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山东省电子设计大赛
（ 2004 年）
参赛学校： 山东大学
指导教师： 万 鹏 姚福安
设计者： 刘永胜 杜 辉 杨媛媛
2004 年 9 月 13 号
摘 要
本系统采用单片机 AT89S52 为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。系统的硬件部分包括最小系统板，数据采集、人机交互界面三大部分。最小系统部分主要是扩展了外部数据存储器，数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和 A/D 转换部分组成。人机界面部分为键盘输入 ， 128  64 点阵式液晶显示，可以直观的显示中文，使用方便。
软件部分应用单片机 C 语言实现了本设计的全部控制功能，包括基本的称重功能，和发挥部分的显示购物清单的功能，可以设置日期和重新设定 10 种商品的单价，具有超重报警功能，由于系统资源丰富，还可以方便的扩展其应用
第一部分： 方案论证与比较
一、控制器部分
本系统基于 51系列单片机来实现，因为系统需要大量的控制液晶显示和键盘。不宜采用大规模可编程逻辑器件：CPLD、FPGA来实现。（因为大规模可编程逻辑器件一般是使用状态机方式来实现，即所解决的问题都是规则的有限状态转换问题。本系统状态较多，难度较大。）另外系统没有其它高标准的要求，我们最终选择了AT89S52通用的比较普通单片机来实现系统设计。内部带有8KB的程序存储器，在外面扩展了32K数据存储器，以满足系统要求。
二、数据采集部分
（ 1 ）、传感器
题目要求称重范围 9.999Kg ，重量误差不大于  Kg ，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，所以传感器量程必须大于额定称重—  。我们选择的是 L-PSIII 型传感器，量程 20Kg ，精度为  ，满量程时误差  0.002Kg 。可以满足本系统的精度要求。其原理如下图所示：
称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由下式给出：
（ 2 ）、前级放大器部分
压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。 我们考虑可以采用以下几种方案可以采用：
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 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，此中方案不宜采用。
方案二、由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。
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 R1 、 R2 电容 C1 、 C2 、 C3 、 C4 用于滤除前级的噪声， C1 、 C2 为普通小电容，可以滤除高频干扰， C3 、 C4 为大的电解电容，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 R6 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。
缺点：此电路要求 R3 、 R4 相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量，每一级运放都会引入较大噪声。对精度影响较大。
方案 三 ：采用专用仪表放大器，如： INA126，INA121等。
此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。
以 INA126为例,接口如下图所示：
放大器增益  ，通过改变  的大小来改变放大器的增益。
基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器 INA126 。
（ 3 ）、 A/D 转换器
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  以下
12 位 A/D 精度： 10Kg/4096=2.44g
14 位 A/D 精度： 10Kg/16384=0.61g
考虑到其他部分所带来的干扰 ,12 位 A/D 无法满足系统精度要求。 所以我们需要选择 14位或者精度更高的A/D。
方案一、逐次逼近型 A/D转换器，如：ADS7805、ADS7804等。
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。
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89C52构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。
但考虑到所转换的信号为一慢变信号，逐次逼近型 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，14位AD足以满足精度要求，太高的精度就反而浪费了系统资源。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：如：ICL7135、ICL7109等。
双积分型 A/D转换器精度高，但速度较慢(如：ICL7135),具有精确的差分输入，输入阻抗高（大于  ），可自动调零，超量程信号，全部输出于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较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。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。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。
作为电子秤，系统对 AD的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。综合的分析其优点和缺点，我们最终选择了ICL7135。
三、人机交互界面
（ 1 ）、键盘输入
键盘输入是人机交互界面中最重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。 我们采用了专用的键盘显示芯片 ZLG 7289。
Intel8279 是一种比较成熟的可编程键盘 / 显示芯片，可以满足小系统的要求。
ZLG7289 是周立功单片机公司设计的串行输入输出可编程键盘 / 显示芯片有强大的键盘显示功能，支持 64 键控制。可以比较方便的扩展系统。另外 ZLG7289 内部有译码电路，大大简化了程序。
我们选择功能更好的 ZLG7289 作为键盘扫描显示芯片
（ 2 ）、显示输出
虽然 ZLG7289 具有控制数码管显示的功能，但考虑到本题目要求中文显示，数码管无法满足，只能考虑用带有中文字库的液晶显示器。由于可以分页显示，无需太大屏幕，我们选择了点阵式 128 × 64 型 LCD — OCM4X8C 。 | 
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