隨著電子技術的進步,傳統的家用桿式秤和彈簧秤己被琳瑰滿目的電子秤所取代,但是,市面上的電子秤普遍存在精度不夠 高、不夠實用(沒有考慮到有視力障礙人士或者聽力障礙人士需求)等缺點。針對上述情況,基于ADI公司生產的自帶雙24位 ADC的控制器芯片ADuC7061設計了一種帶有語音功能和LED數碼管顯示功能的家用小量程(0 -20kg)電子秤。
0.引言
在日常生活中,家家戶戶都離不開秤,過去我們 用的是桿秤、彈簧秤稱。但是,這些稱大都笨重、操作 繁瑣,而且也不太精確。現在,隨著電子技術的發展, 過去很稀奇的電子秤現在逐漸走人了尋常百姓家,而 且越來越普及。針對這種潮流,開發設計出了一款能 滿足日常應用的精度較高、使用方便的電子秤,而且由 于該電子秤使用了亮度較高的LED數碼管和語音報重 芯片,特別適合家里有視力或聽力障礙人士使用。
1.系統組成及原理
本電子秤系統如圖1所示,是由供電模塊、稱重 傳感器、主控芯片、鍵盤模塊、數碼顯示模塊和語音模 塊組成。其基本工作過程如下:稱重傳感器將物體重 量轉換為電信號,輸人主控芯片的ADC模塊,經主控 芯片處理后進行顯示和語音報重,通過四個按鍵進行 系統的開/關、復位、去皮和語音開/關控制。
2.各模塊選擇及使用
2.1 主控芯片ADuC7061
由ADI公司近期推出的處理器芯片ADuC7061 是一款完全集成的8 kSPS、24位數據采集系統,在單 芯片內集成高性能多信道2 - A模數轉換器(ADC)、 32位ARM7TDMI MCU和Flash/EE存儲器,它由內 置兩個差分對或四個單端通道的主ADC和內置七個 通道的輔助ADC組成,可以工作在單端模式或差分 輸入。主ADC是一個24位4通道ADC。輔助ADC 是一個24位S - A ADC,最髙可支持7個單端輸人 通道。主ADC輸人級有一個多路復用器和一個可編 程增益放大器。位于主通道上的多路復用器可配置 成兩個全差分輸入通道或者四個單端輸人通道。輔 助ADC輸人級內置了一個緩沖器。這兩個ADC都 具備數字濾波功能,可以在相當寬的動態范圍內測量 低頻信號,例如那些在壓力傳感器、溫度傳感器、電子 秤或者應變計應用中產生的信號。ADuC7061的輔 助ADC可配置成四個全差分輸入通道或者七個單端 輸人通道。由于具有內部緩沖器,內部通道可以直接 轉換從傳感器傳來的信號,而無需外接信號調理模 塊。在本設計中’稱重傳感器信號從主ADC輸入 級輸入,并且將主ADC配置為差分輸人模式。如圖 2所示。
2.2稱重傳感器
稱重傳感器按轉換方法分為光電式、液壓式、電 磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻 應變式等8類,以電阻應變式使用最廣。本設計所 采用的就是國產四線HL-8型電阻應變片式傳感 器,其物理結構為懸臂梁式,量程為0 - 20kg,精確度 等級為C3級,即該傳感器分度為3000,完全達到了 國際法制計量組織關于中準確度的標準——商業衡 器標準。該傳感器激勵電壓為5-12V,稱重傳感器 電路如上圖2所示。兩個電源端接5V電源,兩個信 號端接主控芯片ADC的兩個差分輸入端。
ADuC7061內置ADC的參考電壓采用芯片默認 1.2V電壓,不再外接電源。
2.3顯示模塊
由于ADuC7061芯片1/0(輸人輸出接口)口較少, 所以本設計使用主控芯片的SPI接口對I/O U進行擴 展,進行主控芯片與顯示模塊之間的數據和控制信號 通信。
ADuC7061片內集成了一個完整的硬件串行外 設接口( SPI)。SPI是一個工業標準同步串行接n, 允許同時雙向傳輸8位數據(即全雙工),最大比特 率可達5. 12 Mbpsw。該SPI端口可配置為主機或從 機操作,一般由4個引腳組成:MIS0、M0SI、SCLK和SS。
該顯示模塊是由ADuC7061的GPI0模塊、 74HC595芯片和四個LED共陽數碼管組成。本設計 將ADuC7061配置為主機,通過SPI接口輸出八位段 選碼,通過8位串轉并移位寄存器芯片74HC595,控 制四個數碼管的段選,GPI0模塊的四個I/O 口提供 位選W ,該模塊電路如圖3所示。
2.4語音模塊
本設計所用語音模塊是由國產電子秤語音芯片 SC1010、三極管和喇叭組成。ADUC7061的三個I/O 口分別接芯片的RST端、CNT端和BUSY端,用來控 制語音芯片的復位、報重和檢測芯片是否正常工作。 SC1010有兩種輸出方式,一種是PWM(脈寬調制)輸 出,一種是DAC (數模轉換)輸出,本設計采用的是第 一種PWM輸出方式,輸出經三極管放大驅動喇叭發 聲。該語音模塊電路連接圖如圖4所示。
2.5 .電源模塊
由于本設計中所涉及到的電源電壓不統一,其中 傳感器要求5 -12V,主控芯片電源電壓需要2.5V, 顯示模塊中74HC595需要2.0 -5. 5V,語音模塊中 SC1010芯片要求2.4 - 3. 6V,所以經綜合考慮,決定 使用5V開關電源為稱重傳感器和電源芯片 ADP3333ARM-2. 5供電,電源芯片為主控芯片、顯 示模塊和語音模塊供電。電源模塊如圖6所示。
電源芯片ADP3333ARM -2. 5是ADI公司推出 的一款LDO(低壓差線性穩壓器)電源芯片,該電源 芯片可以接受2. 6 -12V的輸入電壓,輸出電流為 300mA,輸出電壓為2. 5VW,正好可以滿足設計 需求。
2.6鍵盤模塊
由于本設計所用所需按鍵較少,只有電源開關、 靜音、去皮和復位四個按鍵,而且電源開關和靜音可 以直接硬件控制,只需占用兩個主控芯片的i/o 口, 所以可以不用外擴I/O 口,直接使用主控芯片I/o 口 來實現。
3.系統軟件設計
根據所設計系統硬件電路圖,本系統軟件采用C 語言編程,按模塊化進行設計,本設計軟件主要由主 程序、模數轉化子程序、SPI通信子程序、語音報價子 程序、去皮子程序、按鍵處理子程序等子程序組成。 程序設計有如下特點:
1)定義變量盡量使用符號型的變量,并使用大 量的嵌套和調用,最大限度減少程序代碼;
2)采用模塊化編程,主程序和功能模塊程序分 開放置;
3)大量采用宏定義和位變量聲明,修改方妃 本系統程序由主程序和若干子程序組成.隈于篇幅,子程序在此從略,主程序流程圖如圖7所示。
4.結束語
本設計由于采用了具有內部集成ADC的主控芯 片ADuC7061,省去了外部AD轉換電路和調理電路, 所以具有較高的抗干擾性和穩定性。另外,由于采用 了專用的電子秤語音芯片SC1010,大大簡化了電路, 提高了穩定性,而且降低了成本。經論證,本設計基 本能滿足預期要求,具有精度較高、讀數直觀和使用 方便等優點。