智能仪器设计.doc

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1、前 言随着社会进步与发展与人们生活水平不断提高，智能化已经成为我们生活一部分。它是现代仪器仪表发展趋势，许多嵌入式系统，电子技术与现场总线领域新技术被应用于智能仪器仪表设计，尤其是许多嵌入式系统许多新理念极大促进了智能仪器仪表技术发展，近年来，智能仪器已开始从较为成熟数据处理向知识处理发展。使智能仪器功能向更高层次发展。同时，人工智能创始者之一，诺贝尔金奖者认为，人工智能研究可以视为计算机科学技术分支。本次设计总体设计方案共分为4个部分：（1）电子秤设计方案（2）设计思路（3）部分电路设计（4）软件组成，这4个部分涵盖了本次设计全部过程。本系统采用单片机AT89S52为控制核心，实现电子秤基本

2、控制功能。系统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、信号前级处理与A/D 转换部分组成。人机界面部分为键盘输入与12864点阵式液晶显示，可以直观显示中文，使用方便。设计过程中还有许多不足之处，望教师给予批评指正。第一章几种软件介绍1.1 MATLAB概述应用MATLABSimulink仿真实验方法可以建立仿真实验环境。直接应用MATLAB工具箱中测量仪器或构建满足工作需要测量仪器，既能提高仿真实验工作效率，又使仿真实验丰富多彩。本章介绍应用Simulink构建与使用测量仪器方法。1.2 电压测量 正弦波示波器

3、用计算机仿真示波器应用是数字技术，可以观测单次现象，正确设置参数后，可以保持结束时波形。如图1-1所示图1-1 正弦波仿真框图正弦波示波显示如图1-2所示图1-2 正弦波示波显示数字式电压表数字式电压表取自LED（自发光）二极管模块 如图1-3所示图1-3数字式电压表仿真框图 指针式电压表指针式仪表将输入量值用图形化指针及相应刻度表示出来，并通过参数设置对话框来设置仪表外观、量程、刻度、颜色及字型等。如图1-4所示图1-4指针式电压表多踪示波器（Scope）仿真示波器显示七踪信号仿真。如下图所示： 图1-5多踪示波器仿真框图图1-6多踪示波器仿真显示图1.3 proteus概述Proteus软

4、件是英国Labcenter electronics公司出版EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好仿真单片机及外围器件工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学教师、致力于单片机开发应用科技工作者青睐。Proteus是世界上著名EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机及外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件与虚拟模型仿真软件三合一设计平台，其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPI

5、C33、AVR、ARM、8086与MSP430等，2010年即将增加 Cortex与DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil与MPLAB等多种编译器。其功能特点Proteus软件具有其它EDA工具软件(例：mulTIsim)功能。这些功能是：(1)原理布图(2)PCB自动或人工布线(3)SPICE电路仿真革命性特点：(1)互动电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。(2)仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理

6、图虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出效果。配合系统配置虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备电子设计开发环境。具有4大功能模块：(1)智能原理图设计(ISIS)丰富器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件;智能器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要器件;智能化连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间;支持总线结构：使用总线器件与总线布线使电路设计简明清晰;可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量BMP图纸，可以方便地供WORD、PowerPOINT等多种文档使用。(2)完善电路仿真功能(Prospice) ProSPICE

7、混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路混合仿真; 超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新仿真器件，还可导入第三方发布仿真器件; 多样激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频(使用wav文件)、指数信号、单频FM、数字时钟与码流，还支持文件形式信号输入; 丰富虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟 终端、SPI调试器、I2C调试器等; 生动仿真显示：用色点显示引脚数字电平，

8、导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件(如电机、显示器件、按钮)使用可以使仿真更加直观、生动; 高级图形仿真功能(ASF)：基于图标分析可以精确分析电路多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析;(3)独特单片机协同仿真功能(VSM) 支持主流CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、 BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器; 支持通用外设模型：如字符LCD模块

9、、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM(COM口物理接口模型)还可以使仿真电路通过PC机串口与外部电路实现双向异步串行通信; 实时仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、*/E*仿真; 编译及调试：支持单片机汇编语言编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC汇编编译器，也可以及第三方集成编译环境(如IAR、Keil与Hitech)结合，进行高级语言源码级仿真与调试;(4)实用PCB设计平台 原理图到

10、PCB快速通道： 原理图设计完成后，一键便可进入ARESPCB设计环境，实现从概念到产品完整设计; 先进自动布局/布线功能：支持器件自动/人工布局;支持无网格自动布线或人工布线;支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理; 完整PCB设计功能：最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层(含板边)，灵活布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D 可视化预览; 多种输出格式支持：可以输出多种格式文件，包括Gerber文件导入或导出，便利及其它PCB设计工具互转(如protel)与PCB板设计与加工。Proteus提供了丰富资源：(1)Proteus可提供仿真元器件资源：仿真数字与模拟、交流与

11、直流等数千种元器件，有30多个元件库。(2)Proteus可提供仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意调用。(3)除了现实存在仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化信号，以图形方式实时地显示出来，其作用及示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想参数指标，例如极高输入阻抗、极低输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果影响。(4)Proteus可提供调试手段 Proteus提供了比较丰富测试信号用于电路测试。这些测试信号包括模拟信号与数字信

12、号。电路功能仿真：在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS原理图中看到模拟实物运行状态与过程。PROTEUS 是单片机课堂教学先进助手：PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验效果，后者则是实物演示实验难以达到效果。它元器件、连接线路等却与传统单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统单片机实验教学功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比大量元器

13、件库，提供了修改电路设计灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神平台随着科技发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程统一特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛应用。使用Proteus 软件进行单片机系统仿真设计, 是虚拟仿真技术与计算机多媒体技术相结合综合运用，有利于培养学生电路设计能力及仿真软件操作能力;在单片机课程设计与全国大学生电子设计竞赛中，我们使用 Proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入

14、条件下，学生普遍反映，对单片机学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus 有较高推广利用价值。PROTEUS设计单灯闪烁电路图电路原理图如图1-7所示XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST939383736353433321234567810111213141716152821222324252627U1AT89C51C130PFC230PFC31vFX1CRYSTALR110kD1LED-YELLOWU2NOT图1-7单灯闪烁单片机系统仿真

15、设计图Keil介绍Keil是德国知名软件公司Keil（现已并入ARM 公司）开发微控制器软件开发平台，是目前ARM内核单片机开发主流工具。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理与一个功能强大仿真调试器在内完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些功能组合在一起。uVision当前最高版本是uVision3,它界面与常用微软VC+界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大功能。因此很多开发ARM应用工程师，都对它十分喜欢。使用Keil来开发嵌入式软件，开发周期与其他平台软件开发周期是差不多，大致有以下几个步骤：1.创建一个工程，选择一块目标芯片，

16、并且做一些必要工程配置。2.编写C或者汇编源文件。3.编译应用程序。4.修改源程序中错误。5.联机调试。uVision3 是一款集编辑，编译与项目管理于一身基于窗口软件开发环境。uVision3集成了C语言编译器，宏编译，链接/定位，以及HEX文件产生器。uVision3具有如下特性：功能齐全源代码编辑器，用于配置开发工具设备库，用于创建工程与维护工程项目管理器，所有工具配置都采用对话框进行，集成了源码级仿真调试器，包括高速CPU与外设模拟器，用于往Flash ROM下载应用程序Flash编程工具，完备开发工具帮助文档，设备数据表与用户使用向导。uVision3具有良好界面风格，下图是一个典型

17、调试时窗口如图1-8所示图1-8典型调试时窗口第二章 设计方案1.设计要求设计一个实用电子称电路。要求用仿真软件对电路进行验证，使其满足：能用简易键盘设置单价，对采集到代表重量信号能同时显示重量、金额与单价；重量显示单位为公斤，最大称重为；单价与总价单位为元，最大金额数值为9999.99元；具有去皮功能与总额累加计算功能。自拟10种商品名称，能显示购物清单，清单内容包括：商品名称，数量，单价，金额，本次购物总金额、购货日期、收银员编号与售货单位名称，具有中文显示功能。根据设计要求，首先要实现电子秤称重基本功能，需要通过重量传感器采集到重量信号，经处理后由模数转换转换成数字量，因此每一数字量就对

18、应着一个物体重量（在一定精度范围内），所以只要将转换数字量及物体重量建立映射关系即可完成称重要求。而其他功能这可通过程序运算来实现。总体结构框图如下：.控制器部分本系统基于51系列单片机来实现，因为系统需要大量控制液晶显示与键盘。不宜采用大规模可编程逻辑器件：如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，即所解决问题都是规则有限状态 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要求，我们最终选择了AT89S52 通用比较普通单片机来实现系统设计，其内部带有8KB程序存储器，可以满足系统设计需求。数据采集部分1） 传感器题目要求称重范围

19、 ，考虑到秤台自重、振动与冲击分量，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 。我们选择是 L-PSIII 型传感器，量程20Kg，精度为，满量程时误差。可以满足本系统精度要求。其原理如下图2-1所示：图2-1传感器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电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。 通过综合考虑我们采用专用仪表放大器芯片，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、线性度好，并且外部

20、接口电路简单。以 INA126为例，引脚电路如下图所示：放大器增益，通过改变大小来改变放大器增益。2.2.3 A/D 转换器由上面对传感器量程与精度分析可知： A/D 转换器误差应在以下。12 位 A/D 精度： 10Kg/4096=14 位 A/D 精度： 10Kg/16384=考虑到其他部分所带来干扰 ,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 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，是理想高速、高精度、省电型 A/D 转换器

21、件。高精度逐次逼近型 A/D 转换器一般都带有内部基准源与内部时钟，基于89C52 构成系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。但考虑到所转换信号为一慢变信号，逐次逼近型 A/D 转换器快速优点不能很好发挥，且根据系统要求，14 位AD足以满足精度要求，太高精度就反而浪费了系统资源。所以此方案并不是理想选择。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 转换器具有很强抗干扰能力。对

22、正负对称工频干扰信号积分为零，所以对50HZ工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）有良好滤波作用。只要干扰电压平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化压力信号，很容易受到工频信号影响。故而采用双积分型 A/D 转换器可大大降低对滤波电路要求。积分型 A/D 转换器可大大降低对滤波电路要求。作为电子秤，系统对AD 转换速度要求并不高，精度上14 位 AD 足以满足要求。另外双积分型A/D 转换器较强抗干扰能力，与精确差分输入，低廉价格。综合分析其优点与缺点，我们最终选择了 ICL7135 。2.3 人机交互部分 键盘输入键盘输入是人机交互界面中最重要组成部分，它是系统

23、接受用户指令直接途径。 我们通过综合考虑采用了专用键盘管理芯片74C922。在电子计价秤中，带有16个按键矩阵组设置，其中09数字键用于输入单价及商品代码，DEL用于单价清空，累计键用于费用累计，去皮键用于重量去皮，还设置有一个转换键与退出键。鉴于此，我们采用专用键盘管理芯片74C922。74C922为CMOS工艺技术制造，工作电压为315V，“二键锁定”功能，编码输出为三芯输出，可直接及微处理器数据线相连，内部振荡器完成44矩形键盘扫描，有按键时，DA变高，通过非门接到AT89C51INT1口，并且设INT1为边沿触发方式，当DA变高时，经过非门变为低电平跳变产生INT1外部中断，使AT89

24、S52从数据总线读按键值，判断键值从而完成相应程序功能。根据接线图及74C922芯片真值表，我们可以将数字键09、键DEL、转换键、退出键、累加键与去皮键及ABCD输出（00001111）建立一一对应关系，接线图见下图。 显示输出由于设计题目要求中文显示 ，而数码管无法满足，只能考虑用带有中文字库液晶显示器。由于可以分页显示，无需太大屏幕，我们选择了点阵式12864型 LCD 。第三章 电路设计3.1 前端信号处理INA126构成放大器及滤波电路：通过调节阻值来改变放大倍数。微弱信号Vi1与Vi2被分别放大后从INA126第6脚输出。A/D转换器ICL7135输入电压变化范围是-2V+2V，传

25、感器输出电压信号在020mv左右，因此放大器放大倍数在200300左右，可将接成滑动变阻器。由于ICL7135对高频干扰不敏感，所以滤波电路主要针对工频及其低次谐波引入干扰。因为压力信号变化十分缓慢，所以滤波电路可以把频率做得很低。3.2 模数转换电路基于ICL7135A/D转换器实现电路：由于ICL7135内部没有振荡器，所以需要外接。ICL7135时钟频率典型值为200kHz最高允许为1200kHz，时钟频率越高，转换速度越快。每输出一位BCD码时间为200个时钟周期，选通脉冲位于数据脉冲中部，如果时钟频率太高，则数据接受程序还没有接受完毕，数据就已经消失了。考虑到此系统频率要求不是太高，

26、且单片机工作频率也不是很高，因此我们取时钟频率典型值：200kHz。此外ICL7135外部还需要外接积分电阻、积分电容，由于A/D转换器精度及外接积分电阻、积分电容精度无关，因而可以降低对元件质量要求。ICL7135还需要外接基准电源，这是因为芯片内部基准源一般容易受到温度影响，而基准电源变化会直接影响转换精度。所以当精度要求较高时，应采用外接基准源。一般接其典型值1V。第四章 软件组成如下图4-1程序流程图所示：图4-1程序流程4.2 键盘服务程序键盘段程序采用中断方式，单有键按下时，引入一个外部中断，单片机响应中断后立即查询所按键值，并对应存入相应全局变量中。中断返回后，通过在主程序中不断

27、判断个功能标志位值来实现在各个功能间切换；数字键则用来输入单价与选择商品名称。4.3 模数转换程序模数转换子程序主要功能是实现对转换结果处理，包括转换启动、等待转换完成并读入转换结果，以及对转换结果换算，使之及所要达到要求建立一一对应关系。本系统采用16键键盘来实现，分为10个数字键0-9及6个控制键。数字键：用于输入单价与选择所存商品；累加键：相当于确认，可以将当前信息保存至购物清单；并且将金额累加，得到所购买商品总金额。去皮键：用于去除皮重；清除键：用于输入单价错误时，重新输入；退出键：用于退出当前模式，回到普通模式；模式转换键：按下后可直接输入商品代码，并可以显示购物清单。另外，已存入1

28、0种商品单价均可重新设置，直接输入其单价即可，方便实用。如果所称重物超过了系统最大量程10Kg,则蜂明器发出报警声音。通过分块调试与整体调试相结合，发现不足并逐步调整，最后各部分工作正常。所设计电子秤仿真系统能基本满足设计要求，能较好实现普通称重、累加计费、去皮以及输入商品并显示购物清单功能。以下为部分功能下LCD显示：设计小结本仿真设计虽能基本上满足设计要求，但很大程度上仍需较大改进。首先，数模转换只能作为演示程序以实现功能之用，而要使精度达到要求，至少要使用14位或以上AD；其次，程序比较冗杂，仍需优化。再次，通过此次设计，深感一个团队重要性。由于组队仓促，再加上相互间了解不多，以至同组队

29、员中途放弃。个人之力总有局限，难以完成所有要求。附录1附录1 仿真电路图附录2 部分源程序1. LCD显示程序：void pulse()e=1;e=0;void busy_check(char right)P0=0xff;if (right=1)P2=0x13; /P2=0x13;while(!busy);if(right=0)P2=0x0b; /0bwhile(!busy);void cmd_w(char cmd,char right)busy_check(right);if (right=1)P2=0x10;if (right=0)P2=0x08;P2=0x08;P0=cmd;pulse(

30、);void data_w(char dat,char right)busy_check(right);if(right=1)P2=0x14; /0x14if(right=0)P2=0x0c; /0cP0=dat;pulse();void lcd_init()uint i;cmd_w(0x3e+1,0);/显示开关cmd_w(0xc0+0,0);/修改显示起始行cmd_w(0xb8+0,0);/修改页地址cmd_w(0x40+0,0);/修改列地址cmd_w(0x3e+1,1);cmd_w(0xc0+0,1);cmd_w(0xb8+0,1);cmd_w(0x40+0,1);for(i=0;i2

31、56;i+)data_w(0x00,0);cmd_w(0xb8+4,0);cmd_w(0x40+8,0);for(i=0;i256;i+)data_w(0x00,0);for(i=0;i256;i+)data_w(0x00,1);cmd_w(0xb8+4,1);cmd_w(0x40+8,1);for(i=0;i256;i+)data_w(0x00,1);char chang(char a)char temp,i;for(i=0;i8;i+)temp=1;return(temp);2. 键盘服务程序void key()uchar a;delay(60);a=P3&0x0f0;a=a4;switc

32、h(a)case 0:bii=7;break;case 1:bii=4;break;case 2:bii=1;break;case 3:b10=10;break; / 清除case 4:bii=8;break;case 5:bii=5;break;case 6:bii=2;break;case 7:bii=0;break;case 8:bii=9;break;case 9:bii=6;break;case 10:bii=3;break;case 11:b10=11;break; /确认case 12:b11=12;break; /退出case 13:b12=13;break; /模式转换cas

33、e 14:b13=14;break; /去皮case 15:b13=15;break; /累加if(b12=0&ii=2&!(a=3|a=11|a=12|a=13|a=14|a=15)ii+;3. 模数转换程序uint ADTransform()uint Result;START=1; /启动AD转换。START=0;while(EOC=0); /等待转换结束。Result=ADOUT; /读入转换结果。Result=(uint)(39.2118*Result); /处理运算结果。return Result;实训总结五周实训总结即将结束了，在这短暂时间里，我们基本实现了所有功能，在理论基础上更

34、深刻掌握了智能仪器深层内容及实际生活中应用，实训锻炼了自己动手能力与思维能力，让自己掌握了实际动手操作能力，但还存在许多不足，我也会在今后学习中认真改进。通过实训，让我更熟悉掌握了Keil ， proteus , 等这些应用程序运用，让我学会了如何制作智能仪器仿真，更加懂得智能仪器这门学科重要性，这些天我经过教师耐心讲解与指导通过自己认真动手操作，终于完成了电子称仿真。但在实训中间暴露出很多问题：对平时上课讲理论知识没有完全掌握消化，到了实际操作中还得请教教师与同学，在元件资源上也存在缺陷，使得设计并不是那么完美。这些问题发现，有助于提高我在以后工作与学习中对此类问题认识，确保不在同一问题上再次犯错。以一种端正态度去学习，一种足够信心去挑战，不断创新，不断进取。没有最好，只有更好。 参考文献1 何立民. 单片机高级教程 第1版北京：北京航空航天大学出版社，2001.2 赵晓安. mcs-51单片机原理及应用. 天津：天津大学出版社，2001.3 李广第 单片机基础 第1版北京：北京航空航天大学出版社，1999.4 徐惠民，安德宁 单片微型计算机原理接口及应用北京：北京邮电大学出版社，1999.5 何立民单片机及嵌入式系统应用.上海：同济大学出版社，2002.第 20 页