基于AVR单片机的电子秤毕业设计

摘要电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。它与我们平常生活紧密结合成为一种以便、快捷、称量精确的工具，广泛应用于商业、工厂生厂、集贸市场、超市、大型商场、及零售业等公共场所的信息显示和重量计算。电子称重要以单片机作为中心控制单元，通过称重传感器进行模数转换单元，在配以键盘、显示电路及强大软件来构成。电子称不仅计量精确、迅速以便，更重要的自动称重、数字显示，对人们生活的影响越来越大，广受欢迎。本系统针对电子称的自动称重、数据处理等进行了设计和制作。为了阐明用单片机是怎样对采样数据进行处理，对数据的采集和转换、计算问题进行了研究，讨论了单片机控制系统中关键的计算问题。本文在给出智能电子称硬件设计的基础上，详细分析了电子称的软件控制措施。单片机控制的电子称构造简朴，成本低廉，深受人们的爱慕，本文将对此进行详细讨论。关键词：电子称；单片机；称重传感器AbstractIntelligentelectronicscaleisthedetectionandconversiontechnology,computertechnology,informationprocessing,digitaltechnology,anintegratedmoderntechnologyofnewweighingequipment.Itiscloselyintegratedwithourdailylivesintoaconvenient,fast,precisionweighinginstrument,widelyusedincommercial,planthealthplant,countrymarkets,supermarkets,shoppingmalls,andretailandotherpublicplaces,informationdisplayandweight.IntelligentElectronicssaidthekeytoSCMasthecentralcontrolunit,throughtheweighingsensoranalog-digitalconversionunit,intheaccompaniedkeyboard,displaycircuitandpowerfulsoftwaretocomponent.Saidnotonlyaccuratemeasurementoftheelectronic,fastandconvenient,moreimportantly,automaticweighing,statisticsshowthatbythemajorityofusers.IntelligentElectronicssaidthataseasytocarry,easytouse,theimpactonpeople'slivesmoreandmore.Thissystemisknownfortheelectronicautomaticweighinganddataprocessingofresearch.ToillustratehowtousetheMCUissamplingdataprocessing,dataacquisitionandconversion,computationalproblemsstudied.DiscussthekeySCMsystemcalculation.Thispaperpresentedthehardwaredesignofintelligentelectronicsthat,basedondetailedanalysisoftheelectroniccontrol,saidthesoftware.Asthestructureofmicroprocessorcontrolledelectronicsthatsimple,lowcostandverypopular,thiswillbediscussedindetail.Keywords:electronicscale;MCU;Loadsensor第一章绪论1.1引言在我们生活中常常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，不过伴随社会的进步、科学的发展，我们对其规定操作以便、易于识别。伴随计量技术和电子技术的发展，老式纯机械构造的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐渐被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其精确、迅速、以便、显示直观等诸多长处而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和减少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长。通过度析近年来电子衡器产品的发展状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、精确度高、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。1.2选题背景和意义称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺乏的计量设备，衡器产品技术水平的高下，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，并且作为工业控制系统和商业管理系统的一种构成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、减少能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，获得了明显的经济效益。电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于多种场所。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、构造简朴、价格低、实用价值强、维护以便等特点，可在多种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高劳动生产率。例如标签秤在超市中的应用已经是耳闻目睹的了。一张小小的标签包括着：品名、价格、重量等，一一列表在这小小的电子标签上。标签机的使用大大加紧了销售速度，也以便了顾客。顶尖条码标签称有着许多卓越的特点，以太网功能使管理愈加以便。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。50年代中期电子技术的渗透推进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，伴随时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给老式的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。通过40数年的不停改善与完善，衡器技术也在不停进步和提高。从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从老式的所有由机械元器件构成的机械称到用电子线路替代部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。我国电子衡器从最初的机电结合型发展到目前的全电子型和数字智能型。现今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；计量措施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。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得老式的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并对应的出现了多种各样的智能仪器控制系统，使得科学试验和应用工程的自动化程度得以明显提高。1.3国内外电子秤发展及成果伴随第二次世界大战后的经济繁华，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，对称重技术提出了心动规定，但愿称重过程自动化，为此电子技术渗透衡器制造业。在1954年使用了带新式打印机的倾斜式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与人工操作的按键与办公机器联用。在1960年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。当时带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。电子称的发展过程与其他事物同样，也经历了由简朴到复杂、又粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。尤其是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅给出质量或重量信号，并且也能作为总系统中的一种单元承担着控制和检查功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。近年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和控制过程中。现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可或缺的构成部分。伴随称重传感器各项性能的不停突破，为电子称的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等某些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称量精确度的电子称，并在70年代中期约对75%的机械称进行了机电结合式改造。我国的衡器在20世纪40年代此前还全是机械式的，40年代开始发展了机电结合式的衡器。50年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。80年代以来，我国通过自行研究引进消化吸取和技术改造。已由老式的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术与一体化的电子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、读数以便、能在恶劣条件下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门、伴随称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的深入发展，电子称重技术及其应用范围将更深入的发展，并被人们越来越重视。电子衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的多种规格的电子称到大型的电子称重系统，从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一种测量控制单元，其应用领域不停地扩大。根据近些年来电子称重技术和电子衡器的发展状况及电子衡器市场的需求，电子称的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、精确度高、可靠性高；其应用性趋向综合性、组合性。1.4研究现实状况1.4.1影响原因伴随科技的进步,对电子秤的规定也越来越高。影响其精度的原因重要有:机械构造、传感器和数显仪表。在机械构造方面，因材料构造强度和刚度的限制,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，在高精度的称重场所，迫切需要电子秤能在线自动校正系统的非线性。此外，为了保证精确、稳定地显示,仪器内部辨别率(重要是ADC的辨别率)一般要比外部显示辨别率高4倍以上,这就规定所采用的ADC具有足够的转换位数，而采用高精度的ADC，自然增长了系统的成本。1.4.2产品质量目前市场上主流的电子秤根据使用功能的不一样包括如下几种类型：电子天平、电子计数秤、电子计价秤、电子台秤、电子吊钩秤、定量包装秤以及条形码电子秤等。面对种类如此繁多的电子秤，目前市场上存在许多不合格的电子秤产品。不合格问题重要表目前如下三个方面：1、温度试验项目不符合原则规定；2、湿热试验项目达不到原则规定；3、抗电脉冲串试验和抗静电放电试验项目不合格。导致产品不合格的原因重要有如下几种方面：称重传感器的质量不达标，制约了电子秤产品整体质量的提高；2、关键元器件未进行筛选和通电老化，导致电子计价秤质量失控；3、部分产品设计上抗干扰能力不强；4、产品检查把关不严。面对目前市场上电子秤产品的总体质量不高的局面，除了加强对电子秤产品的平常监督管理之外，还要从主线上推进技术的发展，增进电子秤产品质量的提高，更好地保护消费者的合法权益。1.4.3发展方向电子秤不仅要向高精度、高可靠方向发展，并且更需向多种功能的方向发展。据悉,目前电子秤的附加功能重要有如下几种：1、电子秤附加了计算机信息赔偿处理装置，可以进行自诊断、自校正和多种赔偿计算和处理；2、具有皮重、净重显示等特种功能。电子秤有些已具有了动态称量模式,即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等措施,消除上述的误差；3、附加特殊的数据处理功能。目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能,以满足多种使用的规定。此后,伴随电子高科技的飞速发展,电子秤技术的发展定将日新月异。同步,功能愈加齐全的高精度的先进电子秤将会不停问世,其应用范围也会愈加拓宽。1.4.4电子秤的智能化电子秤的称重功能是基于微电脑控制芯片处理器这一关键技术来实现的。由于目前在设计电子秤系统时大量地采用集成芯片，因此电子秤系统已经挣脱了以往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展。在此基础上可以实现系统功能的扩展，例如与上位机的通讯，在上位机上运用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。电子秤由于自身的精度高、功能强和使用以便，实际使用的电子秤有较高的性价比，在诸多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。在详细开发电子秤的系统时应当根据顾客的客观需要，再结合系统硬件和软件，从而可以开发出一套实际使用价值极大的电子秤系统。目前，伴随电子技术的飞速发展，微处理器应用技术的日趋成熟，必将推进基于微处理器为关键的电子秤系统功能的日趋完善，因此多元化智能电子秤具有广泛的应用前景和开发价值！第二章系统方案设计电子秤的应用系统是由硬件和软件所构成。硬件指单片机、扩展的存储器、扩展的输入输出设备等部分；软件是多种工作程序的总称。硬件和软件只有紧密配合、协调一致，才能提高系统的性能价格比。从一开始设计硬件时，就应考虑对应软件的设计措施，而软件设计是根据硬件原理和系统的功能规定进行的。2.1系统原理及设计思绪2.1.1系统工作原理电子秤的工作原理。首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号一般很小，需要通过前端信号处理电路进行精确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再通过单片机控制译码显示屏，从而显示出被测物体的重量。在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，还需要在传感器与A/D芯片之间加上信号调整电路。2.1.2系统设计基本思绪按照设计的基本规定，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分构成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完毕对该数字量的处理，驱动显示模块完毕人机间的信息互换。此部分对软件的设计规定比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。在扩展功能上，本设计增长了一种过载、欠量程报警提醒。2.2系统总体设计方案比较与论证在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有如下几种：方案一：数码管显示方案构造简图如下图所示：数据采集数据采集单片机数码显示图2.1数码管显示方案此方案运用数码管显示物体重量，简朴可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的电子秤系统，硬件部分简朴，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路构造上只有简朴的输出输入关系。缺陷是：硬件部分简朴，虽然可以实现电子称基本的称重功能，不过不能实现外部数据的输入，无法根据实际状况灵活地设定多种控制参数。由于数码管只能实现简朴的数字和英文字符的显示，不能显示中文以及其他的复杂字符，不能到达显示购物清单的规定。又由于采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简朴，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的原则。方案二：在前一种方案的基础上进行扩展，增长一键盘输入装置，增长外界对单片机内部的数据设定，使电子称实现称重计价的功能。构造简图如下图所示：数据采集数据采集单片机数码管显示键盘输入图2.2带有键盘输入的构造简图此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，不过局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简朴的货品代码等。在显示重量时，假如数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，因此此方案需要较多的数码管接入电路中。这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。方案三：前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用品有字符图文显示功能的LCD显示屏。这种方案不仅加强了人机互换的能力，并且满足设计规定，可以显示购物清单、所称量的物体信息等有关内容。构造简图如下图所示：压力传感器压力传感器单片机LCD显示键盘控制信号放大信号转换图2.3LCD显示的方案目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据对应的数据关系译码显示出被测物体的重量。单片机控制适合于功能比较简朴的控制系统,并且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等长处。但其缺陷是外围电路比较复杂,编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。方案四：采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制关键采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制关键，运用EDA软件编程，下载烧制实现。系统集成于一片Xilinx企业的SpartanⅡ系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及合用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。采用FPGA测频测量精度高，测量频率范围大，并且编程灵活、调试以便，设计规定的精度较高，因此规定系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。从下图中可以看到系统的基本工作流程和各单元电路所用到的关键器件。其中控制器采用Xilinx企业可编程器件FPGA为关键，基于ISE软件平台，采用VHDL编程实现数据处理、LED和LCD驱动、时钟芯片的I2C通讯、键盘控制等模块。构造简图如下图所示：FPGA压力传感器LCD显示数码管压力传感器LCD显示数码管信号放大信号转换时钟芯片报警电路键盘电路FPGA的逻辑容量密度大，集成度高，可大大减少印刷电路板的空间，减低系统功耗，同步还可以提高设计的工艺性和产品的可靠性。虽然以FPGA为关键的电子称系统很优化，但只有在大规模和超大规模集成电路中其高集成度才能更好得以体现。其重要在PC机接口卡的总线接口、程控互换机的信号处理与接口、雷达声纳系统的成像控制与数字处理、数控机床的测试系统等方面有广泛应用。鉴于本电子称的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，因此在详细设计时，采用了第三种设计方案。第三章硬件方案设计3.1数据采集部分方案设计3.1.1传感器的选型传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。一般传感器由敏感元件和转换元件构成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传播和测量的电信号部分。现代科技的迅速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将重要依托对信息资源的开发和获取、传播和处理，而传感器处在自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处在研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传播与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用尤其重要。传感器的作用是人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种状况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至多种复杂的工程系统，几乎每一种现代化项目，都离不开多种各样的传感器。传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有互相关系。由于这时输入量和输出量都和时间无关，因此它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一种不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的重要参数有：线性度、敏捷度、迟滞、反复性、漂移等。传感器动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些原则输入信号的响应来表达。这是由于传感器对原则输入信号的响应轻易用试验措施求得，并且它对原则输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往懂得了前者就能推定后者。最常用的原则输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，因此传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表达。方案一压电传感器压电传感器是一种经典的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其对应的特定表面产生电荷的压电效应。压电传感器体积小、重量轻、构造简朴、工作可靠，合用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路规定很高。方案二电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有构造简朴、敏捷度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等长处。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。电容传感器的基本工作原理可用最一般的平行极板电容器来阐明。两块互相平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为（2.1）式（2.1）中——两极板间的距离；A——两平行极板互相覆盖的有效面积；——介质的相对介电常数；——真空中介电常数。若被测量的变化使式中、A、三个参量中任一种发生变化，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。虽然电容式传感器有构造简朴和良好动态特性等诸多长处，但也有不利原因：（1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。因C太小，故容抗=1/C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率P=C，C很小，则P也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采用抗干扰措施。（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。方案三电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种运用电阻应变效应，将多种力学量转换为电信号的构造型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的关键元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻伴随机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及对应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，规定用高增益和高稳定性的放大器放大。下图为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源E：图3.1感器构造原理图当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。当忽视电源的内阻时，由分压原理有：=（2.2）当满足条件R1R3=R2R4时，即（2.3）=0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡条件。应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（2.2），则电桥输出为(2.4)应变片式传感器有如下特点：（1）应用和测量范围广，应变片可制成多种机械量传感器。（2）辨别力和敏捷度高，精度较高。（3）构造轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。（4）商品化，使用以便，便于实现远距离、自动化测量。通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。3.1.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、控制或进行信号转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。这一环节目前重要依托由集成运算放大器的基本元件构成具有多种特性的放大器来完毕。放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下某些规定：1、输入阻抗应远不小于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压导致偏差。2、抗共模电压干扰能力强。3、在预定的频带宽度内有稳定精确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证规定的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。4、能附加某些适应特定规定的电路。如放大器增益的外接电阻调整、以便精确的量程切换、极性自动变换等。我们考虑了如下几种方案：方案一运用一般低温漂运算放大器构成多级放大器。一般低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于信号转换器需要很高的精度，因此几毫伏的干扰信号就会直接影响最终的测量精度。因此，此种方案不适宜采用。方案二由高精度低漂移运算放大器构成多级放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以运用一般运放(如OP07)做成一种差动放大器，如下图所示：图3.2运用一般运放构成的放大器电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为一般小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，重要用于滤除低频噪声。长处：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可以调整输出零点，最终一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程规定。输出级为反向放大器，因此输出电阻不是很大，比较符合应用规定。基于以上分析，前级放大部分决定采用方案二。本设计中数据采集部分最终选择的MOTOROLA企业生产的压力传感器MPX4250。MPX4250型压力传感器是将双极运算放大器和薄膜电阻网络、X型应变仪集成在一种芯片上，以提供高的输出电压。3.2控制器部分设计3.2.1A/D转换原理：1、逐次迫近法逐次迫近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。

采用逐次迫近法的A/D转换器是由一种比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路构成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，仿佛用天平称物体，从重到轻逐层增减砝码进行试探。逐次迫近法转换过程是：初始化时将逐次迫近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次迫近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为

Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次迫近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的

Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。反复此过程，直至迫近寄存器最低位。转换结束后，将逐次迫近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次迫近的操作过程是在一种控制电路的控制下进行的。2、双积分法采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件构成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Ｖi，Ｖi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定期间Ｔ的正向积分，时间Ｔ到后，开关再接通与Ｖi极性相反的基准电压ＶＲＥF，将ＶＲＥF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Ｖi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Ｖi所对应的数字量，实现了A/D转换。A/D转换器选用的原则：1、A/D转换器的位数。A/D转换器决定辨别率的高下。在系统中，A/D转换器的辨别率应比系统容许引用误差高一倍以上。2、A/D转换器的转换速率。不一样类型的A/D转换器的转换速率大不相似。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。逐次迫近型属于中速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、与否加采样/保持器。4、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，不一样量程范围内的模拟量可从不一样引脚输入。5、A/D转换器的启动转换和转换结束。一般A/D转换器可由外部控制信号启动转换，这一启动信号可由CPU提供。转换结束后A/D转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平。告知微处理器读取转换成果。6、A/D转换器的晶闸管现象。其现象是在正常使用时，A/D转换器芯片电流骤增，时间一长就会烧坏芯片。为防止这种现象，可采用如下措施：（1）加强抗干扰措施，尽量防止较大的干扰电流进入电路；（2）加强电源稳压滤波措施，在A/D转换器电源入口处加退耦滤波电路，为防止窄脉冲波窜入在电解电容上再接一高频滤波电容；（3）在A/D转换器的电源端接一限流电阻，可在出现晶闸管现象时，有效地把电流限定在容许范围内，以防止烧坏器件。选择A/D转换器除考虑上述要点外，为防止对A/D转换器的技术指标的影响，还要注意如下几种问题：（1）工作电源电压与否稳定；（2）外接时钟信号的频率与否合适；（3）工作环境温度与否符合器件规定；（4）与其他器件与否匹配；（5）外接与否有强的电磁干扰；（6）印刷线路板布线与否合理。方案一并行比较型A/D转换器并行比较型AD采用多种比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(迅速)型，转换速率极高，但考虑到所转换的信号为一慢变信号，并行比较型A/D转换器的迅速的长处不能很好的发挥，且根据系统的规定，应选择14位或者精度更高的AD转换器，并行比较型A/D转换器精度达不到规定。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高。因此此方案并不是理想的选择。方案二双积分型A/D转换器双积分型ADC是间接型A/D转换器，其基本原理是首先对未知的输入电压进行固定期间的积分，然后转向对原则电压进行反相积分至积分输出电压为零（返回起始值），则原则电压积分的时间正比与输入电压。输入电压越大，反向积分时间越长。用高频率时钟脉冲来测量原则电压积分时间，即可得到输入电压对应的数字代码。双积分型A/D转换器虽然转换精度高，具有精确的差分输入，但转换速度慢。其输入阻抗高，可自动调零，具有超量程信号，所有输出与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，因此对50HZ的工频干扰克制能力特强，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，很轻易受到工频信号的影响。方案三逐次迫近型A/D转换器逐次迫近型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。高精度逐次迫近型A/D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟，基于单片机构成的系统设计时仅需要外接几种电阻、电容。逐次迫近型A/D转换器的工作速度中等，成本较低，且精度也较高满足系统的规定。因此本设计中选用此方案。3.2.2主控单片机的单片机的概述1、单片机的定义。单片机诞生于20世纪70年代末，它是指一种集成在一块芯片上的完整计算机系统。单片机具有一种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，目前大部分还会具有外存。同步集成诸如通讯接口、定期器，实时时钟等外围设备。2、单片机的发展。单片机也被称为微控制器（Microcontroller），由于它最早被用于工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一种芯片中，使计算机系统更小，更轻易集成进复杂的而对体积规定严格的控制设备当中。初期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到目前还在广泛使用。伴随工业控制领域规定的提高，开始出现了16位单片机，但由于性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后伴随消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。伴随INTELi960系列尤其是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而老式的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，同步性价比非常乐观。现代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。3、单片机的应用。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。单片机的选型选择单片机型号的出发点有如下几种方面：市场货源系统设计者只能在市场上可以提供的单片机中选择，尤其是作为产品大批量生产的应用系统，所选的单片机型号必须有稳定、充足的货源。单片机性能应根据系统的功能规定和多种单片机的性能，选择最轻易实现系统技术指标的型号，并且能到达较高的性能价格比。单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。影响性能价格比的原因除单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的轻易程度、对应的工作量大小，以及开发工具的性能价格比。研制周期在研制任务重、时间紧的状况下，还要考虑所选的单片机型号与否熟悉，与否能立即着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一种重要原因是开发工具，性能优良的开发工具能加紧系统地研制进程。单片机的选择原则：多种单片机均有各自的优缺陷，应根据需要选择。选择单片机原则如下：1.单片机的基本参数例如速度，程序存储器容量，I/O引脚数量2.单片机的增强功能。例如看门狗，双指针，双串口，RTC（实时指针），EEPROM，扩展ROM，CAN接口，I2C3.Flash和PTP（一次性可编程）相比较。最佳是Flash。4.封装IP（双列直插），PLCC（PLCC有对应插座）还是贴片。DIP封装在做试验时也许以便一点。5.工作温度范围，工业级还是商业级。假如设计户外产品，必须选用工业级。6.功耗。例如设计并口加密狗，信号线取电只能提供几种mA，用PIC就是由于低功耗，后来出了MSP430也不错。7.工作电压范围。例如设计电视机遥控器，2节干电池供电，至少应当能在1.8—3.6V电压范围内工作。8.供货渠道畅通。能申请样片，小批量购置有现货。最佳像原则51，随便找个地方就能买到。9.价格低。10.有服务商，像周立功企业推Philips，双龙企业推AVR，都提供了诸多有用的技术支持，起码烧写器有地方买。11.烧录器价格低，假如是ICP（把单片机放在烧录器上编程）能否运用既有的烧录器，假如是表贴封装，买一种转接座也很贵，至少得一两百元。能否ISP（在系统编程，即把芯片先焊到板子上再通过预留的ISP接口编程），一般ISP编程器比较廉价大概一两百元甚至几十元。12.仿真器廉价。对于FLASH型单片机，仿真器不是必备的。不过对于OTP（一次性可编程）型单片机，必须购置或者租用仿真器。13.单片机汇编语言是自己熟悉的，并且能支持C语言。编程环境要像Keil同样好用，并且还是免费的。14.网站速度快，资料丰富、包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例程序。最佳有中文，像Atmel就不错。15.保密性能好，查一下专业解密网站上的黑名单，再发个mail征询一下解密价格。16.抗干扰性能好。17.和其他外设芯片放在一起的综合考虑。方案一51系列单片机51系列是应用最广泛的单片机，由于产品硬件构造合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势。世界有许多著名的芯片企业都购置了51芯片的关键专利技术，并在其基础上进行性能上的扩充，使得芯片得到深入的完善，形成了一种庞大的体系，直到目前仍在不停翻新，把单片机世界炒得沸沸扬扬。51系列长处之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还尤其开辟了一种双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理(作位处理时，合128个位，对应位地址为OOH～7FH)，使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的以便，由于一种较复杂的程序在运行过程中会碰到诸多分支，因而需建立诸多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实行这一处理(包括前面所有的位功能)，只需用一条位操作指令即可。51系列的另一种长处是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足规定的，用的较多。作乘法时，只需一条指令即可。诸多的八位单片机都不具有乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。51系列的I/O脚的设置和使用非常简朴，但高电平时无输出能力，可谓有利有弊。故其他系列的单片机(如PIC系列、AVR系列等)对I/O口进行了改善，增长了方向寄存器以确定输入或输出，但使用也变得复杂。同步，原51系列也有许多值得改善之处，如运行速度过慢等。当晶振频率为12MHz时，机器周期达1μs，显然适应不了现代高速运行的需要。华邦企业(Winbond)生产的产品型号为W77系列和W78系列，W78系列与AT89C系列完全兼容。W77系列为增强型，对原有的8051的时序作了改善，每个机器周期从12个时钟周期改为4个周期，使速度提高了三倍，同步，晶振频率最高可达40MHz。W77系列还增长了看门狗WatchDog、两组uART、两组DVTR数据指针、ISP等多种功能。方案二PIC单片机PIC单片机CPU采用RISC构造，分别有33、35、58条指令(视单片机的级别而定)，属精简指令集。而51系列有111条指令，AVR单片机有118条指令，都比前者复杂。采用Haryard双总线构造，运行速度快(指令周期约160～200nS)，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线构造，在一种周期内完毕两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一种周期(个别除外)，这也是高效率运行的原因之一。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。PIC系列单片机的I／O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。I／O脚增长了用于设置输入或输出状态的方向寄存器，从而处理了51系列I／O脚为高电平时同为输入和输出的状态。当置位1时为输入状态，且不管该脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态；置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相称的驱动能力，低电平吸人电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。相对于51系列而言，这是一种很大的长处，它可以直接驱动数码管显示且外电路简朴。它的A／D为10位，能满足精度规定。具有在线调试及编程功能。该系列单片机的专用寄存器)并不像51系列那样都集中在一种固定的地址区间内(80～FFH)，而是分散在四个地址区间内，即存储体0(Bank0：00-7FH)、存储体1(Bankl：80-FFH)、存储体2(Bank2：100-17FH)、存储体3(Bank3：180-1FFH)。只有5个专用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、INTCON在4个存储体内同步出现。在编程过程中，少不了要与专用寄存器打交道，得反复地选择对应的存储体，也即对状态寄存器STATUS的第6位(RPl)和第5位(RPO)置位或清零。这多少给编程带来了某些麻烦。对于上述的单片机，它的位指令操作一般限制在存储体0区间(00～7FH)。数据的传送和逻辑运算基本上都得通过工作寄存器w(相称于5l系列的累加器A)来进行，而51系列的还可以通过寄存器互相之间直接传送(如：MOV30H，20H；将寄存器20H的内容直接传送至寄存器30H中)，因而PIC单片机的瓶颈现象比51系列还要严重，这在编程中很有感受。综合来说PIC单片机应当说有三个重要特点：(1)总线构造:MCS-51单片机的总线构造是冯-诺依曼型,计算机在同一种存储空间取指令和数据,两者不能同步进行;而PIC单片机的总线构造是哈佛构造,指令和数据空间是完全分开的,一种用于指令,一种用于数据,由于可以对程序和数据同步进行访问,因此提高了数据吞吐率。正由于在PIC单片机中采用了哈佛双总线构造，因此与常见的微控制器不一样的一点是：程序和数据总线可以采用不一样的宽度。数据总线都是8位的，但指令总线位数分别位12、14、16位。(2)流水线构造:MCS-51单片机的取指和执行采用单指令流水线构造,即取一条指令,执行完后再取下一条指令;而PIC的取指和执行采用双指令流水线构造,当一条指令被执行时,容许下一条指令同步被取出,这样就实现了单周期指令。(3)寄存器组:PIC单片机的所有寄存器,包括I/O口,定期器和程序计数器等都采用RAM构造形式,并且都只需要一种指令周期就可以完毕访问和操作;而MCS-51单片机需要两个或两个以上的周期才能变化寄存器的内容。方案三AVR单片机AVR单片机其明显的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同步完毕下一条指令的读取。通用寄存器一共32个(RO-R31)，前16个寄存器(R0～R15)都不能直接与立即数打交道，因而通用性有所下降。而在5l系列中，它所有的通用寄存器(地址00-7FH)均可以直接与立即数打交道，显然要优于前者。AVR系列没有类似累加器A的构造，它重要是通过R16～R31寄存器来实现A的功能。在AVR中，没有像5l系列的数据指针DPTR，而是由X(由R26、R27构成)、Y(由R28、．R29构成)、z(由R30、R31构成)三个16位的寄存器来完毕数据指针的功能(相称于有三组DPTR)，并且还能作后增量或先减量等的运行。在51系列中，所有的逻辑运算都必须在A中进行；而AVR却可以在任两个寄存器之间进行，省去了在A中的来回折腾，这些都比51系列强。AVR的专用寄存器集中在＄00～＄3F地址区间，无需像PIC那样得先进行选存储体的过程，使用起来比PIC以便。AVR的片内RAM的地址区间为＄0060～＄00DF(AT90S23131)和＄0060～＄025F(AT90S85l5、AT90S8535)，它们占用的是数据空间的地址，这些片内RAM仅仅是用来存储数据的，一般不具有通用寄存器的功能。当程序复杂时，通用寄存器R0一R31就显得不够用；而51系列的通用寄存器多达128个(为AVR的4倍)，编程时就不会有这种感觉。AVR的I/O脚类似PIC，它也有用来控制输入或输出的方向寄存器，在输出状态下，高电平输出的电流在10mA左右，低电平吸入电流20mA。虽不如PIC，但比51系列强。综合来看，AVR与51、PIC单片机相比具有一系列的长处，用通俗的说法重要体目前这几种方面：（1）、在相似的系统时钟下AVR运行速度最快；（2）、所有AVR单片机的FLASH、EEPROM蓄存器都可以反复烧写、支持在ISP在线编程(烧写)，入门费用非常少；（3）、片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，使得电路设计变得非常简朴；（4）、每个IO口作输出时都可以输出很强的高、低电平，作输入时IO口可以是高阻抗或者带上拉电阻；（5）、片内具有丰富实用的资源，如AD模数器、DA数模器，丰富的中断源、SPI、USART、TWI通信口、PWM等等；（6）、内嵌A/D的特点：10位精度，逐次迫近型ADC；有8路复用单端输入通道；转换快，65—260us的转换时间综上所诉本例里选用性价比高、内嵌A/D转换、执行速度快的ATmega16，满足系统规定。3.3人机交互界面设计3.3.1键盘输入是人机交互界面中重要的构成部分，它是系统接受顾客指令的直接途径。操作者通过键盘向系统发送多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构成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。键盘由许多键构成，每一种键相称于一种机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。单片机接受到按键的触点信号后作对应的功能处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。方案一专用芯片式设计专用键盘处理芯片一般功能比较完善，芯片自身能完毕对按键的编码、扫描、消抖和重键等问题的处理，甚至还集成了显示接口功能。列如Intel8279是一种为8位微处理器设计的比较成熟的通用键盘/显示屏接口芯片，其功能有：接受来自键盘的输入数据，并作预处理；数据显示的管理和数据显示屏的控制。专用键盘处理芯片的长处很明显，可靠性高，口简朴，使用以便，适合处理按键较多的状况。但在诸多应用场所，考虑成本原因，也许并不是最佳选择。方案二矩阵式键盘设计矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线构成行、列构造，按键设置在行列的交叉点上。例如，用2*2的行列构造可构成4个键的键盘，4*4行列构造可构成16个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。相对于转用芯片式可以节省成本，且更为灵活。缺陷就是需要用软件处理消抖、重键等问题。考虑到成本方面，我决定采用矩阵键盘。图3.34×4矩阵键盘3.3.2显示模块方案一LED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、录像信号等多种信息的显示屏幕。LED显示屏构造：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。其详细构造有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等LED显示屏与显示方式:LED显示块是由发光二极管显示字段的显示屏件。一般使用的是七段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显示屏。N位LED显示屏有N根位选线和8*N根段选线。根据显示方式不一样，位选线与段选线的连接措施不一样。段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮、暗。LED显示屏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，减少成本，将所有位的段选线并联在一起，由一种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3.4LED数码管显示方式方案二LCD显示LCD液晶显示屏是LiquidCrystalDisplay的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子变化方向，将光线折射出来产生画面。比LED要好的多，不过价钱较其贵。在平常生活中，我们对液晶显示屏并不陌生。液晶显示模块已作为诸多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及诸多家用电子产品中都可以看到，显示的重要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有如下几种：发光管、LED数码管、液晶显示屏。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简朴，在前面章节已经简介过，在此不作简介，本章重点简介字符型液晶显示屏的应用。在单片机系统中应用晶液显示屏作为输出器件有如下几种长处：（1）显示质量高：由于液晶显示屏每一种点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示屏（CRT）那样需要不停刷新新亮点。因此，液晶显示屏画质高且不会闪烁。（2）数字式接口：液晶显示屏都是数字式的，和单片机系统的接口愈加简朴可靠，操作愈加以便。（3）体积小、重量轻：液晶显示屏通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来到达显示的目的，在重量上比相似显示面积的老式显示屏要轻得多。（4）功耗低：相对而言，液晶显示屏的功耗重要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其他显示屏要少得多。液晶显示的原理是运用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示屏具有厚度薄、合用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。液晶显示屏多种图形的显示原理（1）线段的显示：点阵图形式液晶由M×N个显示单元构成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点构成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上对应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线构成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。（2）字符的显示：用LCD显示一种字符时比较复杂，由于一种字符由6×8或8×8点阵构成，既要找到和显示屏幕上某几种位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不一样位为“1”，其他的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就构成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简朴了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设置光标，在此送上该字符对应的代码即可。（3）中文的显示：中文的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的中文的点阵码（一般用字模提取软件），每个中文占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设置光标，送上要显示的中文的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一种完整中文。1602字符型LCD简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。我们以1602LCD字符型液晶显示屏为例。1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，与否带背光在应用中并无差异，1602LCD重要技术参数：显示容量:16×2个字符，芯片工作电压:4.5—5.5V，工作电流:2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压:5.0V，字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm。由于本次设计的显示模块需要显示多位数字，假如采用数码管显示的话将会占用多种单片机I/O口,使得电路变得更为复杂。因此选用液晶显示，1602LCD符合基本条件，可以采用。3.4详细实行方案简介根据以上设计方案，硬件部分采用AVR系列单片机ATmega16为控制关键部件，实现电子秤的基本控制功能。ATmega16是一款8位的内带16K可编程Flash，考虑到用软件实现电子秤系统的各项功能时，所需的软件量并不是很大，不需要太大的程序存储空间，因此在对ATmega16实际设计时不需要在片外再扩展程序存储器，这样不仅节省了硬件资源，也优化了电路的设计。系统的硬件部分不仅包括以单片机ATmega16为关键的最小系统部分，并且还包括数据采集、人机接口界面。数据采集部分由压力传感器和信号放大处理部分构成。在详细选择传感器时，考虑到在称量物品时必要的精度、精确性规定，所称物品的重量误差必须要控制在一定的范围之内。此外由于秤台的自身重量、振动和冲击分量，以及还要防止物体超重时对传感器的损坏，因此在选择传感器时要保证有一定的承重裕量，所选的传感器量程应当比系统设计规定的要大。一般选择满量程时候的误差不能不小于规定量。由于传感器的输出信号中具有一定的干扰噪声，因此必须要对传感器的输出信号进行滤波，在滤波电路的设计时运用一般小电容滤除高频干扰，运用大的电解电容滤除低频干扰。传感器输出的电信号比较微弱，一般为毫伏级，必须采用合适的电路进行信号放大处理，这样才能保证整个系统的精度和稳定性能。人机交互部分的键盘在系统中，可以输入数字和已经固定的控制命令等。在这次设计中我们采用了4×3键盘控制。显示用的LCD我们根据规定选用了字符点阵式液晶显示屏LCD1602，可以一次满屏幕显示多种个中文字符或英文字符，满足电子秤在称物时的购物清单显示规定。系统硬件构造框图如下所示：称重传感器MPX4250数据采集部分X型应变仪双极运算放大器ATmega16单片机A/D转换器单片机控制模块键盘解码芯片74C9224*3矩阵键盘1602液晶显示人机交互界面图3.5系统硬件构造框图3.5本章小结本章重要是对本次设计的方案选择与论证，按照设计的基本规定，通过度析与论证，最终确定系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器和信号的前级处理部分构成。转换后的数字信号送给AVR单片机控制器处理，由单片机完毕对该数字量的处理，驱动液晶显示模块完毕人机间的信息互换。第四章系统硬件设计根据设计规定以及系统所需要实现的功能，在设计系统时可以提成如下几种部分：单片机控制模块，前端信号采集和处理模块，人机接口界面三部分。4.1基于ATmega16的主控电路4.1.1AAtmega16是基于增强的AVRRISC构造的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时针周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用的工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻辑单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一种时钟周期内同步访问两个独立的寄存器。这种构造大大提高了额代码效率，并且具有比一般的CICS微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega16有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash（具有同步读写的能力，即RWW），512K字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定期器/计数器（T/C），片内/片外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定期器，一种SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定期器继续运行，容许顾客保持一种时间基准，而其他功能模块处在休眠状态；ADC噪声克制模式时终止CPU和除了异步定期器与ADC以外所有I/O模块的工作，以减少ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其他功能模块处在休眠状态，使得器件只能消耗很少的电流，同步具有迅速启动能力；扩展Standby模式下则容许振荡器和异步定期器继续工作。本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISPFlash容许程序存储器通过ISP串行接口，或者同用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区（ApplicationFlashMemory）。在更新应用Flash存储区时引导Flash区（BootFlashMemory）的程序继续运行，实现RWW操作。通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一种芯片内，ATmega16成为一种功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而成本低的处理方案。ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真及评估板。4.1.21.引脚名称引脚功能阐明ATmega16芯片图如下：图4.1Atmega16引脚图VCC电源正GND电源地端口A（PA7—PA0）端口A做为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸取大电流。做为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，虽然系统时钟尚未起振，端口A处在高阻状态。端口B（PB7—PB0）端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸取大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，虽然系统时钟尚未起振，端口B处在高阻状态。端口B也可以用做其他不一样的特殊功能。端口C（PC7—PC0）端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸取大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，虽然系统时钟尚未起振，端口C处在高阻状态。假如JTAG接口使能，虽然复位出现引脚PC5（TDI）、PC3（TMS）与PC2（TCK）的上拉电阻被激活。端口C也可以用做其他不一样的特殊功能。端口D（PD7—PD0）端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸取大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，虽然系统时钟尚未起振，端口D处在高阻状态。端口D也可以用做其他不一样的特殊功能。RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间不不小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1反向震荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2反向震荡放大器的输出端。AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不合用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一种低通滤波器与VCC连接。AREFA/D的模拟基准输入引脚。2.ATmega16内核简介图4.2为Atmega16构造方框图：闪存闪存指令寄存器指令解码器Controllines程序计数器状态控制器32乘8位的通用寄存器组ALUDataSROMEEPROMI/Oline数据总线8位中断单元SPI单元看门狗定期器模拟类比较器I/O模块1I/O模块2I/O模块n图4.2Atmega16构造方框图为了获得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard构造，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU在执行一条指令的同步读取下一条指令（称为预取）。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的FLASH。迅速访问寄存器文献包括32个8位通用工作寄存器，访问时间为一种时钟周期。从而实现了单时钟周期的ALU操作。在经典的ALU操作中，两个位于寄存器文献中的操作数同步被访问，然后执行运算，成果再被送回到寄存器文献。整个过程仅需一种时钟周期。寄存器文献里有6个寄存器可以用作3个16位的简介寻址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。其中一种指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。这些附加的功能寄存器即为16位的X、Y、Z寄存器。ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。ALU也可以执行单寄存器操作。运算完毕之后状态寄存器的内容得到更新以反应操作成果。程序流程通过有/无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而间接寻址整个地址空间。大多数指令长度为16位，亦即每个程序存储器地址都包括一条16位或32位的指令。程序存储器分为两个区：引导程序区（Boot区）和应用程序区。这两个区均有专门的锁定位以实现读和读/写保护。用于写应用程序区的SPM指令必须位于引导程序区。在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器（PC）保留于堆栈之中。堆栈位于通用数据SRAM，因此其深度仅受限于SRAM的大小。在复位例程里顾客首先要初始化堆栈指针SP。这个指针位于I/O空间，可以进行读写访问。数据SRAM可以通过5种不一样的寻址模式进行访问。4.1.3主控电路设计Atmega16主控电路包括如下几部分：1.复位电路；2.晶振电路；A/D转换滤波电路。1.复位电路设计Mega16已经内置了上电复位设计。并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR外部的复位线路在上电时，可以设计得很简朴：直接拉一只10K的电阻到VCC即可(R1)图4.3所示。图4.3复位电路实际应用中，假如不需要复位按钮，复位脚可以不接任何零件，芯片也能稳定工作。即这部分不需要任何外围零件。晶振电路设计Mega16已经内置RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。不过，内置的毕竟是RC振荡，在某些规定较高的场所，例如要与RS232通信需要比较精确的波特率时，提议使用外部的晶振线路。初期的90S系列，晶振两端均需要接22pF左右的电容。Mega系列实际使用时，这两只小电容不接也能正常工作。不过为了线路的规范化，我们仍提议接上。本次的电子秤设计对频率精度的规定不是太高，为了使电路更简洁，可以使用内部RC振荡。即这部分不需要任何外围零件。A/D转化滤波电路设计由于本设计使用了ATmega16内嵌ADC，由上面引脚功能阐明可知：使用内嵌ADC时AVCC脚应通过一种低通滤波器与VCC连接。此低通滤波器详细设计如下：为减小AD转换的电源干扰，Mega16芯片有独立的AD电源供电。官方文档推荐在VCC串上一只10uH的电感（L1），然后接一只0.1uF的电容到地。ATmega16内带2.56V原则参照电压。也可以从外面输入参照电压，例如在外面使用TL431基准电压源。不过一般的应用使用内部自带