湖南大学电气与信息工程学院

*+ PICIfiF628 U*4R-'rft9M* *944}f 0' Portable Electronic Scale Based on PIC16F628 . 湖南大学电气与信息工程学院 张海霞 滕召胜 要:本文介绍了一种基于PIC16F628单片机的便携式电子秤的测量原理，给出了原理框图，重点 关键词: 介绍了传感器单元、单片机单元的硬件电路与重要的软件程序流程图 电子秤;电容称重传感器;PIC16F628单片机 cweoocwcwco,coacoacwrov 引 言 目前，台式电子秤在商业贸易中的使用己相当普遍，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 形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的基本是杆秤口弹簧盘秤 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，影响到称重 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。多年来，人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的 便携式电子秤(袖珍电子秤)投放市场。 基于电子秤的现状，本项目拟研究一种用单片机控制的高 精度智能电子秤 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 。这种高精度智能电子秤体积小、计量 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。 和页目研究的便携式电子秤主要技术步旨际为:称量范围0^-15kg; 分度值O.Okg;精度等级11IN;电源DC1.51/(一节5号电池供电)。主要功 能有自检、去皮、计价、累计、单价设定、计量单位选择、过载报警 和弱电压指示等。仪器若不进行称量操作，5分钟后自动进入休眠 模式，降低电源消耗。 本文采用变极距式电容传感器，它由一对距离可变的平行 极板构成。两板以弹性元件相连，当向一活动板施加拉力时，两 极板距离发生变化，从而改变了平板电容器的电容量。经电容- 频率转换电路后，电路输出频率与电容成正比。被测物重量与电 容量改变成正比，频率的改变即频差与在传感器上所加重物的 重量成正比，因而变极距式电容传感器有良好的线性度。测质量 时只须测出电容的变化量。然而，电容值的直接测量非常困难。 因此，系统将不易测量的电容变化量转换成易于测量的频率信 号的变化量，并采用高稳定参考电容生成参考频率信号，消除系 统误差，实现高精度测量。电容一频率转换框图如图1所示。两 路频率分别送入后级处理电路，经过数据选择、带通滤波传入单 片机系统。 仪器的测量原理 本文采用电容传感器进行称重，有别于目前市场上使用的 应变式称重传感器。应变式称重传感器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 成本很高，难以普 及，而电容传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好、无接触 测量、分辨力强、适应性强和抗干扰力强等优点，最大特点是价 格便宜，但它的主要缺点是电容量一般很小，仅几十至几百皮 法，甚至只有几个皮法，环境变化将影响电容量发生变化，因而 应用受到一定程度的限制。在电子称重技术的应用中，可将电子 线路紧靠传感器的极板以减小电缆分布电容的影响，利用微处 理技术对电容式传感器的温度特性和非线性特性进行补偿。 图1电容一频率转换框图 硬件电路设计 仪器的构成 本文研究的便携式电子秤硬件系统由电源、电容传感器、高 稳定参考电容、ICM7556定时器、MAX325多路开关、PIC16F628 单片机系统、控制键盘、LCD显示等组成。测量系统硬件电路框 图如图2所示。 图2 仪器结构框图 .[f/ 世界电子元器件 2004.12 PIC16F628的主要功能特点 PIC16F628单片机是Microchip公司的PIC系列单片机之一。 PIC 8位单片机系列是该公司推出采用RISC (Reduced Instruc- tion Set Computer)结构的嵌入式控制器，具有执行速度高、功耗 低、体积小巧、工作电压低、驱动能力强、品种丰富等优越性能。 其总线结构采取数据总线和指令线分离独立的哈佛((Harvard)结 构，具有很高的流水处理速度。与同类8位单片机相比，程序存储 器可节省一半，指令运行速度可以提高4倍左右。此外，PIC系列 单片机集成了一系列外部功能模块，例如:上电复位电路、I/O引 脚上拉电路、看门狗定时器等。这样，在组成系统时，就可以最大 限度的简化电路、降低成本，提高系统的可靠性。 PIC16F628单片机具有直接驱动液晶显示器的能力。输入端 口具有跳变中断能力，能方便地接收按键输入，另有多级外部及 内部中断，可通过程序禁止主晶振振荡而使单片机进入低功耗 状态，适合用于以电池作能源、需液晶驱动的应用场合。 PIC16F628单片机的工作电压范围为3.OV--5.5V，时钟频率为 DC--20MHz，内部具有1Kx 14(位)片内程序存储器，224字节通用 RAM, 128字节EEPROM,15根双向}/O线和10个中断源，并带有一个 16位定时器川‘数器((TMR1)和一个8位定时器/计数器((TMRO) o PIC16F628的精简指令集仅有35条指令，除了地址分支跳转 指令(GO下O. CA比)为双周期指令外，其余皆为单周期指令，执 行速度可调范围宽(DC-200ns)，具有8级硬件堆栈，3种寻址方 式(直接、间接、相对)。 PIC16F628的15个}/O口均是独立双向可编程的，并可直接 驱动LED数码管，最大拉电流和灌电流分别为25mA和20mA o 下MRO带有8位可编程预分频器，可进行1-256分频。 PIC16F628信息处理单元电路的设计 PIC16F628是整个系统的信息处理核心。它需要完成键盘输入 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 、采样通道选择、信号 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 处理、信息显示、欠电报警和过载报 警等多种智能功能。单片机信息处理单元电路如图3所示。图中采 用的MAX325是MAXIM公司生产的精密单电源SPST (single-pole single-throw)模拟开关，它由一个常开型开关和一个常闭型开关组 成，具有低功耗、低导通电阻等特点。该芯片两控制端(IN1, IN2)均 连接CPU的RB3引脚，系统两路频率信号输入通道的选择由CPU控 制口低电压检测信号通过芯片6脚((INT)输入，低压时产生外部中 断。键盘检测信号与芯片10--12脚((RB4--RB6)相连，有键按下，就产 生RB口电平变换中断，在中断服务程序中，扫描键盘，取得键值。显 示缓冲区的写入依靠芯片中通用同步/异步收发器 ((USART)，显示 昙LCD的数据端和时钟端分别与芯片的7脚(DT),8脚(Cx)相接。 系统主程序 系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行，它是 单片机系统程序的框架。系统上电后，对系统进行初始化。初始 化程序主要完成对单片机内专用寄存器的设定，单片机工作方 式及各端口的工作状态的规定。系统初始化之后，进行计数器读 取、零点校正、过载检测等工作。主程序流程图如图4所示。 Flag. l=1一单价键按下标志位 mass一质量显示寄存区 num-键盘信息寄存区 lcd一一显示数据寄存区 sleep一系统不工作时间定时寄存器 图4系统主程序流程图 中断服务程序设计 系统程序设计中，键盘检测产生外部中断，采样通道产生内部 定时中断。在中断优先级的问题h，因为PIC16F628单片机只有一个 中断入口地址0004h，每种中断都要由此进入中断程序，所以中断程 序开始现场保护后，要进行各种中断标志位的]P1页序检测和判断。当判 断到中断标志位时，转到相应的中断服务子程序中，根据检测标志位 的Up序，定义中断优先级，先判断定时中断优先级最高，其次是键盘 检测中断。中断服务程序流程图如图5所示。 软件设计 作为便携式仪器，系统在整个设计过程中遵循简化硬件电 路，以软件设计代替硬件的设计原则，最大限度的减小仪器的体 积和重量，因而系统的软件实现功能丰富。软件设计采用模块化 结构，主要有人工校正模块、欠电报警模块、键盘检测模块、采样 通道切换模块和数据处理模块。 图5 中断服务子程序 采样通道切换模块，系统传感器单元含有两个电容一频率 转换电路，两个电路输出信号的获取均通过单片机PIC16F628的 计数器1实现。利用定时器0的定时中断功能，每隔0.1S切换一次 振荡工作电路及模拟开关MAX325通道。定时器0中断服务程序 流程图如图6所示。 世界电子元器件 2004.12 了了 . 清sleep定时寄存器 停止c一转换 停止计数器1工作 扫描键盘 得键值 键值写入key 图6定时器0中断服务程序流程图 图7键盘中断服务程序流程图 键盘检测模块，系统中按键组合成键盘后排列成3x5矩阵 形式，采用RB口中断的方式检测键盘中有无按键。对各列线都送 以低电平(称为’.全扫描，’)，若有键按下，则产生中断。进入中断程 序后，通过“逐列扫描11 (逐列送低电平)，查看各行线电平值来鉴 别被按下的键，返回键值。对按键的具体处理由主程序中键盘处 理子程序完成。键盘检测中断服务程序流程图如图7所示。 软件抗干扰设计 测量算法采用数字滤波、曲线拟合两种数据处理方法。数字 滤波(软件滤波)复用性好、可实现超低频滤波且修改方便。因 此，在硬件滤波设计基础上，系统通过软件滤波进一步滤除有害 干扰信号。同时，曲线拟合使系统对测量曲线进行不失真跟踪处 理，也保证了测量计算的准确性。 PIC16F628片内带有看门狗定时器 (WDT)，它是一个拥有 独立的RC时钟信号源、计时周期约为18ms的CPU片内自激式 RC振荡计时器。在烧写程序时借助程序烧写器启用WD下，一旦 程序跑飞，WD丁将立即强迫程序返回到复位向量处(在复位向量 处安排了一段出错程序)，即可将系统纳入正轨。 软件低功耗设计 因为系统功耗正比于CPU的工作时间，所以尽量缩短CPU 的运行时间应是低功耗软件设计的一条重要准则。 (1)使用单片机睡眠方式 PIC16F628设有低功耗模式，即睡眠方式((SLEEP)。便携式 电子秤作为随身携带的手持式称量器具，一定不是常处在工作 状态。在未关断电源的情况下，当器具闲置了预定的一段时间 后，单片机将自动进入SLEEP模式，在11睡眠方式，耗电小于扣Ao (2)使用单片机的中断功能 系统软件设计应用了三个中断:RB口中断(用于检测键盘输 入)、外部中断(用于低电压检测)、定时器0中断(用于切换频率 量输入通道)。中断的使用有效地减少了CPU的运行时间，从而 降低功耗。 本系统中，严格选用低功耗的C!VOS器件，硬件仁的配合简单而有 效，软件上的设计周密而层次分明，整个系统育慧正的实IM AP江作。 结束语 本文设计研究的准确度等级m级、最大称量15kg并集多种 智能功能于一体的便携式电子秤，技术指标参考了目前国内市 场上使用最多、国内外产量最大的电子衡器的技术指标，由此可 预见产品投放市场后将有极大的竞争力。 ? ? ? ? ? DATACLK 盯目1. . 42 世界电子元器件 2004.12