智能电子秤课程设计报告.pdf

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1、贵州大学单片机课程设计I 单片机课程（设计） （设计目）题：智能电子秤 学院：明德学院 专业：机械设计制造及其自动化 班级：机电 12151 学号： 学生姓名： 指导教师： 2015 年 6 月 20 日 贵州大学单片机课程设计II 贵州大学单片机课程（设计） 诚信责任书 本人郑重声明：本人所呈交的课程设计，是在指导老师的指导下独立 进行研究所完成。在文本设计中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。 特此声明。 课程（设计）作者签名： 日期： 2015.06.20 贵州大学单片机课程设计III 智能电子称 摘 要 现代社会随着人们生活水平的提高，人们对自己的身体健

2、康越来越关注，而体重又 是衡量身体健康与否的一个重要标准，因此用一台体重计定期测量自己的体重是很必要 的。传统的体重秤是仪表形式的，不仅测量的误差比较大，而且读数很不方便，体积上 会占用更多的空间。因此一款便携，易操作，测量精度高的体重秤就很能满足人们的需 求。 本文以松翰 SN8P1937 单片机为核心， 基于 Auto-Run 功能，当待测重量达到体重秤 的开机重量时便开始称重， 不像以前的体重秤要用脚踩脚踏开关才能开始称重。该单片 机内部集成了 16 位的 AD转换功能，可编程增益放大器，液晶驱动等丰富的片内资源。 该系统只有在称重的时候在正常模式工作，此时会打开硬件资源， 其他时间都工

3、作在绿 色模式，绿色模式芯片的电流只有几个微安，因此，该款体重秤非常省电，有很好的实 用性和环保性。 该设计分为硬件设计和软件设计两大部分。硬件设计部分分为：LCD显示部分，压 力信号采集与转变， EEPROM，低电压检测模块和部分按键。由于压力传感器的输出信 号是非线性的，所以如果利用线性的处理方法有很大误差，使测量结果不准。因此采用 分段线性的方法完成AD转换部分和放大电路部分的设计。软件部分先完成各个模块的 底层驱动，然后完成应用层的设计，最终使系统达到预期的结果。 关键词：体重秤， SN8P1937 ，Auto-Run 功能，压力传感器 贵州大学单片机课程设计IV Intelligen

4、t electronic Abstract Modern society, as peoples living standards improved, people become increasingly concerned about their health, as weight is an important factor whether healthy or not .It is important for people to use a scales to measure their weight.The traditional form of instrument scales a

5、re not only relatively large measurement errors, but also not easy reading， and volume of the scales will take up more space.So a portable, easy operating, high precision scales, clearly meet the needs of the people. In this paper, Sonix SN8P1937 MCU core, based on Auto-Run feature, it works when we

6、ight tested reaches the minimum of the weighing scales,unlike the previous of weighing scales use foot pedal to begin counting. The MCU integrates a 16-bit AD conversion, programmable gain amplifiers, LCD driver rich on-chip resources and so on. The system only weighing when in normal mode, open the

7、 hardware resources, the other time working in the green mode, green mode only cost a few microamps of current,so this kind of weighing scales is very power savings and have a good practical and environmental protection. The design is divided into two parts, hardware design and software design. The

8、part of hardware design is divided into: LCD display part, the pressure signal acquisition and change, EEPROM, low voltage detection module and some buttons. As the pressure sensor output signal is nonlinear, so if the linear approach will cause error. The method used piecewise linear to complete th

9、e part of AD conversion part and the design of amplifier circuit. At 贵州大学单片机课程设计V first,software part complete the bottom driver of each module, and then complete the design of application layer, eventually the system to achieve the desired results. KEYWORDS:Weighing Scale,SN8P1973,Auto-Run Function

10、, Pressure Sensor 贵州大学单片机课程设计VI 目 录 诚信责任书 .II 摘 要 . IIIII Abstract . IVV 1 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 称重技术和衡器的现状和发展趋势 2 1.3 体重秤的研究现状和发展趋势 3 1.4 课题提出的背景和意义 4 1.5 课题的主要工作及论文结构安排 4 2 体重秤功能与操作方法 6 2.1 体重秤的功能 6 2.1.1 称重 6 2.1.2 零点校正 6 2.1.3 分段校正 7 2.1.4 增益设置 7 2.1.5 AD 采样速率设置 7 2.1.6 AD 参考电压设置 7 2.1.7 LCD 参数设置 7

11、2.2 体重秤的操作 7 2.3 本章小结 8 3 系统总体设计 9 3.1 系统方案选择 9 3.2 单片机选择 11 3.3 传感器选择 15 3.4 显示器件选择 18 3.5 本章小结 18 4 系统硬件设计 19 4.1 单片机外围硬件电路设计 19 4.2 传感器电路 20 4.3 液晶驱动电路设计 21 4.4 键盘电路设计 23 4.5 EEPROM 外围电路设计 24 贵州大学单片机课程设计VII 4.6 通道转换和自动增益电路 26 4.7 电池低电压检测电路 27 4.8 AD 外围电路设计 29 4.9 系统总体电路图 31 4.10 本章小结 . 31 5 系统软件设

12、计 32 5.1 系统软件总体架构设计 32 5.1.1 底层驱动层 32 5.1.2 介面层 33 5.1.3 应用层 33 5.2 单片机模式切换 33 5.3 系统主程序设计 34 5.4 LCD 驱动子程序的设计 35 5.5 电池低电压检测程序设计. 36 5.6 AD 子程序的设计 37 5.7 键盘扫描子程序的设计 38 5.8 数据处理子程序设计 39 5.9 初始化找平衡程序 41 5.10 校准子程序 . 43 5.11 快速称重子程序 . 43 5.12 本章小结 . 46 6 总 结 47 致谢 48 参考文献 48 附录 总体硬件电路图 50 贵州大学单片机课程设计1

13、 1 绪论 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。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以显著提高。作为体重测量仪器， 电子体重秤以其测量的准确性 和高速性开始逐渐取代传统的仪表体重秤，成为测量体重领域的主流产品。 1.1 引言 重量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。公元前， 人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木

14、材或陶土制作的容器对交换货物进行计 量。以后，又采用简单的秤来测定质量。据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东 和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取 代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的 市场前景。现在能源危机越来越严重，节能问题越来越被别人关注，功耗越低就越受欢 迎。 现在电子产品越来也多， 给人们的生活提供很多方便，体重秤作为电子秤的一个分 支在人们的日常生活中扮演着越来越不可或缺的角色。体积小，易操作，易读数，测量 精度高，耗电低的体重秤肯定会更加受到人们的青睐。 本设计就是满足上面需求的一种体重秤，采用

15、16 位的 AD转换， 使得测量精度更高； 整个秤体积很小，方便携带；采用液晶显示方便使用者读数；通过按键可以切换单位； 系统上电后就运行在绿色模式下，内部的高速时钟关闭，所有的硬件资源也关闭，这样 电流只有 5uA左右，非常省电。系统每隔1s 从绿色模式唤醒一次，当系统检测到重物 贵州大学单片机课程设计2 的重量达到开机重量后便开始进入正常工作模式工作，这样不仅很省电而且其自动开机 功能让操作简化。 1.2 称重技术和衡器的现状和发展趋势 衡器是通过作用于被测量物体的重力来确定该物体质量的计量器具。在整个衡器的 发展过程中，先后主要出现了六种类型的衡器：架盘天平、不等臂平台秤、吊车秤、倾 斜

16、象限杆秤、弹簧秤和自动秤。其中，不等臂平台秤（“十进秤”）是当今动态轨道衡 的鼻祖，至今它仍是最通用的一种秤。 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。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达 到国际 90 年代中期的水平。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 量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我 国电子衡器

17、产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与 工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能 不全、稳定性和可靠性较差等。 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、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定 性高、可靠性高；其功能趋向是称重计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。 我国的电子衡器要打入国际市场。参与国际竞争。 就必须执行国际法制计量组织制 定的国际建议并要有国际水平的技术与装备、有国际水平的质量。 这就要求企业以技术

18、贵州大学单片机课程设计3 为先导、以质量为中心、以管理为基础，努力提高制造技术与制造工艺水平，稳定产品 质量。增强国际市场竞争能力。 1.3 体重秤的研究现状和发展趋势 体重是人体健康的一个重要指标，所以人们对体重秤的要求也越来越高，从传统的 杠杆式到现在的高精度， 易操作体重秤， 体重秤正在随着人们的需求不断更新。现在我 们可以见到的体重秤有指针式的， 和用 LCD显示的。随着人们对精度和测量速度的要求， 电子体重秤有广阔的前景。 目前市面上的体重秤做到了占用空间少，操作方便，测量精 度高等基本的测量功能，但是集多功能为一体的体重秤将会是未来发展的一个趋势。 智能化和多功能化是体重秤发展的主

19、要方向。各种新技术、新器件、新理论的出现 和计算机网络的飞速发展， 必将给体重秤的发展和应用提供广阔的天地。目前应用比较 广泛、 技术比较成熟的智能化电子秤已经得到了广泛应用，该系统已经能够集体重测量， 身高测量，与 PC机通信及数据分析等功能于一体。 随着今后技术的发展， 智能化的普及以及系统复杂程度不断增加，体重秤一定会有 越来越广泛的发展前景。 可以通过更多的传感器测量人体的血压，脂肪，体重，身高等。 并通过串口通信与PC机进行通信， 通过 PC机将接收到得数据进行分析和比较，然后结 合一些医学常识可以做一个专家系统。将你自身的数据进行分析， 经过专家系统分析后 反馈给用户他自身的状况，

20、 提醒他应该注意的事项。 这样就可以自己在家里对自己的身 体进行实施监控。随时关注自己身体健康。特别是对有老人的家庭，这样的系统更是必 不可少。 在我国，集多能于一体的体重秤还并没大量普及。可以预见，多功能，智能化体重 秤技术必将随着我国相关技术的发展而逐步完善和成熟，广泛地使用在家庭生活中， 将 会为提高我国的人民的身体素质及延长平均寿命做出巨大贡献。 1 贵州大学单片机课程设计4 1.4 课题提出的背景和意义 在欧洲国家，人们很注意自己的健康状况，体重秤成了每家必备的工具，人们可以 搭配自己的饮食结构，使其更加的合理。随着我国经济的发展，人民生活水平的提高， 人们也开始注意自己的饮食结构和

21、生活质量，我国市场对各种各样的电子秤的需求也越 来越旺盛，但是我国体重秤产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，产品 的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等问题一直困扰着我们，针对如此强 大的市场需求， 对体重秤的深入研究成了一种发展趋势。而目前市场上的体重秤采用的 是指针式的显示方式，测量不准确，精度不够高，只能给出模糊的测量结果，系统的稳 定性和抗干扰性能也很差而且系统的功耗高，不利于节能环保。 当然也有一些高档的体 重秤，采用 LCD显示，转换精度也很高，系统的各项性能和功能也很优越，但是价格又 很高，所以就需要设计一款高精度低成本，高性价比的体重秤，本文就是基于此目的，

22、 以普通称重系统为例，设计出了一款最大称重150KG ，最小起秤重量2KG ，低功耗，高 可靠性的体重秤。 1.5 课题的主要工作及论文结构安排 体重秤主要从系统的整体设计、方案选择和各模块的软硬件实现来说明。在系统的 整体设计和方案选择中对系统选用的各种芯片进行了说明，主控芯片选用的是SONIX公 司的 SN8P1937 芯片，该芯片带有一个内部的16bitAD 转换器、一个可编程增益放大器、 一个多路开关、 内置的温度检测电路和低电压检测电路，所以硬件的设计变的非常的简 单，EEPROM选用的是 ATMEL 公司的 AT24C02 。在各个模块电路的实现中，软件设计是本 次设计的重点。 论

23、文结构安排如下： 第一章为绪论，主要介绍课题的背景，分析了体重秤的意义和需求，体重秤的发展 贵州大学单片机课程设计5 现状，并依此总结了提出本课题的必要性和以后的工作安排。 第二章对体重秤功能进行讲解， 主要对它具有的功能和它的操作过程进行了详细的 描述。 第三章为系统总体方案的设计，它主要从系统方案选择， 单片机选择以及传感器的 选择对系统的设计方案进行确定。 第四章为系统的硬件设计部分，首先讲述了SN8P1937 的外部电路，由于 SN8P1937 具有强大的片内外设， 所以在硬件设计的时候只需要按着该芯片的外部电路的要求进行 设计即可，其次对各外设电路进行了设计，如键盘电路、EEPROM

24、电路。 第五章为系统的软件设计部分， 这部分是整个系统的重点， 由于主控芯片 SN8P1937 的选择使得整个系统的硬件电路变的简单同时它的软件设计就变的复杂，这部分主要分 为 LCD驱动程序的设计、键盘子程序的设计、AD子程序的设计、电池低压检测子程序 的设计、校机子程序，初始化找平衡子程序和数据处理子程序的设计。 第六章为总结。对全文做了总结，讲述了该系统最终实现的功能。 贵州大学单片机课程设计6 2 体重秤功能描述与操作方法 2.1 体重秤的功能 本系统是基于松翰1937 单片机设计的，该单片机有丰富的片内资源，在下一章中 将会详细介绍。 该单片机有四种工作模式： 正常模式，绿色模式，低

25、速模式， 睡眠模式。 绿色模式是一个低功耗模式。在绿色模式下，只有定时器可以继续工作，其他的硬件资 源都已经停止工作，外部高速 / 内部低速振荡器仍在工作， 芯片工作电流降低至5uA （3V） ， 可通过设定 T0 来确定系统的唤醒时间，也可以由P0/P1 的电平触发信号立即唤醒。在 本系统中，采用T0来唤醒，唤醒的时间间隔为1s。 系统上电之后便工作在绿色模式下，每1s 唤醒一次，进入正常工作模式，检测待 测重物的重量是否达到开机重量（5kg），如果没有到则继续进入绿色模式。当重物的 重量达到 5kg 的时候，系统进入到正常工作模式，此时硬件资源可以正常工作。该体重 秤系统具有自动开机功能，

26、而且功耗低很低。可测量的最大重量为150kg，最小测量重 量为 2kg。当电池电压低于单片机工作电压或待测物体重量超量程的时候系统会报警， 提醒用户。在本次设计中，体重秤的性能可以从以下几部分说明。 2.1.1 称重 体重秤在检测到有压力信号的时候自动开机，在应变片上将重物产生的压力转换成 电压信号，送到AD转换器进行转换，最后将人体的体重显示在液晶屏上。 2.1.2 零点校正 体重秤在每次开机的时候，会读取当前状态的AD转换的值，并同时将该值记录为 零点的 AD值，本次开机的测量均是以此为基准。 贵州大学单片机课程设计7 2.1.3 分段校正 由于传感器的传输曲线不是线性的，而是呈现出抛物线

27、的特性， 为了保证称重的精 度要求，就需要对该传输曲线进行分段线性， 使其与传感器的传输曲线达到更好的拟合。 2.1.4 增益设置 在称重的过程中可以根据待测物的重量，改变可编程增益放大器的放大倍数。来达 到准确测量。 2.1.5 AD 采样速率设置 根据采样定理，为了消除混叠干扰，采样速率最小为2 倍的信号的速率，以不同的 速率采样信号， 可以滤除不同频率的杂波， 所以可以根据实际应用的情况选择适当的采 样速率，使信号更加准确的被转换。 2.1.6 AD 参考电压设置 不同的传感器需要不同的参考电压，为了增强系统的可扩展性， 使系统适应不同的 传感器，可以设置AD的参考电压的值。 2.1.7

28、 LCD 参数设置 LCD的偏压选择、驱动的输出时钟速率和时钟源也是可以控制的，对不同的LCD可 以选择相应的偏压和驱动时钟速率，使得系统可以适应不同的LCD屏，增强了系统的可 扩展性。 2.2 体重秤的操作 以上介绍了体重秤的基本功能，下面介绍体重秤的操作过程，为以后的软件提供参 贵州大学单片机课程设计8 考: (a) 当有负载时体重秤会自动开机，开机即可称重。 (b) 当称重数据稳定后，重量会闪烁3 次后锁定，此时数据为有效读数。 (c) 称重稳定后不会自动解锁，重量保持显示6 秒后关机，要重复称重必须在约6 秒内离秤后在继续，每次称重结束会抓取零点。 (d) 系统上电显示零点的内码值。

29、(e) 切换单位的 I/O 口，电平变化，抓取稳定的零点，然后进入50KG校正点。显 示 50KG闪烁。 (f) 当内码较零点内码超出3000 后，则显示由 50KG闪烁切换到内码显示。 稳定后 进入 100KG校正点。显示 100KG闪烁。 (g) 当内码较 50KG稳定点的内码超出3000 后， 则显示由 100KG闪烁切换到内码显 示。稳定后进入150KG 校正点。显示 150KG闪烁。 (h) 当内码较 100KG稳定点的内码超出3000 后，则显示由 150KG闪烁切换到内码 显示。稳定后写入EEPROM，然后提示 PASS 后进入正常称重模式。 2.3 本章小结 本章主要介绍了体重

30、秤的功能和操作方法，软件操作将上述功能通过软件的方式描 述出来，再加上一些外围电路便可以实现上述功能。 贵州大学单片机课程设计9 3 系统总体设计 3.1 系统方案选择 体重秤的应用系统是由硬件和软件所组成，硬件是指单片机、扩展的存储器、输入 输出设备等；软件部分是各种工作程序的总称。硬件和软件只有紧密结合、协调一致才 能提高系统的性能价格比。 设计硬件的时候应该考虑软件的设计方法，而软件的设计方 法是根据硬件原理和系统的功能要求进行的。按照设计的基本要求， 系统可分为三大模 块：数据采集模块，控制器模块，人机交互界面模块。数据采集模块由压力传感器、信 号的前级处理和AD转换部分组成。转换后的

31、数字信号送给控制器处理，由控制器完成 对数字量的处理。驱动显示模块和键盘完成人机间的信息交换。 在系统设计时，针对各个模块的功能来设计体重秤的方案有以下几种： 方案一：此方案是最简单的设计方案， 将压力传感器的压力信号通过模数转换送入 单片机，单片机对信号处理后送去显示。结构原理图为： 压 力 传 感 器 模 数 转 换 单 片 机 显 示 模 块 图 3-1 方案一的结构原理图 此方案就是最基本的数据采集，简单可行。可以利用单片机内部自带的AD转换功 能进行数据的转换。该方案的硬件简单，软件在编写上也不复杂。但是功能单一，只能 显示，没有输入接口。该系统的电路可扩展性不好，体重秤的功能过于单

32、一，采集到的 信号的抗干扰能力不强，所以达不到设计的标准。 方案二：由于上一个方案存在没有输入，信号的抗干扰能力不强的缺点，所以本方 案中在前一个方案的基础上增加了键盘输入装置，并在电路的前段加上信号调理电路。 贵州大学单片机课程设计10 结构原理图为： 压 力 传 感 器 信 号 调 理 模 数 转 换 单 片 机 键盘模块 显示模块 图 3-2 方案二的结构原理图 此方案的优点是可以通过按键进行单位的转换，由于使用习惯的不同人们习惯用的 测量单位，这样的设计就更加人性化。因为采集到的信号一般都很微弱，如果在遇到干 扰的时候可能会导致测量结果的错误，因此采集到电信号后， 对电信号进行放大，

33、滤波。 增强系统的抗干扰能力， 系统的稳定性会有所提高，让显示的数据也更加准确。此方案 的缺点是电路较复杂，系统的硬件成本会增加。 方案三：第二种方案已经实现了体重秤的基本功能，但是仍然有一些不足，例如当 电池用完时应该提示用户及时更换电池，保存体重秤系统自身的一些信息等。这样就需 要一个低电池检测电路和EEPROM模块。结构原理图为： 压 力 传 感 器 信 号 放 大 模 数 转 换 单 片 机 EEPROM 低电压检测 按键 显示 图 3-3 方案三的结构原理图 此方案的优点是功能完善， 而且操作方案， 在上一个方案的基础上增加了一些更加 人性化的设计，当电池的电量低于目以设定的值时，系

34、统会报警提醒用户更换电池。此 外，加上 EEPROM 后系统的可扩展性大大提高。此方案的缺点是硬件电路复杂，硬件成 本较高。但是该系统在可靠性，扩展性等方面做得很好，因此该方案可以达到设计的要 求。 贵州大学单片机课程设计11 3.2 单片机选择 当前市场上的单片机有51 系列， PIC 的单片机，考虑到设计要求，就需要找到一 款内部带高精度的AD转换器，最好还有可编程增益放大器，电源电压是有电池提供的， 所以这款单片机最好还要有电池低压检测功能，显示的时候一般用的都是液晶显示，也 希望将液晶显示的驱动也带有，而这些功能全部是集成在芯片内部的，这样整个系统的 稳定性和可靠选择性将大大的提高，同

35、时系统的整个设计的规模也将大大减少。 基于以上考虑，我选择了SONIX公司的 SN8P1937 作为主控芯片，该芯片能够在低 电压下以超低功耗状态工作； 其控制器具有丰富的片内外设，图 3-3 给出了该单片机的 引脚图，该单片机的特点如下： (a) 存储器配置 OTP ROM：2K*16bits 、RAM ：128*8bits(bank0)、8 层堆栈缓存器 LCD RAM ：4*12bits 。 (b) I/O引脚配置 单向输入引脚： P0；双向输入输出引脚：P1、P2、P5；具有唤醒功能的引脚： P0、P1；内置上拉电阻： P0、P1、P2、P5；外部中断： P0。 (c) 功能强大的指令

36、集 一个指令周期为4 个时钟周期、所有的指令均为一个字长、大部分指令只有一 个周期、指令的最长周期为2 个指令周期、 JMP指令可在整个ROM 区执行、查 表功能（ MOVC）可寻址整个 ROM 区。 (d) 可编程增益放大器增益可选选项：1x/16x/32x/64x/128x (e) 16-bit Delta-SigmaADC，具有 14 位精度 ADC 的增益可选项： 1x/2x/4x 2 个 ADC信道配置： 1 个全差分通道、 2 个单端输入通道。 贵州大学单片机课程设计12 (f) 两个中断源 两个内部中断： T0、TC0 ，一个外部中断： INT0。 (g) 单电源输入： 2.4V

37、5.5V。 (h) 内置看门狗定时器 (i) regulator 内置 regulator有 2.4V 输出电压，10MA 驱动电流、内置参考电压 1.2V 的 Bandgap 用来监控电池电压、 内置电压比较器、内置 ADC 参考电压 V(R+,R-)=0.3V/0.6V. (j) 内置 0.5S 的 RTC模式 (k) LCD 驱动： 1/3 或 1/2 偏压、 4common*12segment 。 (l) 双重时钟提供 4 种操作模式 外部高速时钟：晶体，最大8MHz 内部高速时钟： 16MRC 正常模式：高低速时钟均可运行 低速模式：仅低速时钟运行 睡眠模式：高低速时钟均停止运行。

38、MCU 的内部结构图，如图3-4 所示： 图 3-4 SN8P1937 的总体架构 贵州大学单片机课程设计13 由图 3-4 可以看出，SN8P1937 包括 CPU 、 RAM 、 ROM 、 Chargr pump 、 Regulator 、 PGIA 、 16bit的 ADC等各种片内外设。 CPU即为中央处理单元，是整个单片机的中枢。它由算 术逻辑单元 (ALU)、控制单元和装用寄存器组3 部分组成。 算术逻辑单元ALU 是一个极强的运算器，不但可以进行简单的算术运算和逻辑运 算，还具有数据传送、移位、判断和程序转移等功能。它为用户提供了精简的指令系统 和极快的指令执行速度，大部分指令

39、执行只需要1 个时钟周期。 控制单元起着控制器的作用，由时序发生器、指令寄存器和振荡器等电路组成。指 令寄存器用于存放从程序寄存器中取出的指令码，经过定时控制逻辑进行译码，并在时 钟脉冲的配合下产生执行指令的时序脉冲，以完成相应的指令的执行。 时钟发生器是控制器的心脏，能为控制器提供时钟脉冲。在SN8P1937芯片中，时 钟可以有两种产生方式： 一种是片内 RC电路产生；另一种是外接晶振或RC振荡器。振 荡脉冲经过分频后，产生时钟脉冲。其频率是单片机的重要指标之一，时钟频率越高， 单片机的速度也就越快，同时单片机的稳定性也就越差。 专用寄存器组是与CPU 密切相关的一组寄存器， 主要用来指示要

40、执行的指令的内存 地址、存放操作数和指示指令执行后的状态等。 贵州大学单片机课程设计14 图 3-5 SN8P1937 的引脚图 引脚说明如表 3-1 表3-1 SN8P1937引脚说明 引脚名称类型说明 VDD,VSS,AVSS P 数字 /模拟电路电源输入端 VLCD P LCD 电源输入端 V2,V3 P LCD 偏置电压 V1 P LCD 偏置电流激活/无效控制端 AVDDR P Regulator 电源输出引脚，V=2.4V ， AVE+ P 传感器的Regulator 输出 =1.5V ，最大输出电流为10mA ACM P BandGap 电源输出为0.4V R+ AI ADC 参

41、考源输入的正极 R- AI ADC 参考源输入的负极 X+ AI ADC 差分输入的正极，和X- 引脚之间连接一个0.01uF 的电容 X- AI ADC 差分输入的负极 贵州大学单片机课程设计15 AI+ AI 模拟输入通道的正极 AI- AI 模拟输入通道的负极 CL+ A chargepumpregulator 电极电容的正极 CL- A charge pump regulator 电极电容的负极 VPP/RST P,I OTP ROM 编程引脚系统复位输入端，施密特结构，低电平有效， 通常保持高电平 XIN/LXIN/P20 I,O 外部高速时钟振荡器引脚(4M)/ 外部低速时钟327

42、68HZ 晶振引脚 /与 P20 共用 IO 口 XOUT/LXOUT/P21 I,O 外部高速时钟振荡器引脚(4M)/ 外部低速时钟32768HZ 晶振引脚 /与 P21 共用 IO 口 P0.0/INT0 I P0.0 和 INT0 引脚共用（施密特结构）/内置上拉电阻 P13:0 I/O P1.0P1.3 双向输入输出引脚/具有唤醒功能/内置上拉电阻 P21:0 I/O P2.0P2.1 双向输入输出引脚/内置上拉电阻和XIN/XOUT引脚共用 P52:0 O P5.0P5.2 单向输出引脚 LBTIN1/2 I 电池低电压检测输入引脚，和P5.1、P5.2 引脚共用 COM3:0 O

43、COM0COM3LCD驱动 COM 端 SEG0SEG11 O LCD 驱动 segment 引脚 由 SN8P1937 的特点可以看出，它丰富的片内外设将大大简化我的设计，所以基于 SN8P1937 单片机的体重秤的结构框图，就可以简化为图3-6 。 压力传感器 键盘输入 SN8P1937 LCD 显示 EEPROM 图 3-6 基于 SN8P1937单片机的体重秤的结构框图 3.3 传感器选择 传感器是指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。通常传感器有敏感元件很热转换元件组成。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

44、出量转换为适用于传出和测量的电信 贵州大学单片机课程设计16 号部分。对于体重秤系统来说，传感器的选择尤为重要。可供选择的方案有： 方案一：压电传感器 压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电传感器。 其工作原理是基于默写 材料受理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，适用于动态力学亮的测量，不 适合测量频率太低的被测量， 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。压电器件的弱点是：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容 及噪声干扰影像输出特性，这对电路要求很高。 方案二：电容式传感器 电容式传感器是将被测非

45、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、具有平均效应等优点。电容传感器可 用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。 电容传感器的基本工作员立刻用最普通的平行极板电容来说明。两块相互平行的金 属极板，当不考虑器件边缘效应 （两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量变化） 时，其电容量为 C=12A/d (3-1) 在式（ 3.1 ）中： d- 两极板间的距离； A- 两平行极板相互覆盖的有效面积； 1- 介质的相对介电常数； 2- 真空中的介电常数。 虽然电容式传感器有结构简单和良好的动态特性等诸多优点，但也有不利因素： 贵州大学单片机课

46、程设计17 (a) 功率小，阻抗高。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般为几皮 法至几十皮法。因为C太小，故容抗很大，为高阻抗元件，负载能力差。由于C很小， 功率也很小，因此容易受外界干扰，信号须经放大，并采取抗干扰措施。 (b) 初始电容很小，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，将各种力学量转化为电信号的结构性 传感器。电阻应变片是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，电阻应变片既可单独作为传感器使用后，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形

47、变而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械 应变先转换为 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，要采用转换电路吧应变片的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，要求采用高增益和高稳定性的放大器放大。 应变片式传感器有如下特点： 应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。 (b) 分辨力和灵敏度高，精度较高。 (c) 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、强磁场等 特殊环境中使用，频率

48、响应好。 (d) 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。 考虑到要测量的体重的量 程，精度和避免超重损坏传感器等因素。传感器的量程必须大于体重秤的额定量程。电 贵州大学单片机课程设计18 阻应变式传感器完全满足本系统的精度要求。 3.4 显示器件选择 方案一：数码管显示 数码管显示直观易懂， 但是只能显示数据， 不能显示文字或图像。 数码管比较廉价， 驱动电路简单，寿命较长，且不易出现故障，但在背景光较强的时候显示不清晰，耗电 比较高。不符合本系统低功耗的设计原则。 方案二：液晶显示 液晶显示显示功能比较强大，除可以显示数字外，还可以

49、显示文字和图像。液晶显 示的价格也不贵，但是功耗很低，抗干扰能力强，并且所选芯片自带液晶驱动能力，因 此，本设计中采用液晶显示。 液晶的显示是由于在显示象素上施加了电场，这个电场由显示像素前后两电极上的 电位信号合成产生。 在显示像素上建立直流电场相对容易，单相的直流电场会导致液晶 材料的化学反应以及电极老化，降低液晶的显示寿命，因此必须建立交流驱动电场。一 般地，由于采用了数字电路驱动，这种交流电场是通过脉冲电压信号来建立的。 3.5 本章小结 本章对系统的方案进行了论证，对系统的主控制器芯片、 传感器的类型及显示器件 进行了选择，最终确立以SONIX公司的 SN8P1937作为主控制芯片，以电阻应变式传感 器为信号采集的器件，以液晶作为显示器件，设计出了系统的结构框图，这对以后的各 模块化的设计指明了方向。 贵州大学单片机课程设计19 4 系统硬件设计 上一章中对系统的整体方案进行了阐述，本章将详细说明各个模块电路的原理及设 计方法。系统的自动开机功能是在指将系统从绿色模式唤醒后，在正常模式下进行重量 的测量和显示。绿色模式是通过寄存器设置的，具体将会在软件部分介绍。 4.1 单片机外围硬件电路设计 单片机的外围电路包括复位电路和振荡电路两部分。 典型的外部复位电路有一下几种： (a) 基本