1、哈爾濱理工大學學士學位論文- -大學學士論文：基于PSD電子秤電路設計電子秤是日常生活中常用的電子衡器，是衡器的一種，是利用胡克 定律或力的杠桿平衡原理測定物體質量的工具，廣泛應用于超市、大 中型商場、物流配送中心。電子秤在結構和原理上取代了以杠桿平衡為原 理的傳統機械式稱量工具。相比傳統的機械式稱量工具，電子秤具有稱量 精度高、裝機體積小、應用范圍廣、易于操作使用等優點，在外形布局、 工作原理、結構和材料上都是全新的計量衡器。電子稱量裝置電子秤、電 子天平等以其準確、快速、方便、顯示直觀等諸多優點而受到人們的青 睞，所以電子秤替代機械秤是發展的趨勢。而目前市場上電子秤產品的整 體水平不高，部

2、分小型企業產品質量差且技術力量薄弱，設備不全，缺乏 產品的開發能力，產品質量在低水平徘徊。因此，有針對性地開發出一套 有實用價值的電子秤系統，從技術上要克服上述諸多缺點，改善電子秤系 統在應用中的不足之處，具有現實意義。該設計以單片機為控制核心，實現電子秤的基本控制功能，并且以位 置敏感傳感器作為稱重傳感器的電子稱電路計。我們選用了TI公司的MSP430系列中的MSP430F135單片機（內置12位A/D轉換器）用于完 成數據米集、運算、顯示及控制等工作。關鍵詞 單片機；PSD;位置敏感傳感器；放大器；數模轉換ased on PSD Electronic Scale DesignAbstrac

3、tElectr onic scales is com monly used electr on weigh ing apparatusi n daily life, is a kind of instruments, is to use Hooker law or the lever principle of bala nce of force as determ in ati on of the quality of the object tools. widely used in supermarket, large and medium-sized stores, logistics d

4、istribution center, Electronic scales in the structure and principle of the substituted with the prin ciple of lever bala nce for traditi onal mecha ni cal weighi ng tools. Compared with the traditional mechanical weighing tools, electronic scales has to weigh the high precisi on, small volume, in s

5、talled the applicati on ran ge, easy to operate ,etc, and in shape layout, working principle, structure and material are new measuring instruments. Electronic weighing device electronic scale, electronic balance to its accurate, rapid and convenient, direct display a lot of adva ntage and get the fa

6、vour of people, so electr onic scales alter native mach inery scale is the trend of the developme nt. And on the market at prese nt the whole product micro-electronic level is not high, some small enterprise poor product quality and technical force is weak, the equipment is not complete, lack of pro

7、duct development ability, quality of products wander at a low level. So, have specific aim to develop a set of have the practical value of the electr on bala nce system, from tech no logy to overcome the disadva ntages the above, improve the electron balance system in the defects of the application,

8、 have realistic sig nifica nce.This design with Single-chip microcomputer as control core, realize the basic con trol function electr onic scales, and with displaceme nt sen sor sen sitive as weighi ng tran sducer electr onic scales circuit desig n.We select MSP430F135 mcu of TI s MSP430 family (12b

9、it A/D in side) to acquire in formatio n, calculate, display, con trol, etc.哈爾濱理工大學學士學位論文-iii -Keywords single-chip microcomputer； PSD； displacement sensorsensitive； amplifier ； analog-to-digital conversion哈爾濱理工大學學士學位論文- V -哈爾濱理工大學學士學位論文- IV -目錄 TOC o 1-5 h z 摘要IAbstractII HYPERLINK l bookmark4 o Cu

10、rrent Document 第1章緒論1. HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.1課題背景1. HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.2課題研究的目的和意義1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.3電子秤的組成2. HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 1.3.1電子秤的基本結構2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1.3.2電子秤的工作原理3 HY

11、PERLINK l bookmark16 o Current Document 1.3.3電子秤的計量性能 3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.4設計思路4. HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第2章系統方案論證與選型5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.1控制器部分5. HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2.2數據采集部分 6. HYPERLINK l bookmark26 o Cur

12、rent Document 2.2.1傳感器的選擇 PSD光電位置傳感器 6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.2.2放大電路的介紹7. HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 2.3顯示電路部分的選擇1.1 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.4超量程報警部分選擇1.1 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 2.5本章小結11 HYPERLINK l bookmark36 o Current Doc

13、ument 第3章硬件電路設計12 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3.1 TI公司MSP430單片機簡介12 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 3.1選用MSP430的原因 13 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 3.1.1單片機與放大電路的接口 14 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3.1.2單片機與按鍵的接口 1.5 HYPERLINK l bookmark46 o Current Do

14、cument 3.1.3單片機與顯示電路的接口 16 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 3.1.4復位電路的設計 16 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 3.2電源電路設計17 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3.3數據采集電路設計18 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document PSD器件的工作機理1.8 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document MSP430F

15、135單片機的 A/D 轉換1 9 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3.4報警電路的設計20 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3.5本章小結20 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 第4章系統軟件設計 21 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 4.1主程序設計 21 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 4.2子程序設計 21421 A/D轉換啟動及數

16、據讀取程序設計 22 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 4.2.2顯示子程序設計 24 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 4.2.3報警子程序的設計 24 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 4.3本章小結25 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 結論26 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 致謝27 HYPERLINK l bookmark78 o C

17、urrent Document 參考文獻28 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 附錄A英文文獻29 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 附錄B中文翻譯3.4附錄C整體電路43哈爾濱理工大學學士學位論文- -第1章緒論1.1課題背景本課題研究的是基于PSD電子秤電路設計。物體重量是實際應用中非 常重要的物理量，所以它的測量工具在工作和生活中經常被使用。利用作用于物體上的重力來測量該物體質量的計量儀器稱做秤。物品稱量是市 場交易中很基本的活動，是商業領域最基本的衡具。電子秤是衡器的一種，人類最早使用的

18、衡器是原史天平約在公元前 5000年，埃及就已使用等臂天平秤。它是在簡易杠桿中點設一支點，在杠 桿一端的盤（鉤）上放置被測物，在另一端的盤上逐個放置形狀、質量一 樣的物體，當這種裝置平衡時，就意味著兩邊的質量相等，并可從左端物 體的個數確定右端被測物的質量，中國杠桿的應用歷史也比較悠遠。傳統 的量具是桿秤或盤秤，隨著電子技術的飛速發展，20世紀70年代開始出現了電子秤。二十世紀初期外國人將金屬質電子秤帶進我國。據載，我 國于1918年出現了修理外國電子秤的作坊。當時英國人到中國來進行貿 易，貨船自帶電子秤，電子秤損壞了由中國工人為他們修理，但控制很嚴 格，不準仿造。后來我們掌握了技術，于192

19、2年在上海開始仿造，首家廠名為“岑南德記臺秤修理廠”；1926年南洋華僑陶志祖先生在上海開辦“陶記磅臺秤修理制造廠”，修理并制造臺秤，秤的承重件都是鑄造的，標尺是鑄銅件，承重轉換件為“球式”；1931年日本產品進入中國，他們用的承重轉換件為“刀式”，由鑄刀改為鑲刀。早期的電子秤多通過模擬電路實現，隨著電子技術的不斷發展，數字芯片的價格下降， 模擬控制已經逐步被數字控制所代替。在科學技術高速發展的今天，如何用簡單便宜，性能良好的元器件制 造出對人類生活有用的產品，已經成為人們研究的主要趨勢數字電子秤在 各種生產領域和人民日常生活中得到廣泛應用。1.2課題研究的目的和意義衡器廣泛用于工業、農業、商

20、業、科研、醫療衛生等部門。衡器是利 用力的形變平衡原理（胡克原理）或力的杠桿平衡原理測定物體質量 的。形變平衡根據被測物自身重量所引起的彈性體形變量來測定被測物質 量，形變量隨著重力加速度的變化而變化；杠桿平衡根據標定砝碼重量與 被測物重量在杠桿上的平衡來測定被測物質量。杠桿平衡與重力加速度的 變化無關，但在重力加速度等于零時，衡量失效。衡器主要由承重系統 （如秤盤）、傳力轉換系統（如杠桿傳力系統）和示值系統（如刻度盤） 三部分組成。衡器按照結構和原理可分為三大類：機械秤、電子秤、機電 結合秤。衡器產品技術水平的高低，將直接影響各行各業的現代化水平和 社會經濟效益的提高。稱重裝置的應用已遍及到

21、國民經濟各領域，取得了 顯著的經濟效益。因此，稱重技術的研究和衡器工業的發展各國都非常重 視。衡器發展的重點是電子衡器。60年代初期出現機電結合式電子衡器以 來，經過40多年的不斷改進與完善，我國電子衡器從最初的機電結合型 發展到現在的全電子型和數字智能型。現今電子衡器制造技術及應用得到 了新發展。電子稱重技術從靜態稱重向動態稱重發展：計量方法從模擬測 量向數字測量發展；測量特點從單參數測量向多參數測量發展，特別是對 快速稱重和動態稱重的研究與應用。通過分析近年來電子衡器產品的發展 情況及國內外市場的需求，電子衡器總的發展趨勢是小型化、模塊化、集 成化、智能化；其技術性能趨向是速率高、準確度高

22、、穩定性高、可靠性 高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功 能；其應用性能趨向于綜合性和組合性。生產工藝，質量保證，可靠性考 核等規模生產中的關鍵技術與工藝，提高批量生產能力，使我國的民族衡 器工業走上健康持續發展的軌道。1.3電子秤的組成電子秤主要由承重系統（如秤盤、秤體）、傳力轉換系統（如杠桿傳力系統、傳感器）和示值系統（如刻度盤、電子顯示儀表）三部 分組成。1.3.1電子秤的基本結構電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質量（重量）的測量儀器， 也可用來確定與質量相關的其它量大小、參數、或特性。不管根據什么原 理制成的電子秤均由以下三部分組成：（1）承重、傳力復位

23、系統它是被稱物體與轉換元件之間的機械、傳力復位系統，又稱電子秤 的秤體，一般包括接受被稱物體載荷的承載器、秤橋結構、吊掛連接部件 和限位減振機構等。（2）光電位置傳感器高靈敏度光電位置傳感器 PSD（ Position Sensitive Detector ）是一種新 型的光電器件，或稱為坐標光電池，它是一種非分割型器件，可將光敏面 上的光點位置轉化為電信號。當一束光射到 PSD的光敏面上時，在同一面 上的不同電極之間將會有電流流過，這種電壓或電流隨著光點位置變化而 變化的現象就是半導體的橫向光電效應。因此利用PSD的PN結上的橫向光電效應可以來檢測入射光點的照射位置。它不像傳統的硅光電探測器

24、只能 作為光電轉換、光電耦合、光接收和光強測量等方面的應用；而能直接用 來測量位置、距離、高度、角度和運動軌跡等。它與陣列式圖像傳感器也 不一樣，不像固態圖像傳感器的測量表面由于敏感單元有一定大小而存在 死區；PSD器件能連線檢測光點的位置，沒有死區，分辨力高，適配電路 簡單等特點；正日益引起人們的重視 。（3）測量顯示和數據輸出的載荷測量裝置即處理稱重傳感器信號的電子線路（包括放大器、模數轉換、電流源 或電壓源、調節器、補償元件、保護線路等）和指示部件（如顯示、打 印、數據傳輸和存貯器件等）。這部分習慣上稱載荷測量裝置或二次儀 表。在數字式的測量電路中，通常包括前置放大、濾濾、運算、變換、計

25、 數、寄存、控制和驅動顯示等環節。1.3.2電子秤的工作原理電子秤采用現代傳感器技術、電子技術和計算機技術一體化的電子稱 量裝置，才能滿足并解決現實生活中提出的快速、準確、連續、自動稱量 要求，同時有效地消除人為誤差，使之更符合法制計量管理和工業生產過 程控制的應用要求。首先是通過壓力傳感器采集到物體重量的變化，并將 其轉換成電壓信號。輸出電壓信號通常很小，需要通過前端信號處理電路 進行準確的線性放大。放大后的模擬電壓信號經 A/D轉換電路轉換成數字 量被送入到主控電路的單片機中，再經過單片機控制譯碼顯示器，從而顯 示出被測物體的重量。1.3.3電子秤的計量性能電子秤的計量性能涉及的主要技術指

26、標有：量程、分度值、分度 數、準確度等級等。（1） 量程：電子衡器的最大稱量Max，即電子秤在正常工作情況 下，所能稱量的最大值。（2）分度值：電子秤的測量范圍被分成若干等份，每份值即為分度 值。用e或d來表示。（3）分度數：衡器的測量范圍被分成若干等份，總份數即為分度數 用n表示。電子衡器的最大稱量 Max可以用總分度數n與分度值d的乘積來表 示，即 Max = n ?c。（4）準確度等級國際法制計量組織把電子秤按不同的分度數分成I、U、M、W四類 等級，分別對應不同準確度的電子秤和分度數 n的范圍，如下表1所示：表1電子秤等級分類標志及等級電子秤種類分度數范圍特種準確度基準衡器n 100

27、000高準確度精密衡器10 000 nw 100 000中準確度商業衡器1 000 nw 10 000普通準確度粗衡器100 n w 1 000電子稱技術指標：測量范圍：0 1000g測量精度：1g1.4設計思路目前，臺式電子秤在商業貿易中的使用已相當普遍，但存在較大的局 限性：體積大、成本高、需要工頻交流電源供應、攜帶不便、應用場所受 到制約。現有的便攜秤為桿秤或以彈簧、拉伸變形來實現計量的彈簧秤， 居民用戶使用的基本是桿秤。彈簧盤秤制造工藝要求較高，彈簧的疲勞問 題無法徹底解決，一旦超過彈簧彈性限度，彈簧秤就會產生很大誤差，以 至損壞，影響到稱重的準確性和可靠性，只是一種暫時的代用品，也被

28、列 入逐漸取消的行列。微控制器技術、傳感器技術的發展和計算機技術的廣泛應用，電子產 品的更新速度達到了日新月異的地步。本系統在設計過程中，系統的微控 制器部分選擇了兼容性比較好的 MSP430系列單片機，在系統更新換代的 時候，只需要增加很少的硬件電路，甚至僅僅刪改系統控制程序就能夠實 現。另外由于實際應用當中，稱可以有一定量的過載，但不能超出要求的 范圍，為此我們還設計了過載提示和聲光報警功能。綜上所述，本課題的主要設計思路是：利用光電位置傳感器采集因位 移變化產生的電壓信號，經過電壓放大電路放大，然后再經過數模轉換器 轉換為模擬信號，最后把模擬信號送入單片機。單片機經過相應的處理 后，得出

29、當前所稱物品的重量，然后再顯示出來。這種高精度智能電子秤體積小、計量準確、攜帶方便，集質量稱量功 能與價格計算功能于一體，能夠滿足商業貿易和居民家庭的使用需求。第2章系統方案論證與選型按照本設計功能的要求，系統由 6個部分組成：控制器部分、測量部 分、報警部分、數據顯示部分、和電路電源部分，系統設計總體方案框圖 如圖2-1所示。圖2-1設計思路框圖測量部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號，得到微弱的電信號（本設 計為電壓信號），而后經處理電路（如濾波電路、差動放大電路）處理 后，送A/D轉換器，將模擬量轉化為數字量輸出。控制器部分接受來自 A/D轉換器輸出的數字信號，經過復雜的運算，將數字信號轉換

30、為物體的 實際重量信號，并將其存儲到存儲單元中。控制器還可以通過對擴展I/O的控制，對整個系統進行控制。數據顯示部分根據需要實現顯示功能。當 超載時報警裝置報警。2.1控制器部分本設計由于要求必須使用單片機作為系統的主控制器，而且以單片機 為主控制器的設計，可以容易地將計算機技術和測量控制技術結合在一 起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新換代的“智能化測量控制 系統”這種新型的智能儀表在測量過程自動化、測量結果的數據處理以 及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進展。再則由于系統沒有其它高標準的要求，又考慮到本設計中程序部分比 較大，根據總體方案設計的分析，設計這樣一個簡單的的系統，可以選用

31、 帶EPROM的單片機，由于應用程序不大，應用程序直接存儲在片內，不 用在外部擴展存儲器，這樣電路也可簡化。這些配置能夠很好地實現本儀 器的測量和控制要求。51系列單片機：由ATMEL公司生產的AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非 易失性存儲器技術制造，與工業 80C51產品指令和引腳完全兼容。在單 芯片上，擁有靈巧的 8位CPU和在線系統可編程 Flash,使得AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節Flash，256字節RAM，32位I/O

32、 口線，看門狗 定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷 結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。空閑模式下，CPU停止工作，允許 RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式 下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一 個中斷或硬件復位為止。而且，它還具有一個看門狗(WDT)定時/計數器，如果程序沒有正常工作，就會強制整個系統復位，還可以在程序陷入 死循環的時候，讓單片機復位而不用整個系統斷電，從而保護你的硬件電 路3。430系列單片機：MSP430系列單片機是一個特別強調超低功耗的單片機品種，很適合 應用與電池供電的長時間工作場合

33、。在這個系列中有很多個型號，它們是 由一些基本功能模塊按不同的應用目標組合而成。MSP430系列的CPU采用16位精簡指令系統，集成有16位寄存器和常數發生器，發揮了最高的 代碼效率。它采用數字控制振蕩器(DCO)，使得從低功耗模式到喚醒模 式的轉換時間小于6g。其中MSP430 x41x系列微控制器設計有一個16位 定時器，一個比較器，96段LCD驅動器和48個通用IO引腳。MSP430F1x系列具有以下一些共同特點：超低功耗。強大的處理能力。豐富的片上外圍模塊。方便高效的開發方式。多種存儲器形式。適應工業及運行環境。在本設計中選擇MSP430F135系列單片機14。2.2數據采集部分電子秤

34、的數據采集部分主要包括稱重傳感器、處理電路和A/D轉換電路，因此對于這部分的論證主要分三方面。2.2.1傳感器的選擇 PSD光電位置傳感器在設計中，傳感器是一個十分重要的元件，因此對傳感器的選擇也顯 的特別的重要，不僅要注意其量程和參數，還有考慮到與其相配置的各種電路的設計的難以程度和設計性價比等等。高靈敏度光電位置傳感器 PSD是一種新型的光電器件，或稱為坐標光 電池，它是一種非分割型器件，可將光敏面上的光點位置轉化為電信號。 當一束光射到 PSD的光敏面上時，在同一面上的不同電極之間將會有電 流流過，這種電壓或電流隨著光點位置變化而變化的現象就是半導體的橫 向光電效應。因此利用 PSD的p

35、n結上的橫向光電效應可以來檢測入射光 點的照射位置。它不像傳統的硅光電探測器只能作為光電轉換、光電耦 合、光接收和光強測量等方面的應用 ；而能直接用來測量位置、距離、高 度、角度和運動軌跡等。它與陣列式圖像傳感器也不一樣，不像固態圖像傳感器的測量表面由于敏感單元有一定大小而存在死區；PSD器件能連線檢測光點的位置，沒有死區分辨力高。適配電路簡單等特點；正日益引起 人們的重視。PSD應用于位移測量基本原理如圖所示，由半導體激光器（LD）發射出的光束經過透鏡1聚焦，光斑照射到待測物體上，部分反射光通過透鏡2會聚到PSD的光敏面上。當激光光斑投射到被測物的某一位置時，會聚到 PSD的光斑恰好位于光敏

36、面的中央位置。此時，PSD兩電極輸出電流相同。由圖（2-2）可知光敏面上位置坐標x = 0，以該位置作為基準點。圖中B 點表示待測物的基準點，則其散射光斑會聚到 PSD光敏面中央b處，而待測 點A和C的散射光斑分別會聚到PSD光敏面a c兩處，分別測得兩電極的電 流信號，再經過后續處理電路就可以精確測試出 A、C兩點與基準點B之間 的位移。圖2-2位移測試原理圖當重力壓在位移敏感傳感器的重力盤上時，重力盤彈性元件的形變位 移在上圖中位置 A、B、C范圍內變化，此時PSD的敏感表面上的光斑位 置發生變化，從而使PSD產生相應的電流信號，有電流信號的變化可以看 出重力大小的變化，再經過后續一系列處

37、理使電信號轉變為數字信號顯示 出來。2.2.2放大電路的介紹經由傳感器或敏感元件轉換后輸出的信號一般電平較低；經由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行A/D轉換。為此，測量電路中常設有模擬放大環節。這一環節目前主要依靠由集成運算 放大器的基本元件構成具有各種特性的放大器來完成。放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電 平低，內阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對放大器有如下一 些要求：1輸入阻抗應遠大于信號源內阻。否則，放大器的負載效應會使所 測電壓造成偏差。2抗共模電壓干擾能力強。3在預定的頻帶寬度內有穩定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲

38、應足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩定。能附加一些適應特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調 整、方便準確的量程切換、極性自動變換等。我們考慮了以下幾種方案：方案一利用普通低溫漂運算放大器構成多級放大器。普通低溫漂運算放大器構成多級放大器會引入大量噪聲。由于A/D轉換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精 度。所以，此種方案不宜采用。方案二由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器。差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放（如OP07）做成一個差動放大器，如圖2-3所示：R1ViR3R6R2Vi -C1C3尸口R8R4rr丄 -J-C4LJ

39、C2R7R5C1、C2圖2-3利用普通運放構成的放大器電阻R1、R2和電容C1、C2、C3、C4用于濾除前級的噪聲,為普通小電容，可以濾除高頻干擾，C3、C4為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。優點：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大電路，滑動變阻器 R6可以調節輸出零點，最后一級可以用于微調放大倍數，使輸出滿足滿量程要求。輸出級為反向放大器，所以輸出電阻不是很 大，比較符合應用要求。缺點：此電路要求 R3、R4相等，誤差將會影響輸出精度，難度較 大。實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲，對精度影響較大12。方案三采用專用儀表放大器，如：AD620，INA126等。此類芯

40、片內部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益 高，精度也非常好，且外部接口簡單。OUTPUTREF+ 12VR3U14 1K12V圖2-5AD620的接口圖接口如圖2-5所示:AD620由傳統的三運算放大器發展而成，但一些主要性能卻優于三運算放大器構成的儀表放大器的設計，如電源范圍寬（.38V）,設計體積小，功耗非常低（最大供電電流僅1.3mA），因而適用于低電壓、低功耗的 應用場合。AD620的單片結構和激光晶體調整，允許電路元件緊密匹配和跟蹤， 從而保證電路固有的高性能。AD620為三運放集成的儀表放大器結構，為 保護增益控制的高精度，其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入，并采

41、 用B工藝獲得更低的輸入偏置電流，通過輸入級內部運放的反饋，保持輸 入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻RG上。AD620的兩個內部增益電阻為24.7k8，因而增益方程式為：G = 49. 4 / RG+ 1（2-1）對于所需的增益，貝U外部控制電阻值為：RG = 49. 4 /（ G - 1）K（2-2）AD620具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的 特點。其最大輸入偏置電流為20nA,這一參數反映了它的高輸入阻抗。AD620在外接電阻Rg時，可實現11000范圍內的任意增益；工作電源 范圍為i2.3 8V ;最大電源電流為1.3mA;最大輸入失調電壓為

42、125V; 頻帶寬度為120kHz （在G=100時）。在本設計中，根據PSD原理選用相應的放大電路，且先需要首先應對 PSD輸出的光電流進行電流-電壓轉換，在進行放大，如圖2-6所示：圖2-6常用的PSD測量電路及相應的放大電路2.3顯示電路部分的選擇數據顯示是電子秤的一項重要功能，是人機交換的主要組成部分，它 可以將測量電路測得的數據經過微處理器處理后直觀的顯示出來。數據顯 示部分可以有以下兩種方案供選擇。的組成有以下兩種方案可供選擇：一 是LED數碼管顯示，二是 LCD液晶顯示兩種選擇。LCD液晶顯示器是 一種極低功耗顯示器，從電子表到計算器，從袖珍時儀表到便攜式微型計 算機以及一些文字

43、處理機都廣泛利用了液晶顯示器。2.4超量程報警部分選擇智能儀器一般都具有報警和通訊功能，報警主要用于系統運行出錯、 當測量的數據超過儀表量程或者是超過用戶設置的上下限時為提醒用戶而 設置。在本系統中，設置報警的目的就是在超出電子秤測量范圍時，發出 報警信號，提示用戶，防止損壞儀器。超限報警電路是由單片機的I/O 口來控制的，當稱重物體重量超過系 統設計所允許的重量時，通過程序使單片機的 I/O值為高電平，從而三極 管導通，使蜂鳴器SPEAKER發出報警聲。2.5本章小結本章對電路設計所用元件進行了比較和選型，并主要對控制器部分和數據采集部分進行了進行了分析。最后決定采用MSP430F135單片

44、機，內含A/D轉換器；數據采集部分運用 PSD常用的測量電路以及其相應的放 大電路。第3章 硬件電路設計3.1 TI公司MSP430單片機簡介MSP430系列是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型 單片機，在1996年問世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方 便靈活的開發手段，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。MSP430系列單片機的迅速發展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于 以下的特點。強大的處理能力 MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了 精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址、4 種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的

45、模擬指令；大量的 寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指 令；有較高的處理速度，在 8MHz晶體驅動下指令周期為125ns。這些特 點保證了可編制出高效率的源程序。在運算速度方面，MSP430系列單片機能在8MHz晶體的驅動下，實 現125ns的指令周期。16位的數據寬度、125“的指令周期以及多功能的 硬件乘法器（能實現乘加）相配合，能實現數字信號處理的某些算法（如 FFT 等）15。MSP430系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活 方便。當系統處于省電的備用狀態時，用中斷請求將它喚醒只用6M超低功耗MSP430單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低

46、芯片 的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先，MSP430系列單片機的電源電壓采用的是 1.83.6V電壓。因而 可使其在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在 200400A左右， 時鐘關斷模式的最低功耗只有 0.1讓其次，獨特的時鐘系統設計。在 MSP430系列中有兩個不同的系統時 鐘系統：基本時鐘系統和鎖頻環（FLL和FLL+ ）時鐘系統或DCO數字振 蕩器時鐘系統。有的使用一個晶體振蕩器（32768Hz），有的使用兩個晶體 振蕩器）。由系統時鐘系統產生 CPU和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘 可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制。由于系統運行時

47、打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片 的功耗有著顯著的不同。在系統中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0LPM4 ）。在等待方式下，耗電為 0.7以在節電方式下， 最低可達0.1訃系統工作穩定上電復位后，首先由 DCOCLK啟動CPU，以保證程序 從正確的位置開始執行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩定時間。然后 軟件可設置適當的寄存器的控制位來確定最后的系統時鐘頻率。如果晶體 振蕩器在用做CPU時鐘MCLK時發生故障，DCO會自動啟動，以保證系 統正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復位。豐富的片上外圍模塊：MSP430系列單片機的各成員都集成了較豐富 的片內外設。它

48、們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器 A、定時器 A（Timer_A）、定時器 B（ Timer_B ）、串口 0、1（ USART0、1）、硬件乘法 器、液晶驅動器、10位/12位ADC、I2C總線直接數據存取（DMA ）、端 口 0 （P0）、端口 16（ P1P6）、基本定時器（Basic Timer）等的一些外圍 模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器 進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出A/D轉換器；16位定時器Timer_A和Timer_B ）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可 用于事件計數、時序發生、PWM等；有的器件更具有可實現異步、同

49、步 及多址訪問串行通信接口可方便的實現多機通信等應用；具有較多的I/O端口，最多達6-8條I/O 口線；P0、P1、P2端口能夠接收外部上升沿或下 降沿的中斷輸入；12/14位硬件A/D轉換器有較高的轉換速率，最高可達 200kbps,能夠滿足大多數數據采集應用；能直接驅動液晶多達160段；實現兩路的12位D/A轉換；硬件I2C串行總線接口實現存儲器串行擴 展；以及為了增加數據傳輸速度，而采用直接數據傳輸（DMA ）模塊。MSP430系列單片機的這些片內外設為系統的單片解決方案提供了極大的 方便5。方便高效的開發環境目前 MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM 型三種類型的器件，這些

50、器件的開發手段不同。對于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器開發成功之后在燒寫或掩膜芯片；對于FLASH型則有十分方便的開發調試環境，因為器件片內有JTAG調試接口，還有電可擦寫的FLASH存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH內，再在器件內通過 軟件控制程序的運行，由JTAG接口讀取片內信息供設計者調試使用的方 法進行開發。這種方式只需要一臺PC機和一個JTAG調試器，而不需要仿真器和編程器。開發語言有匯編語言和 C語言。MSP430單片機目前主要以FLASH型為主。適應工業級運行環境MSP430系列器件均為工業級的，運行環境溫度 為-40+85攝氏度，所設計的產品適合用于工業環境下10。

51、3.1選用MSP430的原因對于一個以單片機為核心的系統來說，單片機的選擇至為重要。MSP430F135是一款功能強大的16位單片機，但我們選擇它還是基于系統 設計的考慮。我們選擇 TI公司的MSP430F135的主要原因是：MSP430F135具有6-8個通用I/O 口，大大方便了系統的設計。所 以在顯示電路中，我們對8段LED的段選直接用了 8個I/O 口，而沒有使 用八段譯碼器（如74LS249等）；對5個LED的位選也直接用了 5個I/O 口。這樣大大簡化了電路的設計，降低了系統的復雜性，同時也節省了成本。MSP430系列單片機一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有

52、豐富的尋址方式。在運算速度方面，MSP430系列單片機能在8MHz晶體的驅動下，實現125ns的指令周期。16位的數據寬 度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（F135無）相配合，能實 現數字信號處理的某些算法，如平均值算法、折線或是多次曲線擬合算 法、濾波算法等。MSP430系列單片機具有豐富的片內外設：12位A/D轉換器ADC12可把測量電路的輸出信號轉化為數字量，而無需外加獨立的A/D轉換芯片。16位定時器可用來定時5個LED數碼管動態顯示時刷新的時 間間隔。MSP430系列單片機是一款超低功耗單片機，并有多種低功耗模 式。這樣一起可用電池供電，從而使儀器小型化。方便以后把儀器

53、改造成 便攜儀器。MSP430的F系列引入了 Flash和JTAG技術，使得在開發過程中 不需要仿真器和編程器，十分便于開發調試11。其它，如價格相對便宜，家族成員豐富，熔絲燒斷后可升級等。3.1.1單片機與放大電路的接口與放大電路的接口設計 MSP430F135單片機內部有一個12位的A/D 轉換器ADC12，并有8個外部輸入通道A0 - A7,我們把放大電路通道1 的輸出接至A0，放大電路通道2的輸出接至A2。為了使輸出電壓在單片 機I/O 口能承受的范圍之內，我們在放大電路后加了鉗位電路。單片機與 放大電路的接口如圖3-1所示：在放大電路與單片機內部的 A/D轉換器之間加一個鉗位電路。鉗

54、位電 路的作用是：防止放大器輸出的電壓信號高于2.5V損壞A/D轉換器，破壞電路。放大電路鉗位電路MSP430F135圖3-1單片機與放大電路的接口示意圖3.1.2單片機與按鍵的接口除“復位”鍵外，“調零” （KEY1）與“測量” （KEY2）兩個按鍵。其 中，“調零”實現的功能是：測量當前重量值，把測得值在 LED上顯示出 來，并把此值作為一個零點，成為測量的一個基準；“測量”實現的功能是：測量當前重量，減去零點值，完成相對測量，并在LED上顯示出來。與單片機的接口如圖3-2所示：圖3-2單片機與按鍵的接口示意圖3.1.3單片機與顯示電路的接口本次設計采用LED作為顯示元件，在顯示方法上用動

55、態顯示的方法 實現5個LED數碼管的顯示，如圖3-3所示：圖3-3單片機與顯示電路的接口示意圖JfcomLLH.e dcomc h11 111B.e dcomc hh 11 r0.e d com c h 1111 B.e dcomc h11 11 He dcom c h位選段碼3.1.4復位電路的設計當儀器出現異常故障時，可用“復位”鍵使其復位，其設計如圖3-4所示：MSP430系列單片機復位信號只在芯片上電或 PST/NMI設置成復位模 式，在RST/NMI引腳上出現低電平信號兩個事件發生時產生。復位信號 的發生總是會產生PUC信號，但是PUC信號的發生不會產生復位信號。 產生PUC信號的事

56、件為：發生復位信號；處于看門狗模式下，看門狗定 時器時間到；看門狗定時器寫入錯誤的安全鍵值；RST/NMI引腳上出現低電平信號；FLASH存儲器寫入錯誤的安全鍵值13。圖3-4復位電路3.2電源電路設計本系統為單片機供電+3.3V。如圖3-5所示:圖3-5電源電路圖3.3數據采集電路設計數據采集部分電路包括傳感器、輸出信號放大電路、A/D轉換器。331 PSD器件的工作機理PSD （ Position Sensitive Detectors）器件是自本世紀70年代研制成功的 一種新型位置傳感器，由于該器件具有體積小、靈敏度高、線性范圍大、 噪聲低、響應速度快、后續處理電路簡單等優點，所以廣泛應

57、用于光電位 置測量、光學遙控、位移和振動的檢測和監控、方向探測、光學邊界判 別、醫用器械、三維位置測量系統以及機器人視覺等方面。PSD是一種獨特的半導體光電器件，他的 PN結結構、工作狀態、光 電轉換原理等與普通光電二極管類似，但他的工作原理與普通光電二極管 的完全不同，后者基于PN結或肖特基結的縱向光電效應，普通光電二極 管通過光電流的大小反映入射光的強弱，是光電轉換器件和控制器件，而 位置敏感探測器不僅是光電轉換器，更重要的是光電流的分配器，通過合 理設置分流層和收集電流的電極，根據各電極上收集到的電流信號的比例 確定入射光的位置。PSD的主要特點如下：（1）響應速度快。PSD的光電轉換響

58、應速度和輸出電阻及結電容的 乘積成反比（約幾個微秒），與一般的光敏二極管相比，響應速度要低一 點，但由于它是非掃描型的，因此比掃描型的光敏器件響應速度要快的多。（2）位置分辨率高。CCD器件的分辨率取決于像素的間距，一般都 在十幾個微米左右，而PSD器件由于其敏感面十連續的，它的分辨率與外 部檢測電路的噪聲及入射光所產生的光電流大小有關，一般為零點幾個微 米。（3）可同時檢測位置和光強。因光強和總的光生電流有關，所以只 要加上一線路，把從信號電極輸出的電流相加得到總電流，就可以求出入 射光強。（4）位置輸出與光點強度及尺寸無關，只與光的重心位置相關。這 一特點使得PSD在應用時無需苛求復雜得光

59、學聚焦系統【9】。當有幾條光束分別照射在敏感面時，按X=L（l2-l1）/（l2+l1）計算出各光束的入射位置，然后 根據這些位置和入射光強所計算出來的“能量中 心”，與這幾條光束同時照射 PSD表面時，按上式計算出的位置，二者 是一致的。PSD敏感表面被未經聚焦的光束照射時，輸出所反映的位置與經聚焦 光束照射時輸出所反映的位置是一致的。光斑大小對PSD的非線性沒有影響，只有在內部不均勻而光斑直徑較大時，由于平均效應才可能降低非線性。（5）頻譜響應寬，響應范圍從 330到1100nm。（6）外圍電路簡單，信號檢測方便，價格相對光電陣列器件要便宜 的多。在本設計中PSD作為稱重傳感元件應用在電路

60、中。3.3.2 MSP430F135單片機的A/D轉換因為MSP430內部有一個12位的A/D轉換器ADC12，所以需要對其 進行編程。我們采用了“序列通道單次轉換”的方式，裝換過程自動完 成，無需軟件轉換，其流程圖如圖 3-6所示：入口1啟動一次序列通 道單次轉換1轉換數值對應RAM存儲區累加求和F子程序返回圖3-6 A/D轉換流程圖ADC的結構特點：ADC12有8個外部模擬信號采樣通道（a0a7）和4個內部通道（a8a11），各個通道的參考電平可以由用戶根據需要編程選擇。ADC12的轉換時鐘ADCI2CLK可選自多個時鐘源，如內部振蕩器ADC12OSC或ACLK、MCLK和SMCLK，并可