数显力矩论文摘 要：随着电子技术的不断发展，基于单片机的各种产品已应用到生活的各个角落，本设计是基于AT89S52主控芯片的智能数显力矩设计；配合高精度16位模数转换器ADC0832芯片对于压力力矩传感器采集的数据进行采集和处理，随后交由数码管显示最终结果，同时使用语音芯片播放所得数值，实现高精度力矩测量系统的控制系统。语音播放模块主要使用了ISD1760芯片。目前的高精度力矩仪主要只有单一量程和简单的数码管显示。所以在设计中加入了键盘的人机交互接口和语音播报系统，使得仪器更加人性化，智能化，同时也提高了实用价值，扩大了使用市场。其关键技术包括A/D模数转换，单片机信号处理，数码管显示以及语音播报等技术。 关键词：电子力矩仪，压力力矩传感器，ADC0832，数码管，ISD1760
第一章 绪 论 1.1 力矩技术和衡器的发展 1.2 力矩技术自古以来就被人们所重视，作为一种测量手段，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。数显力矩是电子衡器中的一种，衡器是国家法定测量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的测量设备，衡器产品技术水准的高低，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。力矩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。力矩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。因此，力矩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，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。现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子力矩技术从静态力矩向动态力矩发展：测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，特别是对快速力矩和动态力矩的研究与应用。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智慧化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是力矩测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。数显力矩是电子衡器中的一种，衡器是国家法定测量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的测量设备，衡器产品技术水准的高低，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。 1.2 数显力矩的组成 1.2.1 数显力矩的基本结构 数显力矩是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的数显力矩均由以下三部分组成： （1）承重、传力复位系统 它是被称物体与转换组件之间的机械、传力复位系统，又称数显力矩的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。 （2）力矩传感器 即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换组件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于测量求值的信号所用的一种辅助手段。 按照力矩传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。 对力矩传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。 （3）测量显示和数据输出的载荷测量装置 即处理力矩传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝组件、保护线路等）和指示部件（如显示、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤波、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。 1.2.2 数显力矩的工作原理 当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到力矩传感器，传感器随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。 1.2.3 数显力矩的测量性能 数显力矩的测量性能涉及的主要技术指针有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。 （1）量程：电子衡器的最大称量Max，即数显力矩在正常工作情况下，所能称量的最大值。 （2）分度值：数显力矩的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。 （3）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。 电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max = n ?d （4）准确度等级 国际法制测量组织把数显力矩按不同的分度数分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类等级，分别对应不同准确度的数显力矩和分度数n的范围，如下表1-1所示： 表1.1数显力矩等级分类
1.3设计思路 目前,台式数显力矩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、拉伸变形来实现测量的弹簧秤,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,影响到力矩的准确性和可靠性,只是一种暂时的代用品,也被列入逐渐取消的行列。 微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。本系统在设计过程中，能实现系统的基本功能。系统的微控制器部分选择了兼容性比较好的AT89系列单片机，在系统更新换代的时候，只需要增加很少的硬件电路，甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。另外由于实际应用当中，称可以有一定量的超载，但不能超出要求的范围，为此我们还设计了超载提示和声光报警功能。 综上所述,本课题的主要设计思路是：利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示出来。此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。主要技术指标为：称量范围0～6kg;分度值0.01kg;精度等级Ⅱ级;电源DC1.5V（一节5号电池供电）。 这种高精度智能数显力矩体积小、测量准确、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。
第二章 系统方案论证与选型
按照本设计功能的要求，系统由6个部分组成：控制器部分、测量部分、报警部分、数据显示部分、键盘部分、电路电源部分，系统设计总体方案框图如图2.1所示。 SHAPE \* MERGEFORMAT 图2.1 系统设计框图 测量部分是利用力矩传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，两级直接耦合放大电路）处理后，送入A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。 2.1控制器部分 本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。再则，由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展内存，这样电路也可简化。INTEL公司的8051和8751都可使用，在这里选用ATMENL生产的AT89SXX系列单片机。AT89SXX系列与MCS-51相比有两大优势：第一，片内存储器采用闪速内存，使程序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。此外价格低廉、性能比较稳定的MCPU，具有8K×8ROM、256×8RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求 最后我们最终选择了AT89S52这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。AT89S52内部带有8KB的程序内存，基本上已经能够满足我们的需要。 2.2 数据采集部分 数显力矩的数据采集部分主要包括力矩传感器、处理放大电路和A/D转换电路，因此对于这部分的论证主要分三方面。 2.2.1 传感器的选择 在设计中,传感器是一个十分重要的组件,因此对传感器的选择也显的特别的重要,不仅要注意其量程和参数,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等。 传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。其公式如下： C＝K0×K1×K2×K3×(Wmax＋W)/N （2.1） C—单个传感器的额定量程；W—秤体自重；Wmax—被称物体净重的最大值；N—秤体所采用支撑点的数量；K0—保险系数，一般取值在1.2～1.3之间；K1—冲击系数；K2—秤体的重心偏移系数；K3—风压系数。本设计要求力矩范围0～5kg，重量误差不大于0.01kg，根据传感器量程计算公式（2-1）可知： C＝1.25×1×1.03×1×（20＋1.9）／1 (2-2) ＝9.01205 为保证数显力矩称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。在实际工作中，要求力矩传感器的有效量程在20%～80%之间，线性好，精度高。重量误差应控制在±0.01Kg，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，根据式2.1的计算结果，所以我们确定传感器的额定载荷为7.5Kg，允许超载为150%F.S，精度为0.05%，最大量程时误差 综合考虑,本设计采用电阻应变式传感器,其最大量程为10Kg.力矩传感器由组合式S型梁结构及金属箔式应变计构成，具有超载保护装置。由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，所以该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点，广泛用于各种结构的动、静态测量及各种数显力矩的一次仪表。该力矩传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，其工作原理如图2.2所示：
图2.2 传感器工作原理图 表2.1 压力传感器主要技术指标
其测量原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。由于内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出：
2.2.2放大电路选择 力矩传感器输出电压振幅范围0～20mV。而A/D转换的输入电压要求为0～2V，因此放大环节要有100倍左右的增益。对放大环节的要求是增益可调的（70～150倍），根据本设计的实际情况增益设为100倍即可，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。按照输入电压20mV，分辨率20000码的情况，漂移要小于1μV。由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（±1μV），从而保证了放大环节对零点漂移的要求。残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。 由2.2.1中力矩传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成ΔR/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120Ω，灵敏系数 K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000ε，应变电阻相对变化量为： ΔR/R = K×ε= 2×1000×10－6 =0.002 (2-4) 由式2-3可以看出电阻变化只有0.24Ω，其电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A/D转换芯片接收的信号。在前级处理电路部分，我们考虑可以采用以下几种方案： 方案一：利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路； 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A/D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：主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路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。，其设计电路如图2.3所示：
图2.3 利用普通运放设计的差动放大器 方案三：采用专用仪表放大器，如：INA126，INA121等构成前级处理电路。下面举例用INA128仪用仪表放大器来实现。一般说来，集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器。然而，绝大多数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。而集成化仪器放大器作为心电前置放大器时，由于极化电压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。有学者试图在前置放大器的输入端加上隔直电容（高通网络）来避免极化电压使高增益的前置放大器进入饱和状态，但由于信号源的内阻高，且两输入端不平衡，隔直电容（高通网络）使等共模干扰转变为差模干扰，结果适得其反，严重地损害了放大器的性能。 为了实现信号的放大，设计电路如下：
图2.4 采用INA128设计的放大电路 1. 前级采用运放A1和A2组成并联型差动放大器。理论上不难证明，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。更值得一提的是，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。 2． 阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容组件参数不对称（匹配）导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。 3. 后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。从理论上计算整个电路的共模抑制比为：
式中：CMRTotal或CMRRTotal－放大器的总共模抑制比；CMR1－第一级放大器的共模抑制比；CMR2或CMRR2－第二级放大器的共模抑制比；A1d、A1c、A2d和A2c－分别为第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。 经过实际测量，图2.4所示的电路采用图中所给出的参数时，电路的共模抑制比在120dB以上。 有以上分析以及基于数显力矩的要求精确度不是很高，所以选择由普通放大器所组成的两级直接耦合放大器作为本设计的信号放大电路。 2.2.3 A/D转换器的选择 A/D转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。目前，世界上有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC，也有近年来新发展起来的∑-Δ型和流水线型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。目前， ADC集成电路主要有以下几种类型： （1）并行比较A/D转换器：如ADC0808、 ADC0809等 。并行比较ADC是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1GSPS以上，通常称为“闪烁式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。缺点是：并行比较式A/D转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位，因此并行比较式A/D只适合于数字示波器等转换速度较快的仪器中，不适合本系统。 （2） 逐次逼近型A/D转换器：如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法，这一类型ADC的优点：高速，采样速率可达 1MSPS；与其它ADC相比，功耗相当低；在分辨率低于12位时，价格较低。缺点：在高于14位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。 （3）积分型A/D转换器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，是应用比较广泛的一类转换器。它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。积分型ADC两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压VR。此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减小到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。其优点是：分辨率高，可达22位；功耗低、成本低。缺点是：转换速率低，转换速率在12位时为100～300SPS。 （4）压频变换型ADC：其优点是：精度高、价格较低、功耗较低。缺点是：类似于积分型ADC，其转换速率受到限制，12位时为100～300SPS。 （5）串行比较A/D转换器:如ADC0832，ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 0~5V 之间。芯片转换时间仅为 32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过 DI 数据输入端，可以轻易的实现信道功能的选择。 考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合，对精度和转换速率的要求，串行 A/D转换器精度高，芯片转换时间快，双数据输入作为数据验校能减少误差，转速高且稳定，又能实现多通道的选择。根据系统的精度要求以及综合的分析其优点和缺点，本设计采用了8位A/D转换器AD0832。 2.2.4 键盘处理部分方案论证 由于数显力矩需要设置单价（十个数字键），还具有确认、删除等功能，总共需设置17个键（包括一个复位键）。键盘的扩展有使用以下方案： 采用矩阵式键盘：矩阵式键盘的特点是把检测线分成两组，一组为行线，一组列线，按键放在行线和列线的交叉点上。图2.4给出了一个4×4的矩阵键盘结构的键盘接口电路，图中的每一个按键都通过不同的行线和列线与主机相连这。4×4矩阵式键盘共可以安装16个键，但只需要8条测试线。当键盘的数量大于8时，一般都采用矩阵式键盘：
图2.5 矩阵式键盘 结合本设计的实际要求，16个按键使用4×4矩阵式键盘，另外一个复位键使用独立式按键实现。 2.3显示电路部分的选择 数据显示是数显力矩的一项重要功能，是人机交换的主要组成部分，它可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。数据显示部分可以有以下两种方案供选择。的组成有以下两种方案可供选择：一是 LED数码管显示,二是LCD液晶显示两种选择。LCD液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表到计算器，从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器。我们在此设计中需要显示的东西较多，需要的数码位较多，所以选择LCD液晶显示器。 2.4超量程报警部分选择 智能仪器一般都具有报警和通讯功能，报警主要用于系统运行出错、当测量的数据超过仪表量程或者是超过用户设置的上下限时为提醒用户而设置。在本系统中，设置报警的目的就是在超出数显力矩测量范围时，发出报警信号同时发光二极管发光，提示用户，防止损坏仪器。超限报警电路是由单片机的I/O口来控制的，当力矩物体重量超过系统设计所允许的重量时，通过程序使单片机的I/O值为高电平，从而三极管导通，使蜂鸣器SPEAKER发出报警声，同时绿色的发光二极管发光。 2.5 时钟芯片的选择 流行的串行时钟电路有很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。而在数显力矩设计中则采用了DS1302时钟电路，它是一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。是高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路。对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信。DS1302 是由DS1202 改进而来，增加了以下的特性双电源管脚用于主电源和备份电源供应Vcc1 为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器。其引脚图如下： 图2.6 DS1302引脚图 管脚描述： X1 ，X2 ：32.768KHz 晶振管脚 GND ：地 RST ：复位脚 I/O ：数据输入/输出引脚 SCLK ：串行时钟 Vcc1,Vcc2 ：电源供电管脚 DS1302 内部寄存器 CH: 时钟停止位寄存器2的第7位12/24 小时标志 CH=0 振荡器工作允许bit7=1,12 小时模式 CH=1 振荡器停止bit7=0,24 小时模式 WP: 写保护位寄存器2 的第5 位:AM/PM 定义 WP=0 寄存器数据能够写入 AP=1 下午模式 WP=1 寄存器数据不能写入 AP=0 上午模式 TCS: 涓流充电选择 DS: 二极管选择位 TCS=1010 使能涓流充电 DS=01 选择一个二极管 TCS=其它 禁止涓流充电 DS=10 选择两个二极管 DS=00 或11, 即使TCS=1010, 充电功能也被禁止 2.6 温度传感器的选择 由于抗干扰能力强，我们采用新型数字温度传感器DS18B20，它具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中能取得良好的测温效果。DS18B20具有以下性能特点： 1．单线结构，只需一根信号线和CPU相连。 2. 不需要外部元件，直接输出串行数据。 3. 可不需要外部电源，直接通过信号线供电，电源电压范围为3.3V～5V。 4．测温精度高，测温范围为：一55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±O.5℃。 5．测温分辨率高，当选用12位转换位数时，温度分辨率可达0．0625℃。 6．数字量的转换精度及转换时间可通过简单的编程来控制：9位精度的转换时间为93．75 ms：10位精度的转换时间187.5ms：12位精度的转换时间750ms。 7.具有非易失性上、下限报警设定的功能，用户可方便地通过编程修改上、下限的数值。 8．可通过报警搜索命令识别哪片DS18820采集的温度超越上、下限。 所以我们采用该温度传感器进行温度的采集。
第三章 硬件电路设计 根据设计要求与设计思路，此电路由一块AT89S52、按键输入电路、时钟电路、温度采集电路、放大电路、LCD液晶显示器电路、语音播报电路、蜂鸣器电路组成。 在本系统中用于称量的主要器件是力矩传感器（一次变换组件），力矩传感器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到不同压力或拉力使产生的电信号也随着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。由于力矩传感器一般的输出范围为0～20mV，对A/D转换或单片机的工作参数来说不能使A/D转换和单片机正常工作，所以需要对输出的信号进行放大。由于传感器输出的为模拟信号，所以需要对其进行A/D转换为数字信号以便单片机接收。单片机根据力矩传感器输出的电信号计算出物体的重量。 在本系统中，硬件电路的构成主要有以下几部分： AT89C52的最小系统构成、电源电路、数据采集、键盘电路等。 3.1 AT89S52的最小系统电路 3.1.1单片机芯片AT89S52介绍 单片机采用MCS-51系列单片机。由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 内存。使用Atmel 公司高密度非易失性内存技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。 AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）埠，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序内存在系统可编程，亦适于常规编程器。其将通用的微处理器和Flash内存结合在一起，特别是可反复擦写的Flash内存可有效地降低开发成本。其芯片引脚图如上图所示。
图3.1 AT89S52引脚图
3.1.2.单片机管脚说明 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序内存或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示： 表3.1 P3.0口引脚菜单
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部内存时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序内存的选通信号。在由外部程序内存取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序内存（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序内存。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序内存。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.1.3 AT89S52的最小系统电路构成 AT89S52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。 当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。 上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。 系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。
图3.2 AT89S52原理图
3.2 数据采集部分电路设计 数据采集部分电路包括传感器输出信号放大电路、A/D转换器与单片机接口电路。 3.2.1 传感器和其外围以及放大电路设计 传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确使用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。因此传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关键环节。 传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，由于惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决力矩传感器的补偿问题等，又因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以在本设计中选用最终方案我们选择的是CZAF—608力矩传感器，额定载荷6Kg，该力矩传感器均采用全桥式等臂电桥。 由于传感器输出的电压信号很小，是mV级的电压信号，因此为了提高系统的抗干扰能力，在传感器外围电路的设计过程中，增加了由普通运放设计的两级直接耦合放大电路，增益调节电阻Rg选用10K 电阻，是为了满足系统抗干扰的要求而设计。 这是一个电阻应变片式力矩传感器，将电阻应变片贴在金属的弹性体（即力敏感器）上，并连接成一差动全桥电路。电阻应变片实心轴沿轴向线应变为：
实心轴沿圆周向线应变为：
金属材料的电阻相对变化公式为：
把3-1、3-1代入3-3可以得到其输出电压为：
其中F为压力（即重物重量）A为受力面积E为弹性材料的弹性模量。如果在电阻的两侧都加入应变片，则其输出为
SP20C-G501的输出电压为1-5V相应压力为1-50KPa。供电电流变动会直接影响传感器的输出电压，因此希望电流变动要小。此外，增大或减小驱动电流可调整输出电压，但电流过小，输出电压降低同时抗噪声能力减弱；电流过大，会使传感器发热等，将对传感器特性影响加大。因此在电路中使用1mA的驱动电流。即使用的电流为1mA左右。电路中，采用通用运算放大器LM324，由稳态二极管VS提供2.5V的输出电压经电阻R2和R3分压得到基准电压，作为运放A1输入电压，并供给1mA的电流。传感器的驱动电流流过基准电阻R4，其上的压降等于输入电压。 R13和R14为失调电压的温度补偿电阻，阻值选择500k 而有式(3-5)得三运放放大电路的输出信号与输入信号的关系式为：
通过上式可以看出，放大系数为
代入数值可以计算出，其放大系数在70～150之间，完全符合设计要求。 有(3-6)可以得到电桥输入电压U0与被测重量x成正比，即
式中： 3.2.2 A/D转换芯片与AT89S52单片机接口电路设计 ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双信道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高。ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现信道功能的选择。ADC0832采用8脚双列直插标准封装，其引脚图如3.3所示: 图3.3 ADC0832引脚图 芯片接口说明： CS：片选使能，低电平使能。 CHO：模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 CH1：模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 GND：芯片参考电位0。
DI：数据信号输入，选择通道控制。 DO：数据信号输出，转换数据输出。 CLK：芯片时钟输入。 VCC／REF：电源输入及参考电压输入。电路接线图如3.4所示：
图3.4 ADC0832与单片机的连线图 当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和 DO/DI 的电平可任意。当要进行 A/D 转换时，须先将 CS 使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯 片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲，DO/DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号。在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平，表示启始信号。在第 2、3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功能。 当此 2 位数据为“1”、“0”时，只对 CH0 进行单通道转换。当 2 位数据为“1”、“1”时，只对 CH1 进行单通道转换。当 2 位数据为“0”、“0”时，将 CH0 作为正输入端 IN+，CH1 作为负输入端 IN-进行输入。当 2 位数据为“0”、“1”时，将 CH0 作为负输入端 IN-，CH1 作为正输入端 IN+进行输入。到第 3 个脉冲的下沉之后 DI 端的输入电平就失去输入作用，此后 DO/DI端则开始利用数据输出 DO 进行转换数据的读取。从第 4 个脉冲下沉开始由 DO端输出转换数据最高位 DATA7，随后每一个脉冲下沉 DO 端输出下一位数据。直到第 11 个脉冲时发出最低位数据 DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第 11 个字节的下沉输出 DATD0。随后输出 8 位数据，到第 19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次 A/D 转换的结束。最后将 CS 置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理。
3.2.3 测量算法 A/D转换结果D与被测量x存在以下关系：
式中：S——传感器及其测量电路的灵敏度（即被测量X转换成电压U的转换系数） K——放大器的放大倍数 而被测量X总是以其测量数字N和测量单位x1表示
将式（3-10）代入（3-9）得
由上式可见只要满足以下条件
就可以使A/D转换结果D与被测量x的数值N相等，即D=N，在这种情况下将A/D转换结果作为被测量的数值传送到显示器显示出来。 3.3显示电路与AT89S52单片机接口电路设计 在2.3显示电路论证中，本设计采用是LCD显示。在LCD驱动时，需在段电极和公共电极上施加交流电压。若只在电极上施加DC电压时，液晶本身发生劣化。液晶驱动方式包括静态驱动、动态驱动等驱动方式。 图3.5 显示电路与单片机接口 3.4键盘电路与AT89S52单片机接口电路设计 矩阵式键盘的结构与工作原理： 在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。 矩阵式键盘的按键识别方法 ：确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。判断键盘中有无键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。 判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。 在本系统中键盘采用矩阵式键盘并采用中断工作方式。键盘为4 X 4键盘，包括0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、十个数字及确认和清除键。采用中断工作方式提高了CPU的利用效率，没键按下时没有中断请求，有键按下时，向CPU提出中断请求，CPU响应后执行中断服务程序，在中断程序中才对键盘进行扫描。下图就是键盘电路与AT89S52单片机接口电路图。
图3.6键盘电路与AT89S52单片机接口电路图 3.5报警电路的设计
图3.7报警电路图 当电路检测到力矩的物体超过仪器的测量限制时，将产生一个信号给报警电路。使报警电路报警从而提醒工作人员注意，超限报警电路如图3.9所示。 它是有89S52的P1.4口来控制的，当超过设置的重量时（6Kg），通过程序使P1.4口值为高电平，从而使三极管导通，报警电路接通，使蜂鸣器SPEAKER发出报警声。由于持续的声音不能够引起人们的关注，所以本系统的报警电路采用间断的声音和频闪的灯光来实现。这一任务的实现主要靠程序来完成，在此不再赘述。 第四章 系统软件设计 程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法。其步骤可概括为以下三点： ⑴ 分析系统控制要求，确定算法：对复杂的问题进行具体的分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的步骤。这是能否编制出高质量程序的关键。 ⑵ 根据算法画流程图：画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。 ⑶编写程序：根据程序框图所表示的算法和步骤，选用适当的指令排列起来，构成一个有机的整体，即程序。 程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法。结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，特别是限制转向语句(或指令)的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、下文顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错误和易于修改、调试。根据系统的控制任务，本系统的软件设计主要由主程序、初始化程序、显示子程序、数据采集子程序和延时程序等组成。 4.1 软件设计思路 要实现一个数显力矩系统，仅仅依靠硬件电路，难度是非常大的，而且费时费力，成本相当高；而且在前面的硬件设计中已经采用了单片机作为主控芯片，而单片机的最大优势就在于，它可以通过软件设计来实现各种硬件功能，这样大大节省了在硬件方面的开销，而且硬件电路简单，在将来制板、焊接时都会降低了工作难度。 软件设计一般按照以下的步骤：首先对设计要求进行分析，对软件总体流程进行大概的分析，并将其分为各个独立的子模块；然后分别对各个子模块进行更加详细的分析，列出若干种可行的设计方案进行比较；接着在确定子模块设计方案后，对其工作流程进行设计；最后选择一种编程语言，按照各子模块流程图编写子程序，并最终按照软件总体流程图将各个子程序整合在一起，从而实现系统的所有功能。 4.2 软件设计语言 方案一：采用汇编语言，汇编语言是直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互，它能够直接访问与硬件相关的存储器；能够根据特定的应用对代码做最佳的优化，提高运行速度；能够最大限度地发挥硬件的功能。但是汇编语言在编写代码时很难懂，不好维护；难于调试，开发效率低，时间长。故不选用汇编语言作为开发语言。 方案二：采用C语言，C语言作为中级语言，允许对位、字节和地址这些计算机功能中的基本成分进行操作。C语言程序非常容易移植，重用性好；C语言是结构化语言，利于开发和维护。故选用C语言作为开发语言。 4.3 主程序设计 4.3.1 系统整体流程 系统的整体功能的实现是通过各个模块来实现，各个模块的实现是通过调用子程序，系统执行程序是从程序的主程序处开始执行，在主程序中调用各个子程序，实现各个功能模块。在整体的流程中先实现重量采集模块；再实现放大模块，然后是AD转换模块。主程序流程图如图4.1所示，主程序程序代码见附录。
图4.1 主程序流程图 4.3.2 子模块功能介绍 整个软件设计包括以下几个子模块：系统初始化、重量采集模块、模拟信号放大模块、AD模数转换模块，时钟模块，温度采集模块，语音模块，各模块下又有若干子程序：系统初始化模块主要负责上电后对系统的各种初始化操作，包括系统自检子程序和定时器初始化子程序；重量采集模块主要负责把所称物体的重量转化为电信号，重量采集实现对外部信号的采集来调用子程序；信号放大模块主要通过对转换后的电信号进行放大，通过2个OP07芯片组成两级直接耦合放大电路。功能模块即实现各功能的模块（即是时钟，温度采集，语音模块），包括初始化子程序、定时器中断子程序。 4.3.3 A/D转换启动及数据读取程序设计 A/D转换子程序主要是指在系统开始运行时，把力矩传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机所涉及到的程序设计。设计流程图如图： 图4.2 转换电路流程图 4.3.4 显示子程序设计 4.3.5 键盘扫描子程序的设计 4.3.6 报警子程序的设计
结 论
随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次设计中的半桥数显力矩就是在以上仪器的基础上设计而成的。因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。 首先是传感器的精密度，它将直接影响数显力矩的力矩准确度。课设时由于传感器发出的信号不是很稳定，所以力矩时误差很大。如果使用精密度较高的传感器，效果会好的多。 其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，然后进行A/D转换。该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。还有就是进行数据处理时，选取适当的数据转换系数，使输出满足量程要求。
参 考 文 献 [1]赵茂泰 智能仪器原理及应用[M].北京：电子工业出版社.2004： [2]张毅刚 MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2003： [3]贾伯年,俞朴.传感器技术[M].东南大学出版社.2000： [4]单成祥 传感器理论设计基础及其应用[M].北京：国防工业出版社，1999： [5]李道华,李玲，朱艳 传感器电路分析与[M].武汉：武汉大学出版社，2000： [6]沙占友,王彦朋等 智能传感器系统设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2004.6 [7]何希才,薛永毅 传感器及其应用实例[J].北京：机械工业出版社，2004.1 [8]李群芳 单片机微型计算机与接口技术[M].电子工业出版社. [9]周立功 单片机实验与实践[M].北京航空航天大学出版社.2004.6 [10]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编[J].北京理工大学出版社.2005.11 [11]何立民 单片机高级教材[M].北京：航空航天大学出版社.2000 [12]童诗白,华成英 模拟电子技术基础[M]. 北京：北京高等教育出社.2001 [13]程林 超省电型数显力矩的设计方案[J].福建：福建省测量科学技术研究所. 2008.3 [14] Leoj.scanlon:“Assembly Language programming with the IBM PC AT”Brady Communica Yion Company.,Inc.,1986:39-57. [15] Donna N.Tabler:“IBM PC Assembly language” John Wiley&Sons.Inc.,1985:86-98. [16] http://www./
附录 附录1:原理图如下：
附录2:PCB图放大电路如下：
附录3:PCB图如下
附录4：系统程序 |
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0.01kg，可以满足本系统的精度要求。
（2-3）
( 2-5)
