基于PIC16F628單片機(jī)的便攜式電子秤
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目前，臺式電子秤在商業(yè)貿(mào)易中的使用已相當(dāng)普遍，但存在較大的局限性：體積大、成本高、需要工頻交流電源供應(yīng)、攜帶不便、應(yīng)用場所受到制約。現(xiàn)有的便攜秤為桿秤或以彈簧、拉伸變形來實現(xiàn)計量的彈簧秤，居民用戶使用的基本是桿秤。彈簧盤秤制造工藝要求較高，彈簧的疲勞問題無法徹底解決，一旦超過彈簧彈性限度，彈簧秤就會產(chǎn)生很大誤差，以至損壞，影響到稱重的準(zhǔn)確性和可靠性，只是一種暫時的代用品，也被列入逐漸取消的行列。多年來，人們一直期待測量準(zhǔn)確、攜帶方便、價格低廉的便攜式電子秤（袖珍電子秤）投放市場。
基于電子秤的現(xiàn)狀，本項目擬研究一種用單片機(jī)控制的高精度智能電子秤設(shè)計方案。這種高精度智能電子秤體積小、計量準(zhǔn)確、攜帶方便，集質(zhì)量稱量功能與價格計算功能于一體，能夠滿足商業(yè)貿(mào)易和居民家庭的使用需求。
本項目研究的便攜式電子秤主要技術(shù)指標(biāo)為：稱量范圍0～15kg；分度值0.01kg；精度等級Ⅲ級；電源DC1.5V（一節(jié)5號電池供電）。主要功能有自檢、去皮、計價、累計、單價設(shè)定、計量單位選擇、過載報警和弱電壓指示等。儀器若不進(jìn)行稱量操作，5分鐘后自動進(jìn)入休眠模式，降低電源消耗。
儀器的測量原理
本文采用電容傳感器進(jìn)行稱重，有別于目前市場上使用的應(yīng)變式稱重傳感器。應(yīng)變式稱重傳感器設(shè)計成本很高，難以普及，而電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)特性好、無接觸測量、分辨力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)和抗干擾力強(qiáng)等優(yōu)點，最大特點是價格便宜，但它的主要缺點是電容量一般很小，僅幾十至幾百皮法，甚至只有幾個皮法，環(huán)境變化將影響電容量發(fā)生變化，因而應(yīng)用受到一定程度的限制。
在電子稱重技術(shù)的應(yīng)用中，可將電子線路緊靠傳感器的極板以減小電纜分布電容的影響，利用微處理技術(shù)對電容式傳感器的溫度特性和非線性特性進(jìn)行補(bǔ)償。 本文采用變極距式電容傳感器，它由一對距離可變的平行極板構(gòu)成。兩板以彈性元件相連，當(dāng)向一活動板施加拉力時，兩極板距離發(fā)生變化，從而改變了平板電容器的電容量。經(jīng)電容-頻率轉(zhuǎn)換電路后，電路輸出頻率與電容成正比。被測物重量與電容量改變成正比，頻率的改變即頻差與在傳感器上所加重物的重量成正比，因而變極距式電容傳感器有良好的線性度。測質(zhì)量時只須測出電容的變化量。然而，電容值的直接測量非常困難。因此，系統(tǒng)將不易測量的電容變化量轉(zhuǎn)換成易于測量的頻率信號的變化量，并采用高穩(wěn)定參考電容生成參考頻率信號，消除系統(tǒng)誤差，實現(xiàn)高精度測量。電容－頻率轉(zhuǎn)換框圖如圖1所示。兩路頻率分別送入后級處理電路，經(jīng)過數(shù)據(jù)選擇、帶通濾波傳入單片機(jī)系統(tǒng)。
圖1 電容頻率轉(zhuǎn)換框圖
硬件電路設(shè)計
儀器的構(gòu)成
本文研究的便攜式電子秤硬件系統(tǒng)由電源、電容傳感器、高穩(wěn)定參考電容、ICM7556定時器、MAX325多路開關(guān)、PIC16F628單片機(jī)系統(tǒng)、控制鍵盤、LCD顯示等組成。測量系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2所示。
圖2 儀器結(jié)構(gòu)框圖
PIC16F628的主要功能特點
PIC16F628單片機(jī)是Microchip公司的PIC系列單片機(jī)之一。PIC 8位單片機(jī)系列是該公司推出采用RISC(Reduced Instruction Set Computer)結(jié)構(gòu)的嵌入式控制器，具有執(zhí)行速度高、功耗低、體積小巧、工作電壓低、驅(qū)動能力強(qiáng)、品種豐富等優(yōu)越性能。其總線結(jié)構(gòu)采取數(shù)據(jù)總線和指令線分離獨(dú)立的哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，具有很高的流水處理速度。與同類8位單片機(jī)相比，程序存儲器可節(jié)省一半，指令運(yùn)行速度可以提高4倍左右。此外，PIC系列單片機(jī)集成了一系列外部功能模塊，例如：上電復(fù)位電路、I/O引腳上拉電路、看門狗定時器等。這樣，在組成系統(tǒng)時，就可以最大限度的簡化電路、降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性。
PIC16F628單片機(jī)具有直接驅(qū)動液晶顯示器的能力。輸入端口具有跳變中斷能力，能方便地接收按鍵輸入，另有多級外部及內(nèi)部中斷，可通過程序禁止主晶振振蕩而使單片機(jī)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，適合用于以電池作能源、需液晶驅(qū)動的應(yīng)用場合。
PIC16F628單片機(jī)的工作電壓范圍為3.0V~5.5V，時鐘頻率為DC~20MHz，內(nèi)部具有1K 14（位）片內(nèi)程序存儲器，224字節(jié)通用RAM，128字節(jié)EEPROM，15根雙向I/O線和10個中斷源，并帶有一個16位定時器/計數(shù)器（TMR1）和一個8位定時器/計數(shù)器（TMR0）。
PIC16F628的精簡指令集僅有35條指令，除了地址分支跳轉(zhuǎn)指令（GOTO、CALL）為雙周期指令外，其余皆為單周期指令，執(zhí)行速度可調(diào)范圍寬（DC~200ns），具有8級硬件堆棧，3種尋址方式（直接、間接、相對）。
PIC16F628的15個I/O口均是獨(dú)立雙向可編程的，并可直接驅(qū)動LED數(shù)碼管，最大拉電流和灌電流分別為25mA和20mA。TMR0帶有8位可編程預(yù)分頻器，可進(jìn)行1~256分頻。
PIC16F628信息處理單元電路的設(shè)計
PIC16F628是整個系統(tǒng)的信息處理核心。它需要完成鍵盤輸入檢測、采樣通道選擇、信號分析處理、信息顯示、欠電報警和過載報警等多種智能功能。單片機(jī)信息處理單元電路如圖3所示。圖中采用的MAX325是MAXIM公司生產(chǎn)的精密單電源SPST（single-pole single-throw）模擬開關(guān)，它由一個常開型開關(guān)和一個常閉型開關(guān)組成，具有低功耗、低導(dǎo)通電阻等特點。該芯片兩控制端（IN1、IN2）均連接CPU的RB3引腳，系統(tǒng)兩路頻率信號輸入通道的選擇由CPU控制。
低電壓檢測信號通過芯片6腳（INT）輸入，低壓時產(chǎn)生外部中斷。鍵盤檢測信號與芯片10~12腳（RB4~RB6）相連，有鍵按下，就產(chǎn)生RB口電平變換中斷，在中斷服務(wù)程序中，掃描鍵盤，取得鍵值。顯示緩沖區(qū)的寫入依靠芯片中通用同步/異步收發(fā)器（USART），顯示器LCD的數(shù)據(jù)端和時鐘端分別與芯片的7腳（DT）、8腳（CK）相接。
圖3 信息處理單元電路
軟件設(shè)計
作為便攜式儀器，系統(tǒng)在整個設(shè)計過程中遵循簡化硬件電路，以軟件設(shè)計代替硬件的設(shè)計原則，最大限度的減小儀器的體積和重量，因而系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)功能豐富。軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要有人工校正模塊、欠電報警模塊、鍵盤檢測模塊、采樣通道切換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。
系統(tǒng)主程序
系統(tǒng)主程序控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行，它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對單片機(jī)內(nèi)專用寄存器的設(shè)定，單片機(jī)工作方式及各端口的工作狀態(tài)的規(guī)定。系統(tǒng)初始化之后，進(jìn)行計數(shù)器讀取、零點校正、過載檢測等工作。
主程序流程圖如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)主程序流程圖
中斷服務(wù)程序設(shè)計
系統(tǒng)程序設(shè)計中，鍵盤檢測產(chǎn)生外部中斷，采樣通道產(chǎn)生內(nèi)部定時中斷。在中斷優(yōu)先級的問題上，因為PIC16F628單片機(jī)只有一個中斷入口地址0004h，每種中斷都要由此進(jìn)入中斷程序，所以中斷程序開始現(xiàn)場保護(hù)后，要進(jìn)行各種中斷標(biāo)志位的順序檢測和判斷。當(dāng)判斷到中斷標(biāo)志位時，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序中，根據(jù)檢測標(biāo)志位的順序，定義中斷優(yōu)先級，先判斷定時中斷優(yōu)先級最高，其次是鍵盤檢測中斷。
中斷服務(wù)程序流程圖如圖5所示。
圖5中斷服務(wù)程序流程
采樣通道切換模塊，系統(tǒng)傳感器單元含有兩個電容－頻率轉(zhuǎn)換電路，兩個電路輸出信號的獲取均通過單片機(jī)PIC16F628的計數(shù)器1實現(xiàn)。利用定時器0的定時中斷功能，每隔0.1s切換一次振蕩工作電路及模擬開關(guān)MAX325通道。
定時器0中斷服務(wù)程序流程圖如圖6所示。
圖6 定時器0中斷服務(wù)程序流程圖 圖7 鍵盤中斷服務(wù)程序流程圖
鍵盤檢測模塊，系統(tǒng)中按鍵組合成鍵盤后排列成3 5矩陣形式，采用RB口中斷的方式檢測鍵盤中有無按鍵。對各列線都送以低電平（稱為"全掃描"），若有鍵按下，則產(chǎn)生中斷。進(jìn)入中斷程序后，通過"逐列掃描"（逐列送低電平），查看各行線電平值來鑒別被按下的鍵，返回鍵值。對按鍵的具體處理由主程序中鍵盤處理子程序完成。鍵盤檢測中斷服務(wù)程序流程圖如圖7所示。
軟件抗干擾設(shè)計
測量算法采用數(shù)字濾波、曲線擬合兩種數(shù)據(jù)處理方法。數(shù)字濾波（軟件濾波）復(fù)用性好、可實現(xiàn)超低頻濾波且修改方便。因此，在硬件濾波設(shè)計基礎(chǔ)上，系統(tǒng)通過軟件濾波進(jìn)一步濾除有害干擾信號。同時，曲線擬合使系統(tǒng)對測量曲線進(jìn)行不失真跟蹤處理，也保證了測量計算的準(zhǔn)確性。
PIC16F628片內(nèi)帶有看門狗定時器（WDT），它是一個擁有獨(dú)立的RC 時鐘信號源、計時周期約為18ms的CPU片內(nèi)自激式RC振蕩計時器。在燒寫程序時借助程序燒寫器啟用WDT，一旦程序跑飛，WDT將立即強(qiáng)迫程序返回到復(fù)位向量處（在復(fù)位向量處安排了一段出錯程序），即可將系統(tǒng)納入正軌。
軟件低功耗設(shè)計
因為系統(tǒng)功耗正比于CPU的工作時間，所以盡量縮短CPU的運(yùn)行時間應(yīng)是低功耗軟件設(shè)計的一條重要準(zhǔn)則。
(1) 使用單片機(jī)睡眠方式
PIC16F628設(shè)有低功耗模式，即睡眠方式（SLEEP）。便攜式電子秤作為隨身攜帶的手持式稱量器具，一定不是常處在工作狀態(tài)。在未關(guān)斷電源的情況下，當(dāng)器具閑置了預(yù)定的一段時間后，單片機(jī)將自動進(jìn)入SLEEP模式，在"睡眠"方式，耗電小于1 A。
(2) 使用單片機(jī)的中斷功能
系統(tǒng)軟件設(shè)計應(yīng)用了三個中斷：RB口中斷（用于檢測鍵盤輸入）、外部中斷（用于低電壓檢測）、定時器0中斷（用于切換頻率量輸入通道）。中斷的使用有效地減少了CPU的運(yùn)行時間，從而降低功耗。
本系統(tǒng)中，嚴(yán)格選用低功耗的CMOS器件，硬件上的配合簡單而有效，軟件上的設(shè)計周密而層次分明，整個系統(tǒng)能真正的實現(xiàn)低功耗工作。
結(jié)束語
本文設(shè)計研究的準(zhǔn)確度等級Ⅲ級、最大稱量15kg并集多種智能功能于一體的便攜式電子秤，技術(shù)指標(biāo)參考了目前國內(nèi)市場上使用最多、國內(nèi)外產(chǎn)量最大的電子衡器的技術(shù)指標(biāo)，由此可預(yù)見產(chǎn)品投放市場后將有極大的競爭力。
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