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1、编号：A甲0603多功能电子计价秤（A）参赛院校：青岛理工大学自动化工程学院参赛学生：吕卫涛 谢成良 姜兰指导教师：李虹 朱文杰 田艳兵 秦臻 摘要：本系统采用广州周立功单片机发展有限公司赞助的ARM2103最小系统板为多功能电子计价秤的控制核心，可以实现称重、显示、计数、去皮、累计总额、打印、语音播报、温度显示、掉电存储、调取售货信息等功能。本系统利用串行通信的标准PS/2键盘，可完成商品代号的输入并确定商品名称和种类。结合打印机的使用，可打印销售清单；利用悬臂梁应变片式全桥压力传感器和A/D转换部分组成的模拟信号采集部分，完成了20位数字量的转换输出；利用铁电24C512进行掉电商品存储，
2、可以防止因突然掉电带来的不便及商品的提前录入；ARM2103内部时钟采用独立晶振作为精确的时钟源，使用方便准确；利用语音芯片ISD4004出色的完成了语音播报功能。并有温度、日期显示和打印等功能。关键词： EasyARM2103 PS/2 电子秤 掉电存储 语音播报Abstract:This system employs ARM2103 minimum system sponsored by Guangzhou-MCU Development Co., Ltd., as a central control unit of multi-functional electronic pricing
3、system .It can implement weighing, displaying,counting,peeling, accumulative total, printing, broadcasting voice, thermometric, Power-down storage, retrieval of sales information and other functions. The standard PS/2 keyboard,which is at serial communication,is used to complete importing the code o
4、f goods and determine the name and type of goods.With the use of printer, it can print account sales.By using the part of collecting the analog signals,which includes pressure sensor and A/ D converter components, it can complete ADC of the 20 digital conversion and output.Ferroelectric 24c512 is us
5、ed as the memorizer for merchandise store,preventing the inconvenience for sudden power-down,at the same time the information of the goods can be stored early. Thanks to the independent internal clock which is used as a precise crystal clock source in ARM2103, it makes things convenient and accurate
6、; The voice chip ISD4004 completed a remarkable voice broadcast feature.The system also has temperature measured,date displayed and receipt printed.Key words: EasyARM2103；PS/2；electronic scale；power-down storage；voice broadcast一、 系统总述本系统包括：主控芯片ARM2103部分、A/D测量转换部分、键盘控制部分、02V可调电源部分、液晶显示部分、数字测温部分、打印部分、
7、铁电存储部分和ISD4004语音部分。系统框图如下：二、方案论证与比较：2.1单片机主控芯片的选择：方案一：采用传统8位MCS-51系列的单片机作为主控器，价格便宜，使用简单，应用广泛，但处理速度较慢。本系统需要扩展的外围器件较多，存储容量较小，无法满足系统设计对运算速度及精度的要求。 方案二：采用32位的ARM2103作为电子秤的主控芯片。ARM2103是基于一个支持在线仿真的32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并带有32KB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，读写速度快。可以使用16位的Thumb模式将代码规
8、模降低30%，而性能的损失却很小。32KB的Flash存储系统可以用作代码和数据的存储。ARM2103支持8位、16位和32位的访问，可操作性强，并具有丰富的I/O资源，片内集成10位逐次逼近式AD转换功能器，并可通过软件设置在310位之间进行选择，而且其外围电路简单,在片内即可实现控制，简化了整个系统的复杂程度，方便灵活。综上比较，采用方案二。2.2键盘分析方案的选择方案一：采用矩阵式键盘。该键盘采用行列扫描读取键值，每行每列都需与P口相连，耗费较多CPU资源，当按键较多时占用大量的I/O口。本系统因需要按键较多，矩阵式键盘不适合。方案二：采用技术比较成熟的PS/2键盘。读键盘程序相对简单，
9、仅占用2个I/O口，采用串行通信，节约了CPU资源。规格统一，符合国家标准，替换性好，价格低，通用性好。 综上比较，采用方案二。2.3显示模块的选择：方案一：采用8*8点阵显示。利用4片8*8点阵模块组成的16*16的点阵来显示中文和数字，但若显示的内容较多，需较多的恒流器件和移位寄存器，浪费资源且处理速度慢，而且所占空间较大，造成系统不够协调。方案二：采用七段数码管进行显示。七段数码管可以很好的显示售货商品的价格、数量等，但无法显示商品名称。方案三：采用带字库的LCM128645ZK。该显示模块可实现汉字、数码的同屏显示，性能稳定。中文显示模块具有上、下、左、右移动当前显示屏幕及清楚屏幕的命
10、令，具有光标显示、闪烁控制及关闭显示命令，还可调节背光亮度等。综上比较，选择方案三。2.4温度传感器的选择：方案一：采用传统模拟信号的温度传感器，热电偶、热电阻等。使用这类传感器可以采集的温度范围广，可以达到精确控制的目的。但是传感器的电压信号需要经过A/D转换才能进入单片机，经过单片机复杂的程序处理才能最终得到温度信息。方案二：采用先进的数字量输出温度传感器DS18B20。DS18B20为增强型单总线数字温度传感器，内部集成了A/D转换和信号处理系统，通过单线总线直接将温度值信号传到单片机。可测量的温度信号为55125，可编程设计912位的分辨率，最小精度为0.0625度，占用单片机的资源少
11、，使用起来极为方便。综上所述，选择方案二。2.5时钟模块的选择方案一：采用DS1302等外部时钟芯片为时钟源，提供时钟的实时显示。采用DS1302时钟芯片，需要将DS1302时钟芯片的控制端接在单片机的两个端口上，通过读端口地址才能实现时钟显示，而且掉电后自动复位，没有记忆功能。方案二：采用ARM2103内部的实时时钟RTC。可选择使用外部晶振和独立电源供电，为系统提供精确的时间和日期信息，并且实时时钟（RTC）提供一套计数器在系统上电和关闭操作时对时间进行测量。LPC2101/02/03 的 RTC 时钟可由独立的 32.768kHz 振荡器或基于 VPB 时钟的可编程预分频器来提供,可实现
12、掉电保护功能。综上所述，采用方案二。2.6模数转换器的选择：方案一：采用EasyARM内带的10位A/D转换模块，虽不需扩展外围电路，但其精度较小，不能达到题目要求。 方案二：采用12位的7135A/D转换，但因其外围电路比较复杂，受干扰较大，操作比较麻烦。 方案三：在基本部分采用7705，发挥部分采用20位的ADS1230。AD7705是16位转换器，可以接收直接来自传感器的低电平的输入信号。ADS1230集成了板载低噪声可编程增益放大器（PGA）及振荡器等部件，为精确的模数转换提供了前端解决方案，具有简单的引脚驱动控制和双线数字接口，受干扰小。综上所述，采用方案三。2.7掉电存储的选择：方
13、案一：采用SD卡进行掉电存储。SD卡是分扇区存取数据，读取数据时需要确定每个扇区的字节数、每簇所占的扇区数、保留扇区和隐藏扇区等，读写格式比较复杂，不易实现。方案二：采用铁电24C512进行存储。铁电存储时，读写速度快，比传统存储器快5000倍，功率消耗小100倍，可擦写次数可达1万亿次以上，具有超低功耗，FRAM的静态工作电流小于10A，读写电流小于150A。本设计要求存储量不大，64K铁电存储器足以满足系统要求，而且铁电存储器读写简单。综上所述，采用方案二。2.8存储器存取算法的选择： 电子秤系统要求包含大量的商品数据，因此一个大的存储空间和一个好的存取算法对整个系统的功能和速度都会产生举
14、足轻重的影响。 方案一：所有的商品数据都在程序初始化时导入静态RAM。实际情况是商品的而存储数据量会比较大，而系统是必须要求一定的堆栈空间和其它数据空间。这样既不能满足题目要求，又占据了大量的系统资源。 方案二：参考Windows系统的内存管理算法，采取了一种动态的SRAM分配方案。系统在商品输入时将最常用的10条商品信息存储在铁电的最低地址处，在系统初始化时将这些信息导入SRAM，并且设立一个容量为10的数组，作为各种商品的计数。商品销售一次，对应的计数增加一次。当指定的商品不在SRAM中时，才查询铁电存储中相应的信息，用它来置换商品销售计数数组数值最小的一个对应的SRAM空间，既节约了SA
15、RM空间，又解决了系统信息量大而内存相对较小的矛盾。 综合比较，采用方案二。2.9语音播报单元的选择： 为突出人性化设计，在系统中增加了语音模块。 方案一：采用分立元件组成的语音录放电路。经过话筒输入、放大滤波电路、A/D转换、数据存储等过程进行录音，放音时经过D/A转换、带通滤波、功率放大，经扬声器输出。这种设计的优点是设计灵活，缺点是电路复杂，控制不方便，并且因为存储时的压缩造成音质一般，受干扰情况比较严重。方案二：采用集成可录放语音芯片ISD4004。具有8kb的存储空间，单片可录放8至16分钟语音，内置微控制器串行通信接口，采用多电平直接模拟量存储计数，每个采样值直接存储在片内闪烁存储
16、器中，能够非常真实、自然的再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频率可达8KHz，音质好，放音平滑，无需外加存储器。接口为SPI总线接口，控制方便。综合比较，采用方案二。2.10压力传感器的选择： 方案一：采用金属应变式压力传感器。由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点，其应用场合受到了很大的限制。 方案二：采用悬臂梁应变片式全桥压力传感器。压阻式传感器是将应变计粘贴在弹性敏感元件上，以适当的方式组成电桥，从而将物体的质量转换成电信号。将被测物体的压力转换为弹性体的应变值，并同步的转换为电阻值的变化。综上比较，采用方案二。2.11电压模
17、块的选择方案一：用普通三端稳压器稳压，再通过运放处理得到02V的电压，由于普通电源不稳定，经三端稳压器后波动仍然很大。方案二：选择晶体管设计恒流源，5V恒流源串联电位器分压，通过改变可变电位器阻值的大小来得到相应的电压，硬件电路比较容易实现，精度较好。综上比较，采用方案二。三、系统的具体设计与实现：3.1液晶显示模块接口设计:因串行数据对时序要求比较严格，为简单起见，本设计采用并行数据传输。引脚“V R”和“V 0”之间接可变电阻( 01 0 千欧 )，一端接V R，调整端接V0,另一端悬空；可变电阻需调到显示区域的底色刚刚显示出来为止。当PSB脚接高电时(模块背面SP的短路电阻在 “P”侧)
18、，模块将进入并行传输模式；主控制系统配合( RS，RW，E ，DB0DB7) 来完成传输动作。接线图见附页一 图1。3.2键盘输入模块： 采用了技术成熟的标准PS/2键盘，MCU通过PS/2串行协议进行信息通讯，实现各个预设功能，并能完成商品名的汉字输入。 在进行数据同步串行协议时，每次数据线上发送一位数据并且每在时钟线上发送一个脉冲就被读入。主机对总线有控制权，可以通过将Clock线置低电平来禁止PS/2设备与主机的通信，同时将总线初始化。当PS/2设备要向主机发送信息时，必须先检查Clock线是否为高电平，如果不是高电平则说明主机禁止PS/2设备向它发送数据。这时PS/2设备要一直等到Cl
19、ock信号线变为高电平才能向主机发送数据。PS/2发送数据的时序及键盘硬件接口图见附页一 图2、3、4。 3.3DS18B20测温模块：DS18B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件温度。从主机CPU到DS18B20仅需要一条线。DS18B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。测量范围从-从-55到+125，增量值为0.5，可在1s内把温度变换成数字。I/O线上不要求强的上拉电阻，总线上主机不需要向上连接便在温度变换期间使线保持高电平，允许了变换期间内其它数据在单线上的传送。接线图见附页一 图5。3.4电压源模拟称重模块：电压源称重模块选择晶体管设计恒流源，5V恒流源串
20、联电位器分压，通过改变可变电位器阻值的大小来得到相应的电压，硬件电路比较容易实现，精度较好。电位器对电压进行调节，使其在02V之间连续可调并输出，以模拟称重传感器输出的信号源。3.5压力传感器传感器采用悬臂梁式应变片传感器，全桥均贴应变片以提高测量精度。弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在其表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，它的阻值将发生变化，再经相应的测量电路把电阻变化转换为电信号，从而完成了将外力变换为电信号的过程。内部原理图如左图：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
21、： 3.5打印机电路模块：采用热敏式通用打印机，该打印机采用了通用25 帧并行接口。其中STB为数据选通脉冲，上升沿时读入数据。ACK为应答脉冲，低表示已接受；BUSY为忙线，高表示打印机忙，不能接收数据。DATA1DATA8为并行数据输入端口。因为并行接口占用大量I/O口线资源，打印机是慢速外设，对数据传输速率要求很低，因此采用 74HC595进行串并行转换节约管脚资源。电路连接图见附页一 图6。3.6语音播报模块ISD4004的音频输出端（AUD OUT）是提供音频输出，可驱动5千欧的负载。在串行输入端，主控器在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端，供ISD输入。而对于串行输出端，当I
22、SD未被选中时，是呈高阻态的。ISD的时钟输入端，由主控制器产生，用于同步MOSI和MISO的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到ISD，在下降沿移出ISD。电路连接图见附页一 图7。3.7A/D转换模块 基本部分采用可调直流电源输出电压模拟称重信号源，并采用双通道全差分模拟输入的AD7705进行A/D转换。DIN和DOUT接上拉电阻后DOUT接P0.1最为数据输出。SCLK接P0.0最为时钟信号口。发挥部分采用高精度的ADS1230，所有特性均由专用引脚控制。该器件可通过易于隔离的串行接口输出数据。硬件接线时，ADS1230的为复位端，通过软件给以相应的脉冲，SCLK为脉冲端，与EasyAR
23、M2103的一个口相接。/DRDY/DOUT为数据口，当SCLK端有正确时序时有数据输出，硬件图见附页一 图8、9。 四、系统软件设计 软件设计采用模块化设计，每一个模块对应一个流程图，各个模块之间再进行耦合，比较容易修改维护。键盘、打印机和语音播报等采用中断方式，加快了程序的执行速度。部分程序流程图见附页二。五、系统测试与调试5.1测试仪器：PC机、示波器、万用表UT60B、数字电压源CA18303D、数字式万用表DS1102C、 H-JTAG仿真器5.2测试方法（1）各个模块进行测试，对于设计的每一个模块都要进行单独测试；（2）试完全符合要求后再进入下一个模块的开发设计。先后开发测试模块有
24、：液晶显示模块、时钟模块、打印机模块、PS/2键盘输入模块、DS18B20测温模块、ISD4004语音播报模块、24C512存储器读写模块、0-2V电源调节模块、AD转换及测量重量模块；系统整合后进行了整机测试，通过不断的修改和调试，最终获得完全符合要求的系统5.3测试内容：1. 开机后界面为当前时间和温度显示。掉电后由于掉电存储，时钟仍能够维持运行，确保任何时候开机都可知道当前时间，无需再次调整；通过18B20测量当前温度值，与实际温度计测量相差不大。功能键NumLock可实现显示界面与售货界面的切换。2. 进入售货界面后，测量称重的精度。AD测试误差控制在+/-0.01%内；数据精确到0.
25、5g；数据处理完全满足系统要求，总价金额误差小于0.01元。而且数据稳定时间小于2S3. 商品信息可以手动输入，也可按数字键09分别调取10种不同的商品单价。4. 可通过汉字输入在铁电中存储100种商品信息和100组购物信息，并可以随时调取其中一组。5. 当按下打印功能键，打印机工作，打印小票包括日期、时间、购物信息、收银员编号、流水号等信息。6. 打印时可以选择是否需要语音播报。功能键按下时进行语音播报。7. 用功能键控制去皮和累加功能，可在售货时随时选取。5.4测试数据： 测量次数 砝码重量自制电子秤称得重量 偏差值 1 5g 5.3g 0.3 2 10g 10.1g 0.1 3 20g
26、20.3g 0.3 4 50g 49.9g - 0.1 5 100g 99.8g -0.2 6 200g 200.1g 0.1 7 500g 499.8g -0.2 8 1000g 1000.2g 0.2 9 5kg 5000.1g 0.1 10 10kg 10000.2g 0.25.5误差分析：从上述测试数据来看，系统存在一定的误差。由于传感器和其他器件本身并非理想线性，传感器在一定程度上受环境温度的影响程序中对实测数据进行了线性补偿。经校准，非线性补偿后，误差已基本达到要求。5.6各个按键及功能说明：（1）功能切换键Numlock：程序进行后默认为时间显示界面，按一下Numlock可进入售
27、货界面，再按则重新进入默认界面。（2）时间修改功能键“/”：当在时间界面时按此键，可进行时间的修改，手动输入当前时间并回车确认即可。（3）F1、F2中英文切换键：在商品存储界面，可以按数字键输入商品价格，并可通过F1和F2实现中英文的切换。此时按“/”可以进行换行。（4）售货称重界面：在此界面可通过按“/”键在手动输入单价与预存单价之间切换，手动输入0-9普通数字调取十种预存单价（5）“ +”累计价格功能键：按下此键可进行本次售后的总额计算并累计。本次售货完毕时，按ENTER键打印本次售货清单记录保存。（6）“1”功能键：若需要调取前100种售货清单，可按下此键。六、结束语 在老师的辛苦指导下
28、，经过四天的艰苦奋战，我们最终不但完成了本次大赛题目的基本要求，而且完成了发挥部分。基本部分：液晶显示屏的效果很好，亮度适中，无闪烁现象，实时显示所称商品重量和环境温度。PS/2键盘输入稳定，可设置商品单价、进行功能切换。发挥部分：成功实现了实时时钟显示和掉电保护。扩展了高精度A/D转换器进行称重，测量误差小，数据稳定。能预存10种商品信息和单价，可以保存100组购物清单并显示，数据具有掉电保存。并可实现商品信息的汉字输入和购物清单的打印。另外，为系统添加了具有特色的语音播报功能。本次竞赛，我们充分发挥了团队的合作精神，才顺利完成了设计。虽然过程是艰苦的，但却增强了我们的分析问题、解决问题的能
29、力和实践能力，使我们受益匪浅。参考文献： 1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选编 2周立功等。ARM嵌入式系统基础教程.北京:航空航天大学出版社 3周立功单片机发展有限公司.LPC2101/2102/2103使用指南 4周立功单片机发展有限公司. EasyARM2103教材 5谭浩强.C语言程序设计（第二版）.清华大学出版社 6李正军编著. 计算机控制系统 机械工业出版社 7胡汉才编著.微型计算机原理及接口技术清华大学出版社8电子技术基础模拟部分（第四版）.康华光.高等教育出版社19989电子技术基础数字部分（第四版）.康华光.高等教育出版社1998附页1： 图1：
30、LCM128645ZK硬件原理图 图2：PS/2引脚连接如下所示（采用Female格式）图3：PS/2键盘读取时序图图4：键盘硬件图图5：DS18B20测温模块硬件电路图图6：打印机模块硬件电路图图7：语音播放电路图8：ADS1230接线图 图9：AD7705接线图附页二：开始各功能初始化自动校准显示商品单价重量等信息界面选择开中断读 AD转换计算金额和总价显示清单清单=0？YN主程序流程图开始RTC初始化进入各处理子函数LCD初始化PS/2初始化AD初始化打印机初始化ISDN4004初始化主程序初始化程序流程图开始AD初始化读取通道值等待转换结束数据处理送显示读取结果结束NYAD转换流程图开始初始化DS18B20发搜索ROM命令读在线序列号是否存在？扫描按键等待2S读取按键并处理值初始化DS18B20发跳过ROM命令发温度转换命令给ARM发送中断信号发匹配DS18B20命令初始化DS18B20发第一个DS18B20ROM命令读存储器，将温度存入缓冲区有键按下？与标准PS键通码比较得到按键内容开始送显示或执行相应内容中断返回NYYN键盘输入流程图DS18B20测温流程图开始打印机初始化检测判忙位送打印命令送打印数据返回NY开始判忙写各LCD指令写需显示数据显示返回判忙LCD初始化指针指向显示数据NYNY打印机打印流程图 LCD显示流程图- 17 - -