基于PIC16F877A智能电子秤的设计

基于PIC16F877A智能电子秤的设计 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 目录 ? ? ? ? 第1章 前言 ............................................................ 1 ? ? 1.1 选题的背景和意义 ................................................ 1 ? 1.2 国内外电子秤发展及成果 .......................................... 2 ? ? 1.3 研究现状 ........................................................ 3 ? 1.3.1 影响因素 .................................................. 3 ? 1.3.2 产品质量 .................................................. 3 ? ? 1.3.3 发展方向 .................................................. 4 装 1.3.4 电子秤的智能化 ............................................ 4 ? ? 1.4 电子秤设计的任务及要求 .......................................... 4 ? 第2章 系统设计与论证 .............................................. 6 ? ? 2.1 系统方案的设计思路 .............................................. 6 订 2.2 系统方案设计 .................................................... 6 ? ? 2.3 系统方案比较与论证 .............................................. 6 ? 2.3.1 单片机的选型 .............................................. 6 ? ? 2.3.2 称重传感器选型 ........................................... 10 线 2.3.3 放大部分选型 ............................................. 14 ? ? 2.3.4 A/D转换器选型 ............................................ 14 ? 2.3.5 显示模块选型 ............................................. 16 ? ? 2.3.6 键盘输入选型 ............................................. 18 ? 2.3.7 语音芯片选型 ............................................. 19 ? 第3章 系统硬件设计 ................................................... 20 ? ? 3.1 基于PIC16F877A的主控电路 ...................................... 20 ? 3.1.1 PIC16F877A简介 ........................................... 20 ? ? 3.1.2 PIC16F877A引脚介绍 ....................................... 20? 3.1.3 主控电路设计 ............................................. 21 3.2 称重部分 ....................................................... 22 3.2.1 GF-7桥型称重器简介 ....................................... 22 3.2.2 工作原理 ................................................. 23 3.2.3 硬件电路 ................................................. 23 3.3 测身高部分 ..................................................... 24 3.3.1 超声波测距原理 ........................................... 24 3.3.2 测身高硬件电路设计 ....................................... 24 i 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 3.4 显示部分 ....................................................... 26 ? 3.5 语音播报部分 ................................................... 27 ? ? 3.6 键盘部分 ....................................................... 28 ? 3.7 报警电路 ....................................................... 28 ? ? 3.8 电源电路 ....................................................... 29 ? 3.9 硬件低功耗设计 ................................................. 29 ? ? 3.9.1 低功耗元器件选择 ......................................... 29 ? 3.9.2 低功耗电路设计 ........................................... 30 ? ? 第4章 软件设计 ....................................................... 31 ? 4.1 称重部分软件设计 ............................................... 31 装 ? 4.2 测身高部分软件设计 ............................................. 32 ? 第5章 结论 ........................................................... 36 ? 致 谢 ................................................................ 37? ? 参考文献 .............................................................. 38 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ii 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 第1章 前言 ? ? ? ? 目前，随着社会的发展、生活水平不断提高，人们越来越关注自己的身体健康。? ? 许多人由于工作的压力和不良的饮食习惯，使得身体健康每况愈下，疾病也随之而来，? 而在这些人群中，患有肥胖和营养不良的病人居多。为方便人们及时了解自己的体重? ? 是否超出或低于的体重，在许多公共场合都摆放了人体秤，商场、药店、马路旁? 等随处可见，给那些由于工作紧张没有时间到医院做定期体验的人们带来了方便。人? ? 体秤已不再是医院的专用医疗器械，已成为人们生活中不可缺少的一部分。 ? 普通人体秤测量身高和体重的结果都是直接用眼睛观看指针读取的，由于读数的装 ? 方法各不相同、读数时光线有明有暗等多种原因，使得读取数据的误差过大。由于人? 体秤的使用非常普遍，解决这一问题显得尤为重要。近年来，随着科技不断进步，计? 算机已渗透到各个领域，单片机已逐渐成为科学技术现代化的重要工具，正在不断地? ? 走向深入。单片机的应用已深入到人类的生活、生产等各种领域。在此基础上发展起订 来的由单片机控制的人体称，比普通人体称在耐用性、适用环境、读数的准确度等方? ? 面有了很大的提高。 ? 智能人体秤经济、实用，适合在广大工薪阶层推广。因此,以单片机为控制核心? ? 的人体秤，不但提高了读数的精确度，给人们以直观的效果，将身材标准与否一并显线 示，与普通人体秤的价格相差无几，逐渐取代传统的人体秤。 ? ? ? 1.1 选题的背景和意义 ? 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? ? 缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，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，而且作为工业控制系? ? 统和商业管理系统的一个组成部分，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、降低能源和材料的消耗、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，取得了显著的经济效益。电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种 场合。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维 护方便等特点，可在各种环境工作，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。一张小小的标签包含着: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快了销售速度，也方便了顾客。顶尖条码 共 38 页 第 1 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 标签秤有着许多卓越的特点，以太网功能使管理更加方便。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，随着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传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和? ? 革命性的影响。经过40 多年的不断改进与完善，衡器技术也在不断进步和提高。从? 世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械? ? 称到用电子线路代替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现在的全电子型和? ? 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装 ? 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? 传统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，并相? 应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得? [1]? 以显著提高。 订 ? ? 1.2 国内外电子秤发展及成果 ? 随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，? ? 对秤重技术提出了心动要求，希望称重过程自动化，为此电子技术渗入衡器制造业。线 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一样，? 也经历了由简单到复杂、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。特别是近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，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，? ? 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组成部分。随着称重传感器各项 性能的不断突破，为电子称的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等一些国家在 20 世 纪 60 年代就出现了0.1%称量准确度的电子称，并在 70 年代中期约对75%的机械秤 进行了机电结合式改造。 我国的衡器在 20 世纪40年代以前还全是机械式的，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 收和技术改造。已由传统的机械式衡器步入集传感器、微 共 38 页 第 2 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 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、读数方便、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、随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理 器的进一步发展，? ? 电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。电子衡器产品? 量大面广、种类繁多，从通用的各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个测量控制单元，其应用领域不断地扩大。根据? 近些年来电子称重技术和电子衡器的发展情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、准确度高、? [2]可靠性高;其应用性趋向综 合性、组合性。 装 ? ? 1.3 研究现状 ? 1.3.1 影响因素 ? ? 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: 机械订 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? ? 加上信号放大、模数转 换等环力的传递出现误差，而传感器输出特性存在非线性, ? 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、稳定地线 显示, 仪器内部分辨率(主要是 ADC 的分辨率) 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。 ? ? 1.3.2 产品质量 ? 目前市场上主流的电子秤根据使用功能的不同包括以下几个类型: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? 主要表现在以下三个方面: ? ? (1)温度试验项目不符合标准规定; ? (2)湿热试验项目达不到标准要求; (3)抗电脉冲串试验和抗静电放电试验项目不合格。 造成产品不合格的原因主要有以下几个方面: (1)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，造成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)产品检验把关不严。 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 共 38 页 第 3 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 的日常监督管理之外，还要从根本上推动技术的发展，促进电子秤产品质量的提高，? [3]更好地保护消费者的合法权益。 ? ? 1.3.3 发展方向 ? 电子秤不仅要向高精度、高可靠方向发展，而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主要有以下几种: ? (1)电子秤附加了计算机信息补偿处理装置，可以进行自诊断、自校正和多种补? ? 偿计算和处理; ? (2)具有皮重、净重显示等特种功能。电子秤有些已具备了动态称量模式, 即通? ? 过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法, 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, 以装 ? 满足多种使用的要求。今后, 随着电子高科技的飞速发展,电子秤技术的发展定将日? 新月异。同时, 功能更加齐全的高精度的先进电子秤将会不断问世, 其应用范围也会? 更加拓宽。? ? 1.3.4 电子秤的智能化 订 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核心技术? ? 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? 经摆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，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据线 库管理等。 ? ? 电子秤由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的电子秤有较高的性价? 比，在很多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。在具体开发电子秤的系统时应? ? 该根据用户的客观需要，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，随着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核心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～ ? ? ? 1.4 电子秤设计的任务及要求 ? 本次毕业设计利用单片机设计一个不仅可以称体重，而且可以测身高的智能电子 秤。系统的硬件部分包括控制器、数据采集处理、人机接口三大部分。要求该系统特 征及主要控制功能: (1)测量范围:体重不超过150Kg，身高不超过2米 (2)测量精度:体重误差不大于50克，身高误差不大于2% (3)显示方式:LCD显示身高和体重值。 (4)使用操作:键盘输入数据，操作简单方便。 (5)特殊功能:语音播报测量结果;当物品重量超过电子秤量程，即过载情况 共 38 页 第 4 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 或者是物品重量小于A/D转换器所能转换的最小精度，即欠量程的时候，具有超重报? 警功能。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 共 38 页 第 5 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 第2章 系统方案设计与论证 ? ? ? ? 2.1 系统方案的设计思路 ? ? 当人站到秤盘上时，秤盘下的重量电阻应变式传感器产生一电信号，信号的强弱 ? 随重量的大小而变，该电信号经放大电路放大后，经A/D转换，转换后的数字量与体? 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。与此同时超声波测距的发射探头发射超声波，计数器开始? 计数，当接收探收到回波的时候发出中断信号，计数器停止计数，通过单片机处理后? ? 计算出距离，然后设置一个固定距离减去测得的距离就是人的身高。然后送至显示电装 路显示出身高，在把数据送到语音播报芯片产生语音，报出身高和体重。当系统的工? ? 作电压低于正常工作范围时，低压报警电路产生声光报警。 ? ? ? 2.2 系统方案设计 订 系统的硬件部分包括控制器、数据采集处理、人机接口三大部分。控制部分主要? ? 采用单片机实现控制功能。数据采集处理分两大模块:称重数据采集处理和用超声波 ? 测身高数据采集处理，由传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。人机接口部? 分主要包括键盘、显示和语音播报。硬件结构框图如图2.1所示: ? 线 体重信息? ? ? 称重传感器? ? ? 前端信号处理 ? ? ? 显示装置测身高传感器? ? 单片机? 电源? 报警装置 语音装置键盘装置 图2.1 硬件结构框图 2.3 系统方案比较与论证 2.3.1 单片机的选型 选择单片机型号的出发点有以下几个方面: 共 38 页 第 6 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 1、市场货源 ? 系统设计者只能在市场上能够提供的单片机中选择，特别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。 ? 2、单片机性能 ? ? 应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标 的? 型号，而且能达到较高的性能价格比。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。影响性能价格比的因素除单片机的性? 能价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的? ? 性能价格比。 ? 3、研制周期 装 ? 在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能? 马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良? 的开发工具能加快系统地研制进程。 ? ? 各种单片机都有各自的优缺点，应根据需要选择。选择单片机原则如下: 订 (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，I2C 接口，SPI 接口，USB 接口。 ? ? (3)Flash 和 PTP(一次性可编程)相比较。最好是 Flash。 线 (4)封装 IP(双列直插)，PLCC(PLCC 有对应插座)还是贴片。DIP 封装在做? ? 实验时可能方便一点。 ? (5)工作温度范围，工业级还是商业级，如果设计户外产品，必须选用工业级。 ? ? (6)工作电压范围。例如设计电视机遥控器，2 节干电池供电，至少应该能在 ? 1.8—3.6V 电压范围内工作。 ? ? (7)供货渠道畅通。能申请样片，小批量购买有现货。最好像标准51，随便找? 个地方就能买到。 ? (8)价格低。 ? ? (9)有服务商，像周立功公司推 Philips，双龙公司推 AVR，都提供了很多有? 用的技术支持，起码烧写器有地方买。 (10)烧录器价格低，如果是 ICP(把单片机放在烧录器上编程)能否利用现有 的烧录器，如果是表贴封装，买一个转接座也很贵，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 器比较便宜大约一两百元甚至几十元。 (11)仿真器便宜。对于 FLASH 型单片机，仿真器不是必备的。但是对于 OTP (一次性可编程)型单片机，必须购买或者租用仿真器。 (12)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 共 38 页 第 7 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 一样好用，并且还是免费的。 ? (13)网站速度快，资料丰富、包括芯片，应用指南，设计方案，范例程 序。? ? 最好有中文，像 Atmel就不错。 ? (14)保密性能好，查一下专业解密网站上的黑名单，再发个mail 咨询一下解? ? 密价格。 ? 经综合考虑，有以下两种方案。 ? ? 方案一:51系列单片机 。51系列是应用最广泛的单片机，由于产品硬件结构合? 理，指令系统，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? ? 公司都购买了51芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能上的扩充，使得芯片? 得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系，直到现在仍在不断翻新，把单片机世界装 ? 炒得沸沸扬扬。 ? 51 系列优点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订 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。 系列在片内 RAM 区间51 还特别开辟了一个双重? 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，128 个位，合相应位地址为 OOH, 7FH)，使用极为灵活。这一功线 能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多? ? 分支，因而需建立很多标志位，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。而实施这一处理(包括前面所有的位功能)，只需? ? 用一条位操作指令即可。 ? 51 系列的另一个优点是乘法和除法指令，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，精度还是能满足要求的，用的较多。作乘法时，只需一条指令即可。很? 多的八位单片机都不具备乘法功能，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单，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 口进行了改进，增加了 方向寄存器以确定输入或输出，但使用也变得复杂。 同时，原51系列也有许多值得改进之处，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。华邦公司 (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 的时序作了改进，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，同时，晶振频率最高可达 40MHz。W77 系列还增 [4]加了看门狗 WatchDog、两组 uART、两组 DVTR 数据指 针、ISP 等多种功能。 共 38 页 第 8 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 方案二:PIC 单片机。PIC 单片机 CPU 采用 RISC 结构，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 双总线结构，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? ? 令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，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个周期(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 脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器，从而解决了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 脚呈高电平装 ? 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，有相当的驱动能力，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，这是一个很大的优点，它可以直接 驱动数码管显示且外电路? [5]简单。它的 A,D 为 10 位，能满足精度要求。具有在线调试及编程功能。 订 综合来看，PIC 与 51单片机相比具有一系列的优点，用通俗的说法主要体现在? ? 这几个方面: ? (1)总线结构:MCS-51 单片机的总线结构是冯-诺依曼型,计算机在同一个存储 ? ? 空间取指令和数据,两者不能同时进行;而 PIC 单片机的总线结构是哈佛结构,指令 线 和数据空间是完全分开的,一个用于指令,一个用于数据,由于可以对程序和数据 同? ? 时进行访问,所以提高了数据吞吐率。正因为在 PIC 单片机中采用了哈佛双总线结? 构，所以与常见的微控制器不同的一点是:程序和数据总线可以采用不同的 宽度。? ? 12、14、16 位。 数据总线都是8 位的，但指令总线位数分别位 ? (2)流水线结构:MCS-51单片机的取指和执行采用单指令流水线结构,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结构, 当一条? 指令被执行时,允许下一条指令同时被取出,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,定时器和程序计数器等都 ? ? 采用 RAM 结构形式,而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作;而 MCS-51 ? 单片机需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。 (4)在相同的系统时钟下 PIC运行速度最快; (5)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; (6)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单; (7)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; 共 38 页 第 9 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 (8) 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、PWM 等等; ? ? (9)内嵌 A/D 的特点:10 位精度，逐次逼近型 ADC;有8路复用单端输 入通? 道;转换快，65—260us 的转换时间 ? ? 综上所述，选用方案二，可以选用PIC系列中性价比高、内嵌 A/D 转换、执行? 速度快的PIC16F877A这款单片机，满足系统要求。 ? ? 2.3.2 称重传感器选型 ? 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。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。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输和装 ? 测量的电信号部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人? 们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动? 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 处于研究对象与测控? 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输订 [6]与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。 ? ? 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。? ? 为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为线 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，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，? ? 都离不开各种各样的传感器。 ? 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? ? 有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感? 器的静态特性可用一个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 主要参数有:? ? 线性度、灵敏度、迟滞、重复性、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标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输 入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准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，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信 号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃 响应和频率响应 [7]来表示。 根据要求，称重传感器有以下几种方案可以选择: 方案一:压电传感器。压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感 共 38 页 第 10 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相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、结构简单、工作可靠，适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? [7]? 电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。 ? 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。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平? [8]均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、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普通的平行极板电容器来说明。两块相互 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装 ? 量的变化)时，其电容量为 ? (2.1) ,,A? ro,C ? d ? 式(2.1)中 订 d—两极板间的距离; ? ? A—两平行极板相互覆盖的有效面积; ? —介质的相对介电常数; ,? r ? —真空中介电常数。 ,o线 若被测量的变化使式中 d 、A、三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量,? r ? 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结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因 素: ? ? (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X=1/ ω C 很大，为高阻抗元件，负 载能C? 2? 力差;又因其视在功率，很小，P 也很小。C 则故易受外界干扰，另外，PuC,,o? 信号需经放大，并采取抗干扰措施。 ? (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利用电阻应变效应，将各? 种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元 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。导体的电阻随着机械变形而发 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 应变量及相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，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。 共 38 页 第 11 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件:利用它将被测? 的重量转换为弹性体的应变值;另一个是电阻应变计:它作为传感元件将弹性体的应? ,,62? 变，同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变量一般为，10~10? ,,62随之而产生的电阻变化率也大约在数量级之间。这样小的电阻变化用一般10~10? ? 测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成 ? 电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。在电阻应变式称重传感器中通过桥式? [9]? 电 路将电阻的变化转换为电压变化。电阻应变式称重传感器工作原理框图如图2.2? 所示: ? ? ? 装 电阻变化?R输出电压载荷P应变ε? 敏感元件应变片测量电桥? ? ? ? 图2.2 称重传感器工作原理框图 订 当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生? ? 变形 ，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零;当传感器受力时，即弹性敏感元件受? 载荷P时 ，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。 ? ? 电阻应变式称重传感器实物图如图2.3所示，引出线为四芯，红(输入+)，白(输线 出-)，黑(输出-)，绿(输出+)。接线方法是红黑分别接电源正负端，绿白分别接信? [10]号的输出端，为确保精度，一般不要调整线长。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图2.3 称重传感器实物图 在电阻应变传感器中起作用的是桥式测量电路，桥式测量电路有四个电阻，电桥 EU的一个对角线接入工作电压，另一个对角线为输出电压，其特点是:当四个桥in0 臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零。否则就有电压输出，可利用灵敏电流计来 测量。称重传感器测量电桥如下图2.4所示。 共 38 页 第 12 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图2.4 称重传感器 装 ? 测量电桥: ? 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。当忽略电源的内阻时，由分压原理有: ? ? uuuu,,, 0BDABAD订 RR 14? ,,E()? RRRR，，1234(2.2) ? RRRR,1324 ? ,E()RRRR，，()()? 1234 线 R1R3=R2R4 时， 当满足条件 ? ? RR14,? RR23(2.3) ? ? 即u=0，即电桥平衡。式(2.3)称平衡条件。 0? 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: ? ? 22? [()()]RRRRE，,,,,u,0([()()][()()]RRRRRRRR，,，,,，,，,, (2.4) ,R,,ER ,,kE 应变片式传感器有如下特点: (1)应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。 (2)分辨力和灵敏度高，精度较高。 (3)结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁 共 38 页 第 13 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 场等特殊环境中使用，频率响应好。 ? (4)商品化，使用方便，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。称重部分传感器我们选? 用GF-7桥形称重传感器，其量程为150Kg,精度为0.01%，满量程时误差为:0.015Kg，? [11]? 可以满足系统的精度要求。 ? 2.3.3 放大部分选型 ? ? 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。 装 ? 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一些要求: ? (1? )输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造? 成偏差。 订 (2)抗共模电压干扰能力强。 ? ? (3)在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应 足? 够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。 ? ? (4)能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准线 确的量程切换、极性自动变换等。 ? ? 放大部分由以下几种方案可供选择: ? 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。由于信号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，可以利用普通运放(如 OP07) 做成一个差动放大器，电阻和电容? 用于滤除前级的噪声，普通小电容可以滤除高频干扰，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。 基于以上分析，前级放大部分决定采用方案二。 2.3.4 A/D转换器选型 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。 共 38 页 第 14 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 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，? [12]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、是否加采样/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，不同 量? ? 程范围内的模拟量可从不同引脚输入。 ? 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。通知微处理器读取转换结果。 装 ? 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，可采取如下措施: ? (1? )加强抗干扰措施，尽量避免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， 为订 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? 电流限定在允许范围内，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，线 还要注意以下几个问题: ? ? (1)工作电源电压是否稳定; ? (2)外接时钟信号的频率是否合适; ? ? (3)工作环境温度是否符合器件要求; ? (4)与其它器件是否匹配; ? ? (5)外接是否有强的电磁干扰; ? (6)印刷线路板布线是否合理。 ? 目前，常用的A/D 转换器有以下三种方案: ? ? 方案一:并行比较型。并 行 比 较 型 AD 采 用 多个比较器 ，仅作一次比较? 而实行转换，又称17 FLash(快速)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 转换器的快速的优点不能很好的发挥，且根据系统的要 求，应选择14位或者精度更高的AD转换器，并行比较型 A/D 转换器精度达不到要 求。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。所以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时间的积分，然后转向对标准电压进行反相积分 至积分输出电压为零(返回起始值)则标准电压积分的时间正比与输入电压。输入电 共 38 页 第 15 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 压越大，反向 ，积分时间越长。用高频率时钟脉冲来测量标准电压积分时间，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，全部输出与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，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。 ? ? 方案三: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。 装 ? 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，基于单 片机? 构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。 ? 逐次逼近型 ? 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? 要求。所以本设计中选用方案三。 订 由上面对传感器量程和精度的分析可知:A/D 转换器误差应在0.03%以下 。12 位 ? ? A/D 精度:150Kg/4096=36.6g 该精度可以满足系统要求，因此，我们可以采用PIC? 单片机自带的A/D转换器，可以减少硬件电路设计，不需要再选A/D芯片。 ? ? 2.3.5 显示模块选型 线 显示是我们生活中很重要的一部分，常用的显示由以下两种类型: ? ? 方案一:LED 显示。LED 就是light emitting diode ，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:通常使用的是七段 LED。 LED 显示块是由发光二极管? ? 显示字段的显示器件。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。 26 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 共 38 页 第 16 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 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。 ? 方案二:LCD 显示。LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 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改变方向，将光线折射出来产生画面。? ? 比 LED要好的多，但是价钱较其贵。 ? 在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电 子产? ? 品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以 看到，? 显示的主要是数字、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? ? 式有以下几种:发光管、LED 数码管、液晶显示器。发光管和 LED 数码管比较常用，? 软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液装 ? 晶显示器的应用。 ? 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点: ? (1? )显示质量高:由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种 27 色? 彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器(CRT)那样需要不断刷新新亮点。订 因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。 ? ? (2)数字式接口:液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单 可? 靠，操作更加方便。 ? ? (3)体积小、重量轻:液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来 达线 到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 ? ? (4)功耗低:相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC ? 上，因而耗电量比其它显示器要少得多。 ? ? 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，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。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模 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。 ? 液晶显示器各种图形的显示原理: ? ? (1)线段的显示:点阵图形式液晶由 M×N 个显示单元组成，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 个点组成，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相应位置的亮暗对应。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;(000H)当 =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 条暗线组成的虚线。这就是 LCD 显 示的基本原理。 共 38 页 第 17 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 (2)字符的显示:用 LCD 显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由 6×8 或 ? 8×8 点阵组成既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字 节，还? ? 要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就? 组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比 较简单了，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，设立光标，在此送上该字符对应的代码 即可。 ? ? (3)汉字的显示:汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显 示? 的汉字的点阵码(一般用字模提取软件) ，每个汉字占 32B，分左右两半，各 28 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，设立光标，送上要显示的汉字的 第一字节，装 ? 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 上得到一个完整汉字。 ? 由于本次设计的显示模块需要显示多位数字和汉字，如果采用数码管显示的话将? ? 会占用多个单片机 I/O 口,使得电路变得更为复杂。所以选用液晶显示，12864LCD 符订 合基本条件，能够采用。 ? ? 2.3.6 键盘输入选型 ? 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 块设线 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。 ? 常用的键盘设计主要有以下两种方案: ? ? 方案一:独立键盘设计。单片机系统采用的按键可分为独立式按键和矩阵式按键。? 独立式按键是各按键相互独立，每个按键占用一根 I/O 端线，每根 I/O 端线上的按? 键工作状态不会影响其它 I/O 端线上按键的工作状态。独立式按键电路配置灵活，? ? 软件结构简单，但每个暗键必须占用一根 I/O 端线，在按键数量较多时，I/O 端线? 耗费较多，且电路结构繁杂。故这种形式适用于按键数量较少的场合。 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口线组成行、 列结构，按键设置在行列的交叉点上。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。相对于转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。 考虑到所需按键较少，决定采用独立键盘。 共 38 页 第 18 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 2.3.7 语音芯片选型 ? 由于PIC16F877A内部存储器容量小，把播放的语音存在单片机的Flah里较小不? ? 适宜。故选用一片语音录放 IC 来承担语音播放。市面上语音录放 IC 常见的有多种，? 如 ISD1420、 ISD4004 等，ISD1420 单片20秒高保真语音录放 IC 是美国ISD公司? ? 出品的优质单片语音录放电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控 ? 制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一? ? 个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。录音内容存入永久存储单元，提 ? 供零功率信息存储，这个独一无二的方法是 借助于美国 ISD 公司的专利--直接模拟? ? 存储技术(DASTTM实现的。利用它，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟 ? 形式进入 EEPROM 存储器。直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本装 ? 语音的再现。不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。 ? ISD4004 是一种采用ChipCorder专利技术的语音芯片。此芯片无须A/D转换和? 压缩就可以直接储存，没有A/D转换误差，在一个记录位(BIT)可存储 250 级声音? ? 信号，相当于通常的A/D记录的8倍。片内集成了晶体振荡器、麦克前置放大器、自订 动增益控制等，只要很少的外围器件，就可以构成一个完整声音录放系统。但是此语? ? 音芯片的成本高。 ? 由于 ISD1420 的语音芯片在 20s 内也可以录制六十个汉字左右，在我们设计的? ? 此程序中也基本上够用了，而 ISD4004的语音芯片的成本比 ISD1420 的语音芯片成线 本高 2-3 倍，因此选择ISD1420 做为本设计的语音播放IC。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 共 38 页 第 19 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 第3章 系统硬件设计 ? ? ? ? 根据设计要求以及系统所需要实现的功能，在设计系统时可以分成以下几个部? ? 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。 ? ? 3.1 基于PIC16F877A的主控电路 ? ? 3.1.1 PIC16F877A简介 ? P1C系列单片机是美国Microchip技术公司的极有代表性的低价格、高性能单片? ? 机，代表着单片机发展的新动向。其主要特点如下: 装 (1)除采用哈佛体系结构外，采用哈佛双总线结构(即数据总线和指令传输总线分? ? 离独立)，且宽度不同，取指方便，提高了指令执行速度。 ? (2)采用精简指令集(RISC)技术，只有35条指令，全部为单字节，且绝大多数单? ? 周期。 订 (3)寻址方式只有4种(即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址)。 ? ? (4)代码压缩率高，1KB能存储1024条指令。 ? (5)运行速度高、功耗低、体积小、工作电压低、驱动能力强。 ? ? (6)片内集成上电复位电路、I/O引脚上拉电路、看门狗定时器等，可以最大程 线 度减少或免用外接器件，开发方便，还节省了电路板空间和制造成本。 ? ? 项目选择可以在线调试和在线编程的PIC16F877单片机开发第一代电子秤产品。 ? 借助于专门的在线调试工具套件MPLAB-ICD ,PIC16F877能实现硬件仿真和程序烧写，? 比开发其他FIC型号单片机更简便易行。 ? ? PIC16F877单片机采用40引脚的PDIP封装。电源电压范围2.8V-5.0V，时钟频? 率20MHz;程序计数器PC13位宽;8KX14bi的片FLASH程序存储器，368x8bit的数据? ? SRAM存储器及同步串行模块，256字节EEPROM数据存储器;5组可编程的双向I/O端? 口，大部分具有二、三种功能复用;具有TMRO溢出中断、外部中断、端口B变化中断、? ? TMR1中断等14个中断源;8级硬件堆栈;具有看门狗WDT、上电延时复位、掉电延时? 复位等电路:可在线串行编程。 3.1.2 PIC16F877A引脚介绍 引脚名称与引脚功能说明，PIC16F877A 芯片图如图3.1所示: 共 38 页 第 20 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? 图3.1 PIC16F877A芯片图 ? VDD:电源正 。 ? VSS:电源地 ? 。 ? PORTA口:总共有6位(RA0,RA5)，PORTA 的引脚可作为数据输出输入端口，而订 系统重置后，PORTA 自动成为模拟输入状态，可读取模拟输入信号。 ? ? PORTB口:总共有8位(RB0,RB7)，可以编写程序规划输入输出方向、状态，其? 中，要进行烧录时，使用到三个引脚，分别是引脚36(RB3/PGM)、引脚39(RB6/PGC)? ? 与引脚40(RB7/PGD)。 线 PORTC口:总共有8位(RC0,RC7)，除了可作为数据 I/O 外，还和一些特殊功? ? 能的外围电路共享引脚，例如 CCP(直流马达控制)、I2C、SPI(同步串行通信电路)、 ? UART(异步串行传输电路)等。 ? ? PORTD口:总共有8位(RD0,RD7)，可作一般数据I/O外，并与 PSP(Parallel ? Slave Port)并行传输区共享。当整体系统需要多机时，彼此可以经由并行传输区来? ? 快速传输资料。 ? PORTE口:总共有3位(RE0,RE2)，PORTE 的引脚8、9、10 有三种功能，除了? 基本 I/O 功能，还有模拟输入功能，而上述PORTD 的并行传输区设定所需的控制引? ? 脚，如/RD、/WR、/CS 等，也是属于PORTE 引脚。 ? MCLR :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。 持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。 OSC1 :反向震荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 OSC2 :反向震荡放大器的输出端。 3.1.3 主控电路设计 PIC16F877A 主控电路包括以下两部分:复位电路和晶振电路。 1、复位电路设计 PIC16F877A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 共 38 页 第 21 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 外时间，AVR 外部的复位线路在上电时，故可以设计得很简单:直接拉一只 1K 的电? 阻到 VCC 即可，如图 3.2所示。 ? ? ? R1 VPP? VCC? 1K? ? ? 图3.2 复位电路 ? 2、晶振电路设计 ? ? PIC16F877A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，在一些要求较高的场合，比如要与 RS232 通信 需要比装 ? 较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路。晶振两端均需要接 22pF 左右的电容， ? [13]如图3.3所示。 ? ? C1? OSC1订 ? 22p? ? Y1GND ? CRYSTAL? C2线 OSC2 ? 22p? ? ? ? 图3.3 晶振电路 ? ? 3.2 称重部分 ? ? 3.2.1 GF-7桥型称重器简介 ? 其结构图如图3.4所示，具体参数如下所示: ? ? ?0.01 mV/V 灵敏度:3? 非线性、滞后:?0.03 %FS 重复性:0.02 %FS 蠕 变:?0.03 %FS/30min 零点输出:?1 %FS 零点温度系数、额定输出温度系数:?0.03 %FS/10? 输入电阻:700?10 Ω 输出电阻: 700?5 Ω 绝缘电阻: ?5000 MΩ 共 38 页 第 22 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 供桥电压:10(DC/AC) MAX:15(DC/AC) V ? 温度补偿范围:,10,，50 ? ? ? 允许温度范围:,20,，60 ? ? 允许过负荷:120 %FS ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? 图3.4 GF-7桥形称重传感器结构图 ? 3.2.2 工作原理 ? ? 称重部分主要由称重传感器、放大电路、A/D转换三部分组成，模拟信号通过称订 重传感器输入，然后经过放大电路放大后通过数模转换器转换存放到控制单元。放大? ? 电路的设计要考虑到抗干扰设计。称重原理框图如图3.5所示。 ? ? A/D PIC16F877A 称重传放大? 变换 感器 电路 线 ? ? ? ? 图3.5 称重原理框图 ? 3.2.3 硬件电路 ? ? 该部分硬件电路设计关键在于放大电路的抗干扰设计。在这里我采用CMOS四运? 放LMC660AIM，但是只使用了四只运放中的一只即IC1B，其他三只运放为防止干扰将? ? 其接成电压跟随器形式，并将其同相输入端接地。 ? IC1B接成差动输入形式对称重传感器桥路输出的信号进行放大，R11为运放的反? ? 馈电阻、决定着该级放大的电压增益。C3、C4、C5、C6均为滤波电容，C3、C4可以 滤除传感器输出信号中的高频干扰，C5、C6滤除传感器供电电源中的干扰。本部分 的电路图如图3.6所示。 共 38 页 第 23 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 VCC ? R5C7C3C4? 220uF1KR90.01uF0.1uF? R6100K? 1KC6? R40.01uFRes BridgeIC1BRdRa? 1K6? R107AN0R85RcRb? 2K1K? LMC660R7? GND1K? C50.01uF68K? R11? 装 ? 图3.6 称重部分原理图 ? ? ? 3.3 测身高部分 ? 订 3.3.1 超声波测距原理 ? 超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如:液位、? ? 井深、管道长度等场合。它是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，? 从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。 ? 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空线 ? 气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。? 超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射? ? 点距障碍物的距离(s)，即:s=340t/2 。? 3.3.2 测身高硬件电路设计 ? ? (1)40kHz 脉冲的产生与超声波发射 ? 测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是? ? 40kHz的脉冲信号，该信号由555定时器产生输出一个40kHz的脉冲信号，驱动超声? 波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。电路原理图如图? ? 3.7所示。 共 38 页 第 24 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 VCC ? R12? 1KONOFF? ? ? IC148 RP2? RESETVCCST1555103 ? 7DISCHG31? OUT2 6? THOLD5CVOLT? 2ST TRIGC9? GND104? C8 4721? 装 ? ? 图3.7 超声波产生与发射 ? ? (2)超声波的接收与处理 ? 订 接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经? 运算放大器U2A和U2B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块? 17，电容C16决定其锁定带宽。? LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1RP3C? 调节Rp3在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变? 为低电平，身高数据通过8脚送至单片机进行数据处理。电路的输出端接单片机INT0线 ? 端口，中断优先级最高。电路原理图如图3.8所示。 ? VCC? R2110K? R18100KR14100K? IC2VCC18INT0OfilOUTVCC? U2A278U2BLfilGNDLM358? 3C14LM35836ST251INCtC12R17? 72C10R131044526V+Rt100K104RP31? 10KVCC104103LM5674? VCCVCCSTR16R20? 100K100KC11? R15104C13R19100K? 104100K C15C16C17104103472 图3.8 超声波接收与处理 (3)计算超声波传播时间 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记 录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端 共 38 页 第 25 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 产生一个负跳变，在INT0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执? 行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 ? ? ? 3.4 显示部分 ? ? 显示电路通过软件控制分时显示身高和体重的测量数据。为了大家能分清楚所显? 示数据是身高还是体重，在设计时我采用了可以显示中文的OCM4X8C液晶显示器。 ? ? OCM4X8C是具有串/并接口，具内部含有中文字库的图形点阵液晶显示模块。该? 模块的控制/驱动器采用台湾矽创电子公司的ST7920，因而具有较强的控制显示功? 能。OCM4X8C的液晶显示屏为128×64点阵，可显示4行、每行8个汉字。为了便于? ? 简单、方便地显示汉字，该模块具2Mb的中文字型CGROM，该字型ROM中含有8192装 个16×16点阵中文字库;同时，为了便于英文和其它常用字符的显示，具有16Kb? ? 的16×8点阵的ASCII字符库;为便于构造用户图形，提供了一个64×256点阵的? GDRAM绘图区域，且为了便于构造用户所需字型，提供了4组16×16点阵的造字空? ? 间。利用上述功能，OCM4X8C可实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显订 示。为便了和多种微处理器、单片机接口，模块提供了4位并行、8位并行、2线串? ? 行、3线串行多种接口方式。 ? 该模块具有2.7,5.5V的宽工作电压范围，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，? ? 可满足系统各种工作电压及便携式仪器低功耗的要求。液晶模块显示负电压，也由模线 块提供，从而简化了系统电源设计。模块同时还提供LED背光显示功能。除此之外，? ? 模块还提供了画面清除、游标显示/隐藏、游标归位、显示打开/关闭、显示字符闪烁、? 游标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、液晶睡眠/唤醒、关闭显示等操作? ? 指令。 ? OCM4X8C具有串/并多种接口方式，方便了模块与各种单片机、微处理器的连接。 ? (1)4/8位并行接口方式:当模块的PSB脚接高电平时，模块即进入并行接口? ? 模式。在并行模式下可由功能设定指令的“DL”位来选择8位或4接口方式，主控制? 系统将配合“RS”、“RW”、“E”DB0,DB7来完成指令/数据的传送，其操作时序? ? 与其它并行接口液晶显示模块相同。 ? (2)2/3线串行接口方式:当模块的PSB脚接低电平时，模块即进入串行接口 模式。串行模式使用串行数据线SID与串行时钟线SCLK来传送数据，即构成2线串 行模式。 OCM4X8C还允许同时接入多个液晶显示模块以完成多路信息显示功能。此时，要 利用片选端“CS”构成3线串行接口方式，当“CS”接高电位时，模块可正常接收并 显示数据，否则模块显示将被禁止。通常情况下，当系统仅使用一个液晶显示模块时， “CS”可连接固定的高电平。 共 38 页 第 26 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 单片机与液晶模块之间传送1字节的数据共需24个时钟脉冲。首先，单片机要? 给出数据传输起始位，这里是以5个连续的“1”作数据起始位，如模块接收到连续? ? 的5个“1”，则内部传输被重置并且串行传输将被同步。紧接着，“RW”位用于选? 择数据的传输方向(读或写)，“RS”位用于选择内部数据寄存器或指令寄存器，最? ? 后的第8位固定为“0”。在接收到起始位及“RW”和“RW”的第1个字节后，下一? 个字节的数据或指令将被分为2个字节来串行传送或接收。数据或指令的高4位，被? ? 放在第2个字节串行数据的高4位，其低4位则置为“0”;数据或指令的低4位被? 放在第3个字节的高4位，其低4位也置为“0”，如此完成一个字节指令或数据的? ? 传送。需要注意的是，当有多个数据或指令要传送时，必须要等到一个指令完成执行? 完毕后再传送下一个指令或数据，否则，会造成指令或数据的丢失。这是因为液晶模装 ? 块内部没有发送/接收缓冲区。 ? 12864的接口电路如图3.9所示。 ? 在本设计中通过软件来控制显示，单片机先处理称重数据后显示称重结果，在显? ? 示时通过软件置数使显示身高程序终止，当称重结果显示一定时间后再显示测量身高订 结果，因为称重数据传入是以中断方式，所以现实的时候也有可能先显示身高后显示? ? 体重。显示器显示数据的同时显示“身高”或“体重”，所以不会影响被测量者看测? 量结果。 ? P1? 20线 19VCC18 ? 17VCCRA116RA2? 15RD714? RD613RD5 12? RD411RD310? RD2 9RD18? RD07 RA36? RA45RA54? 3RP12? 1031? Header 20 ? VCC ? ? 图3.9 12864接口电路 3.5 语音播报部分 语音电路采用集成语音芯片进行模块化设计,用单片机控制语音的播放。本系统 采用,ISD1420 单片20 秒高保真语音录放 IC。此芯片由振荡器、语音存储单元、前 置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。ISD1420 芯片具有 录音/放音功能，语音和音频信号以其原本的模拟形式被直接存储到 EEPROM 存储器 中，可以利用单片机对其进行语音的播放控制，完成语音的再现。在本设计中，利用 共 38 页 第 27 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 ISD1420 语音电路对体重和身高测量值进行实时播放。电路原理如图 3.10所示。 ? ISD1420U4 ? D6R22RC0128A0VCCD? 1K RC1227LEDA1REC? RC2326A2XCLK ? RC3425A3RECLEDSW-SPSTS1? RC4524 A4PLAYERC5623? A5PLAYLS2SW-SPST 722? NCNCR235.1K821S3SW-SPSTNCANA OUT? C18RC6920A6ANA IN? 0.1uFR25R26R27RC71019A7AGC 100K100K100K? 1118C20NCMIC REF0.001uF? 1217 VSSDMIC1316? 0.1uFC21VSSAVCCAR28R30 VCC1415MK110K1KSP+SP-装 C23Mic2R29220uFR24? C19 10KC220.1uF470K4.7uF? ? 21ST3ST ? ? 订 图3.10 语音播报电路 ? 3.6 键盘部分 ? ? 本系统中键盘控制采用中断方式实现，利用外部中断RB端口来实现，采用独立? 键盘，根据功能设置只需3个键，分别为置零键、校准键、开关键，电路原理图如图? 线 11所示。 3. ? VCC ? ? ? R31R32R33 ? 10K10K10KS4? RB1 ? 置零键 ? S5RB2 ? 校准键? S6RB3? ? 开关键 ? GND 图3.11 键盘电路 3.7 报警电路 报警电路采用蜂鸣器来实现，当超过电子秤量程时，单片机RE0管脚出现低电平 信号，三极管导通驱动蜂鸣器报警。如图3.12所示: 共 38 页 第 28 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 VCC? ? U6? ? BUZZER ? ? R2 Q1RE0? 2N390410K ? ? ? R3 ? 10K ? ? 装 ? ? 图3.12 报警电路 ? ? ? 3.8 电源电路 订 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3.13所示? ? 为电源电路，它可以为整个系统提供12V、5V的电压。 ? U5? T1D5+12VLM2576-5VCC+5VBridge114? V_IN+FEED_BACK C24L1线 C25C262OUT100pF 22uF/6.3V100uF100pFINDUCTOR1? GON/OFFND4C27C28Trans EqD? C29 351000uF0.1uFDIODE SCHOTTKY? ? ? ? ? 图 3.13 电源电路 ? ? 3.9 硬件低功耗设计 ? 仪器的价值最终体现在其实际应用方面。本文设计的电子秤作为普及型智能仪? ? 器，必须具备可靠性高、操作简单、功耗低等特点。因此，仪器的低功耗设计极其重? 要。选用低(微)功耗器件、设计低功耗电路是降低电子秤功耗的最直接方法和主要设 计原则 3.9.1 低功耗元器件选择 仪器的电路在工作时会受到环境温度的影响以及本身器件过流发热的影响，这是 可靠性设计须注意的问题。本文基于低功耗、低成本、高精确度的设计思想选用芯片， 并且综合考虑了体积、重量、稳定性和通用性等因素。 (1)采用准数字型传感器。本文设计的称重传感器，在一定程度上可以说是数 字传感器。它把输入量转换成频率输出，输出的频率信号不需要进行放大、整流、滤 共 38 页 第 29 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 波、A/D转换等后续信息处理，直接与单片机连接，简化了电路设计，降低了仪器功? 耗，同时提高了仪器的可靠性和响应速度。 ? ? (2)采用COMS型单片机。微处理器本身是便携式智能仪器的主要功耗源。本文采? 用CMOS低功耗PIC单片机作为新型便携式电子秤的信息处理核心单元，功耗极低，? ? 还具有睡眠功能，有利于仪器的低功耗设计。 ? (3)选用微功耗段式LCD显示。段式液晶显示器(LCD)功耗低，显示清晰，体积? ? 小且价格适中。仪器采用的是长沙太阳人电子有限公司专门设计的电子秤显示芯片? SMSO501 C。该芯片是串行数据输入、全静态显示、自带驱动电路的微功耗器件。 ? ? 3.9.2 低功耗电路设计 ? 电路低功耗设计应遵循三相宜原则，即电压宜低不宜高、频率宜慢不宜快、系统装 ? 宜静(态)不宜动(态)。本文的逻辑电路采用了CMOS器件，CMOS器件的功耗特性为 ? ? PPP()=()+()总功耗静态动态totDA ? PVI,,DDDDD? 2订 PVIfCV,,，,,ADDLDD ? ? 可见，影响CMOS器件总功耗的主要因素为电源电压VDD和工作频率f，而且动? 态功耗P，要远大于静态功耗PD，因而CMOS器件功耗的主要控制方法为电源电压控? ? 制、时钟(频率)控制和静态化控制，这也是三相宜原则的主要理论基础。本文从三方线 面做出相应设计。 ? ? (1)降低电源电压，压缩电路动态范围。因为功耗正比于供电电压的平方，所以? 应降低供电电压，压缩电路动态范围。 ? ? (2)降低单片机的时钟频率。单片机的功耗与振荡频率有关，在权衡单片机的运? 算速度后，本文使用较低的时钟频率以降低电流消耗，采用1MHz的时钟频率。 ? ? (3)合理处理芯片引脚。电路采用RC振荡方式，只需在OSC1端连接阻容器件，? 振荡器外接引脚OSC2端闲置。本文将OSC2接地(这不会影响振荡器的正常工作)，以? 防止OSC2处于悬空状态下的杂散信号侵入而引起开关电流。 ? ? ? 共 38 页 第 30 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 第4章 软件设计 ? ? ? PIC16F877A单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、? 表达方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使? ? 用方便等诸多优点。本设计的软件部分采用模块化设计，由主程序、测量体重子程序、 ? 测量身高子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。主程序流程图如图4.1所示。 ? ? 开 始 ? ? ? 单片机初始化 ? 装 测身高 ? ? ? 测体重 ? ? 单片机初始化 订 ? ? 结束 ? ? 图4.1 主程序流程图 ? 线 4.1 称重部分软件设计 ? ? 称重部分采用称重传感器，把非电量转化为电量，经滤波放大处理后，再经PIC ? 单片机自带的A/D转换，送给单片机进行处理。称重主程序流程图如图4.2。 ? ? 测体重入口 ? ? ? 参数初始化 ? ? 转换存储 ? ? ? 参数初始化 返回 图4.2 称重主程序流程图 称重程序清单://主程序 ORG 0500H LIMP TZH ORG 0800H 共 38 页 第 31 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 LJMP TLC2543 ? TZH: MOV P1,#04H ;准备读RB0 ? ? MOV R0,#2FH ;置数据缓冲区 ? CLR RB1 ;置I/O时钟为低 ? ? SETB RB2 ;置CS为高 ? ACALL TLC2543 ;调转换子程序 ? ? ACALL DISPLAY ;调显示子程序 ? SJMP $ ;转换子程序 ? ? TLC2543: MOV A,#0EH ;通道选择和工作模式送A ? CLR RB2 ;置CS为低 装 ? MOV R5,#0CH ;置输出位记数初始 ? LOOP: MOV C,RB1 ;读入转换数据一位 ? ? RLC A ; 将进位位右移给A(将转换数据的一位读入,同时将一位控制位? 移如C 订 ? MOV RC1,C ;送出一位控制位 ? SETB RC0 ;置I/O时钟为高 ? ? CLR RC0 ;置I/O时钟为低 ? CJNE R5,#05H ;LOP1 线 ? MOV @R0,A ;前8位存入RAM ? CLR A ? ? LOP1: DJNZ R5,LOOP ;未转换完继续 ? ANL A,#0FH ;转换完的存入单元 ? ? MOV @R0,A ? MOV R2,#OAH ;延时 ? ? DELAY: DJNZ R2,DELAY ; ? RET ? ? END 4.2 测身高部分软件设计 测量身高采用超声波测量，555定时器产生200ms的40KHZ的方波脉冲，经超声 波传感器发射头发射后，当时间到达后假如仍没有收到反射回来的超声波，则重新发 射超声波，直到收到反射波为止。在这里有一点值得注意，在开机的时候先不要急于 测量，让机器先测量超声波源于人要所站的平面地的距离，并存入单片机的内存单元 1中，当有人测量时，测出的距离为波源于人头顶的距离，并存入内存单元2中，这 时，通过单片机软件设计将1单元的内容2单元的内容即得出人的身高，这样可以保 共 38 页 第 32 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 证测量的准确性。身高数据传入单片机是通过INT0口的中断，一旦数据传入将直接? 处理显示，它可能会中断体重测量的数据处理和显示，但不会影响数据的准确性，它? ? 与体重测量结果的显示不存在先后问题。测量身高的主程序流程图如图4.3。 ? ? 测身高入口 ? ? ? ? 定时中断子程序 ? ? ? N ? 有回波吗, 装 ? Y ? ? ? 外部中断子程序 ? 订 ? ? 返回 ? ? ? 图4.3 测量身高主程序流程图 线 ? 定时服务子程序及中断子程序流程图分别如图4.4、4.5所示 ? 外部中断入口 ? ? 定时中断入口 ? 关外部中断 ? ? 定时器初始化 ? 读取时间值 ? ? 发出超声波 计算距离 ? ? ? 时间到停止发射 结果输出 关外部中断 返回 返回 图4.4 定时子程序 图4.5中断子程序 测量身高程序清单: //主程序 共 38 页 第 33 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 ORG 0300H ? LIMP SHG ? ? ORG 0200H ? LIMP DSH ? ? ORG 0100H ? LJMP RECEIVE1 ? ? ORG 0003H ? LJMP RECEIVE0 ? ? SHG: SETB RC2 ? ACALL DSH 装 ? ACALL RECEIVE1 ? ACALL DISPLAY ? ? ;接收子程序 ? RECEIVE1:PUSH PSW 订 ? PUSH ACC ? CLR EX0 ;关外部中断0 ? ? RETURN: SETB EX0 ;开外部中断0 ? POP ACC 线 ? POP PSW ? ETI ? ? ;中断子程序 ? RECEIVE0:PUSH PSW ? ? PUSH ACC ? CLR EX0 ;关外部中断0 ? ? MOV R7, TH0 ;读取时间值 ? MOV R6, TL0 ? ? CLR C MOV A, R6 SUBB A, #0BBH ;计算时间差 MOV 70H, A MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 69H, A ;计算并存储结果 „„ 共 38 页 第 34 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 SETB EX0 ;开外部中断0 ? POP ACC ? ? POP PSW ? RETI ? ? END ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 共 38 页 第 35 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 第5章 结论 ? ? ? ? 本次毕业设计我做的是智能电子秤的设计，这个系统包括两大部分:测量身高和? ? 测量体重。这两部分的核心部分都是单片机，在上个学期我们已经系统的学习过了单? 片机，所以对单片机的应用还是比较熟练的，并且这次的设计加深了我对单片机内部? ? 结构及功能的认识。测量身高部分主要采用超声波测距原理，对超声波的发射和接收? 都采用超声波传感器UCM40，这在传感器应用课上也有所了解，另外通过查资料我也? ? 对超声波传感器以及传感器的应用有了新的认识。测量体重部分的关键在于称重传感? 器的选择，因为刚开始对压力传感器和称重传感器的认识不够明确，造成一些概念上装 ? 的混乱，使得我在设计过程中走了不少弯路，做了一些无用功。不过这也提醒了我，? 我认为在以后做事前我会先去弄清楚概念性的东西再下手，这样可以既可以缩短工作? 时间又不至于使得自己的思维产生局限性。 ? ? 在者，称重部分放大电路的设计也是一个关键，虽然在测体重是对测量精度的要订 求不是很高，但是这部分的抗干扰设计会影响到整个仪器的抗干扰性能，所以在设计? ? 的时候这部分花费的时间也比较多。 ? 由于整个系统都是靠软件控制，所以编程在这里就显得比较重要了，不过编程是? ? 我的一大弱点，这给软件设计带来很大的困难，在以后我应加强这方面的练习。对于线 画图排版来说，做设计已经不是一次两次，所以也比较熟练了。 ? ? 总之，大四的这次毕业设计设计使我有着很大的收获，更为以后工作岗位上的实? 践作了很好的铺垫。不过，由于自己水平有限，再加上时间仓促，所以设计中难免会? ? 有一些不足之处，恳请老师提出意见。 ? ? ? ? ? ? ? ? 共 38 页 第 36 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 致 谢 ? ? ? ? 历时半载，从选题到搜集资料，从开题报告、写初稿到反复修改，期间经历? ? 了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，在写作论文的过程中心情是如此复杂。如今，伴随着这 ? 篇毕业论文的最终成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。在此要感? ? 谢的人实在太多，首先我要感谢我的指导老师徐老师因为该论文是在徐老师的悉心关 ? 怀和精心指导下完成的。徐老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作? ? 作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人 ? 的人格魅力 对我影响深深。在此次毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文装 ? 提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等每一步都是在徐老师的悉心指导 ? 下完成的。徐老师指引我的论文的写作的方向和架构，并对本论文初稿进行逐字批阅，? 指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给? ? 了我无尽的启迪，他的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。订 最后，我要感谢大学生活，以及我身边同学门的鼓励和帮助，你们是我永远也不能忘? ? 记的朋友，你们的支持与情感，是我永远的财富。 ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 共 38 页 第 37 页 长 春 大 学 基于PIC16F877A智能电子秤的设计 参考文献 ? ? ? ? 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