真与设计等方面。262C语言C语言是一种计算机程序设计语言。它既有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为系统设计语言，编写工作系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。因此，它的应用范围广泛。C语言对操作系统和系统使用程序以及需要对硬件进行操作的场合，用C语言明显优于其它解释型高级语言，一些大型应用软件也是用C语言编写的。1源程序的结构特点1、一个C语言源程序可以由一个或多个源文件组成。2、每个源文件可由一个或多个函数组成。3、一个源程序不论由多少个文件组成，都有一个且只能有一个MAIN函数，即主函数。4、源程序中可以有预处理命令INCLUDE命令仅为其中的一种，预处理命令通常应放在源文件或源程序的最前面。5、每一个说明，每一个语句都必须以分号结尾。但预处理命令，函数头和花括号“”之后不能加分号。6、标识符，关键字之间必须至少加一个空格以示间隔。若已有明显的间隔符，也可不再加空格来间隔。2C语言有很多优点1、简洁紧凑、灵活方便。2、运算符丰富。3、数据结构丰富。4、C是结构式语言。5、C语法限制不太严格，程序设计自由度大。6、C语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作。7、C语言程序生成代码质量高。8、C语言适用范围大，可移植性好。总的来说，C语言具有绘图能力强，可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。因为它具有强大的功能加以它是数值计算的高级语言。因而C语言发展迅速,而且成为最受欢迎的语言之一。由于C语言程序具有完整的程序模块结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计和代码的移植提供了有力的保障，缩短了单片机开发人员的开发周期。作为涉足较大规模的单片机系统来说，开发的开发人员首选的还是C语言编程。本系统就使用应用C语言来编写系统软件程序，通过单片机和外部硬件电路来实现电子秤的称重功能。27小结对芯片性能的了解和掌握是做好硬件、软件设计的基础。本章主要介绍了压力传感器、键盘设计、数码管的基本知识，阐述了MSP430F149单片机的特性和管脚定义，为下文的硬件设计作了铺垫。第三章系统硬件设计31电子秤系统的构成及工作原理电子秤电路主要由传感器电路、调理电路、键盘电路、显示电路、电源电路等组成。系统原理方框图如图31所示。显示电路键盘电路调理电路MSP430F149压力传感器电源图31系统原理方框图系统工作原理当电子秤上放上重物时，压力传感器把模拟信号传送到处理器的AD转换器，由AD转换器转换成数字信号，然后由数码管显示出重物的重量，同时系统根据输入的单价计算出金额，并显示在数码管上。32电子秤系统压力传感器电路系统的压力传感器电路如图32所示。在图的电路中，传感器的正端接模数转换器ADC12内部基准电压的正输入端VREF，负端接模数转换器ADC12内部基准电压负端。在本系统中，通过单片机提供激励电压。由于采用这样的方法，在测量期间或在电子秤工作于待机状态的情况下，就可以不用为电桥提供激励电压，从而降低功耗。传感器的电桥电阻为1200欧，电源电压为3V，激励状态下耗电25MA。将桥接传感器的输出信号连接至放大器之后输入AD转换通道P60。R112KR212KR412KR312KUINVEREFVEREFRG1KINA126P60R50075KR60075KC1100NFC2220FC3100NFC4220FGNDGNDGND5VINA126图32压力传感器电路33电子秤系统的键盘电路本系统所需要的键盘有13个，经过分析觉得使用44方式扫描比较合适。连接电路如图33所示。图33电子秤系统的键盘电路现在具体分析键盘的工作原理。由于所有的列线都上拉到33V，所以在没有任何键被按下的时候，所有列线上都是高电平。当在P17管脚上输出低电平，并且行S01S02S03S05S06S07S09S10S11S13S14S15S04S08S12S16P10P11P12P13R0110KR0210KR0310KR0410KR05300R06300R07300R08300P14P15P16P1733VCC线的其他管脚上输出高电平时，如果“S01”键被按下，则P10为低电平；如果“S02”键被按下，则P11为低电平；如果“S03”键被按下，则P12为低电平；如果“S04”键被按下，则P13为低电平。通过设置一条行线的输出就可以获取列线上的相应状态，从而获得键盘输入的值。同理，依次在其他列线上输出低电平，就可以获取其他键的输入值。通过这样的扫描方式，可以实现键盘的输入。在本模块中，考虑到硬件成本高以及软件延时方便，所以采用了软件延时然后读取键值的方法。在图中，按键S01到S09分别对应电子秤键盘上的数字输入键19，S10对应数字键0。其作用是用于输入被称物品的单价。按键S11对应电子秤键盘上的清除按键，其作用是用于清除之前输入的价格，重量显示也归零。按键S12对应电子秤键盘上的去皮按键，其作用是当电子秤上有物体确认为皮重时，按下去皮键重量即显示为零，相当于置零的功能。按键S13对应电子秤键盘上的累计按键，其作用是用于累加计算多次测量的总金额。34电子秤系统的显示电路LED数码管显示电路如图34所示。本电路的作用是用来显示重量、单价及金额。为了保证数码管的工作安全，电路中必须加上上拉电阻，上拉电阻电路如图35所示，通过网络标号与数码管相连。E1D2H3C4G5W46B7W38W29F10A11W112SM201E1D2H3C4G5W46B7W38W29F10A11W112SM203E1D2H3C4G5W46B7W38W29F10A11W112SM202P20P21P22P23P24P25P26P27P20P21P22P23P24P25P26P27P20P21P22P23P24P25P26P27P43P42P41P40P37P36P35P34P33P32P31P30图34电子秤系统的显示电路在本系统中，SM201用来显示物品的重量，SM202用来显示物品的单价，SM203用来显示物品的金额。P30P31P32P33P34P35P36P37P40P41P42P43912345678R204180C201100UFGND5V912345678R205180C202100UFGND5V图35上拉电阻电路电路图35电子秤系统的电源电路在单片机应用中需要稳定的电压信号，因此必须提供电源电路。如图36所示为电源电路。它可以为整个系统提供33V和5V的电压。C404104C403470UF/25VC406104C405470UF/25V321VVGNDINOUT4U402SPX1117M3DC50333VDC5025VR40122C401470UF/25VVIN1GND23U401LM7805CV412356Q401GBL02C4021045V33VGND12J401CON2图36电源电路36小结本章在上一章的基础上，结合电子秤系统的基本功能介绍了它的工作流程、硬件组成和工作原理，设计了压力传感器的称重放大电路、LED数码管显示电路、键盘扫描电路和电源电路。各电路根据需要连接到MSP430F149单片机的接口上，就构成了一个功能强大的基于MSP430的智能电子秤。第四章电子秤系统的软件设计电子秤系统的顺利工作，需要合适的软件来协调系统的各个硬件组成部分，根据电子秤系统的工作需要来工作，从而达到特定的功能。本章主要设计电子秤系统的各个硬件组成部分的程序流程图。41电子秤系统的程序总流程图系统总程序流程图如图41所示。系统初始化之后，要顺次执行压力传感器程序、预处理程序、称重计价程序、数码管显示程序、键盘程序。开始初始化压力传感器程序数码管显示程序键盘程序称重计价程序预处理程序图41电子秤系统的程序总流程图42初始化程序流程图初始化程序流程图如图42所示。进入初始化阶段，电子秤系统的各个部分依次初始化，即依次执行压力传感器初始化、数码管初始化、键盘初始化后返回。开始压力传感器初始化数码管初始化返回图42初始化程序流程图43压力传感器程序流程图压力传感器程序流程图如图43所示。这个程序用来启动ADC转换器，将转换的二进制结果换算成BCD码，以便显示程序和计算程序可以随时调用。开始AD转换，保存转换结果将转换结果换算为BCD码并存储开始返回图43压力传感器程序流程图44预处理程序流程图预处理程序流程图如图44所示。这个程序的作用是用于判断清除、去皮、累计三个按键是否按下，如果有键按下，就执行相应的程序。开始返回累计标志位为1清除标志位为1去皮标志位为1累计函数去皮函数清除函数YYYNNN图44预处理程序流程图45称重计价程序流程图称重计价程序流程图如图45所示。这个程序的作用是分别读取物品的重量和单价，计算出物品的金额并存储。开始返回读取重量读取单价计算金额并存储图45称重计价程序流程图46键盘程序流程图键盘程序流程图如图46所示。本系统的键盘主要用来输入单价以及一些系统的设定。开始返回延时，有键按下键盘分析程序有键按下YYNN图46键盘程序流程图461键盘分析程序键盘分析程序如图47所示。这个程序的作用是识别按键，得到键码。通过对图33的分析可知，4条行线与