原创 【TI博客大赛】基于MSP430的智能量程（精度）自动调整小量程电子秤系统的设计 （专利审批中）

基于MSP430的智能量程（精度）自动调整

小量程电子秤系统的设计

引言

目前，单片机技术如火如荼，蓬勃发展，其电子产品如雨后春笋地出现，正潮水般的涌入各个领域。其电子产品以灵敏、结构简单易制、成本低、可靠性强等优点迅速占领电子市场，给人们生活带来了极大的方便，深受人们的青睐。

此次作品以宏晶科技MSP430单片机为主控单元

概述

本作品需要实现功能：设计一个最大量程为3KG左右的小量程电子称，要求有一定的精度和稳定性，有显示系统及过量程报警系统，可以实现便携式应用，就是说要使设备拿出来就可以用，环境里没有电源也可以正常使用。

目的：学习对可编程集成电路（主要指MSP430单片机）的编程方法；熟悉74HC573锁存器的使用方法；熟悉称重传感器的使用方法；熟悉OP07的使用方法；熟悉IN118的使用方法；熟悉MAX232的使用方法；熟悉10路10位AD   TLC1543CN的使用方法；熟悉L7805的使用方法；熟悉数码管动态扫描的使用方法；熟悉蜂鸣器的使用方法；学会构造单片机的最小系统；掌握什么是时钟电路；掌握什么是复位电路；了解电源的设计方法；了解各部分电路的设计；练习在万用板上布线；练习电路的手工焊接技术；了解Proteus在线仿真。

总体设计思想：综合考虑本系统使用最大量程为3KG的称重传感器，采用三级精度自动调整，调整电路由继电器控制，精度分别为+1g，+2g，+4g，对应量程分别为0.8KG，1.6KG，3.0KG。

各部分依据：所需元件的数据手册，以及所需器件产品使用说明。

关键词：电子称  TLC1543CN  扫描  动态显示 最小系统  锁存器74HC573

一、系统方案论证

           1.放大电路部分。采用单精度，即放大倍数固定，电路简单所用器件较少，程序简单，误差固定为+4g（10位AD）,对于小重量（<800g）误差较大；采用多精度，放大倍数可程控，对于小量程可做到精度+1g（10位AD），但电路相对复杂，器件较多，程序也相对复杂，编写有一定难度。综合考虑本系统采用三级精度，程序可控，精度分别为+1g，+2g，+4g，对应量程分别为0.8KG，1.6KG，3.0KG。采用继电器控制调节精度。

              2.放大器选择。本系统采用OP07运放，此芯片温漂，放大倍数等参数均合理，且价格合适，由于称重传感器输出的是差分信号，所以前级选用IN118作为第一级放大，其共模抑制比较高，符合要求。

              3.AD采样部分。采用8位AD，采样步进太大，误差较大；采用24位AD，价格太高，且精度太高，不易控制；采用10位AD精度适中 ，价格也合理。所以本系统采用10位AD  TLC1543CN。

              4.电源部分。本系统要求有一定的精度，所以关键部分（传感器供电部分，OP07运放部分，AD基准电压部分）要采用高稳定电源并且有一定驱动能力。此部分采用金升阳电源模块MORNSUN电源模块WRA1205YMD-6W，其精度及温度稳定性都能达到要求，其它部分采用L7805供电。

二、        系统硬件设计

1.主控单元

单片机以其集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、价格廉、使用灵活等一系列优点得到迅速的发展，渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。**的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统等，这些都离不开单片机。

此次设计主要采用MSP430单片机为主控单元。

2.系统硬件框图

3.电源模块

电路原理图：

key1为总电源开关

系统采用电池供电和直流电源两种供电方式，支持9--24V输入，然后经过L7805稳压到5V为系统供电和经过WRA1205YMD-6W为其他高精度部分供电。

7805引脚图

对于7805三端稳压IC，它和其它78XX一样，都属于+V电压稳压输出链路。其1脚为输入端，2脚接地，3脚稳压输出。

7805是正电压三端固定稳压器集成电路，属于线性稳压器件。7805应用非常广泛，在各种稳压电源、充电器、家电等产品中均有运用。

主要参数：

最高输入电压：36V

输入输出最小的电压差：2V

最大输出电流：1.5A。

输出电压偏差：典型=5V；最低=4.75V；最高=5.25V。

工作温度范围：0~70℃ 。

WRA1205YMD-6W

● 宽输入电压范围：2:1

● 短路保护（自恢复）

● 隔离电压1500VDC

● 宽工作温度范围：-40℃～+85℃

● 阻燃封装，满足UL94-V0要求

● 无需外加元件

● 内部贴片化设计

● 五面金属屏蔽

● MTBF＞1,000,000小时

● 符合RoHS指令

      4.数码管显示电路

原理图：

本系统数码管采用74hc573锁存器直接驱动，考虑到CPU引脚足够使用，所以锁存器直接使能，降低成本，简化程序。

5.蜂鸣器电路

原理图：

      蜂鸣器采用PNP三极管驱动，与用NPN三极管驱动相比，不仅提高了驱动能力，而且抗干扰，降低功耗。

       蜂鸣器为声电元件，分有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，有源蜂鸣器内置振荡电路，直接加电源就可以正常发声，通常频率固定。

无源蜂鸣器则需要通过外部的正弦或方波信号驱动，直接加电源只能发出很轻微的振动声

       考虑到音质问题，本系统采用无源蜂鸣器。

       7.AD采样电路

       原理图：

TLC1543是CMOS、10位开关电容逐次逼近模数转换器。这些器件有三个输入端和一个三态输出端（片选CS、输入／输出I/O CLOCK、地址输入ADDRESS和数据输出DATA OUT）这样就和主处理器的串行口有一个直接的4线接口。可以进行高速的数据传输。
        除了进行高速的数据转换和通用的控制能力外，该器件有一个片内的14通道多路器，可以选择11个输入中的任意一个或3个内部自测试（self-test）电压中的一个。采样和保持是自动的。在转换结束时，“转换结束”（EOC）输出端变高以指示转换的完成。器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。

7.传感器及放大电路

初级采用INA118作为差分放大，三个次级都为OP07，通过继电器控制自动切换量程。

称重传感器为半桥式称重传感器，输出为差分信号，内部结构图如下：

INA118 是高精度、小功率仪表差分放大器

特性

低偏置电压：最大50µV

低漂移：最大 0.5µV/°C

低输入偏置电流：最大5nA

高共模抑制：最小110dB

输入保护±40V

宽供电范围：±1.35到±18V

低静态电流：350µA

8脚塑料DIP、SO-8

应用

桥式放大器

热电偶放大器

RTD（热电阻）传感器放大器

医疗器械

数据采集

描述

INA118是一款小功率通用仪表放大器，提供良好的精度。电流反馈输入电路提供宽带宽，即使在高增益情形下（70kHz，G=100）。

单个外部电阻设置任何增益，从1到10,000。内部输入保护可承受高达±40V而不受破坏。

INA118是激光裁剪的，很低偏移电压（50µV）、漂移(0.5µV/°C)和高共模抑制（110dB，G=1000）。可于低达±1.35V的电压下运行，静态电流仅为350µA——对电池运行系统很理想。

OP07的功能介绍：

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

特点： 超低偏移： 150μV最大。 低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5μV/℃ 。 超稳定，时间： 2μV/month最大高电源电压范围： ±3V至±22V

三．程序设计

1.硬件测试

       依次测试硬件电路的问题，包括最小系统电路，电源电路，数码管显示电路，蜂鸣器电路，传感器电路，各级放大电路，AD采样电路。

       用简单程序（程序不会有问题）测试，看看是不是与预期结果一致，如果一致则说明硬件电路没有问题，如果不一致则说明硬件电路有问题，修改硬件，继续测试，直到解决硬件所有问题。

2. 分部编写程序与测试

       2.1数码管程序

       本系统数码管为4位，逐位扫描显示，首先确定相应位与单片机IO口的对应关系，然后使用定时器T0编写数码管扫描程序，显示相应数字。

       2.2 蜂鸣器程序

       考虑到本系统使用蜂鸣器，只是报警功能，所以选用有源蜂鸣器。有源蜂鸣器，只需通电即可发生，无源蜂鸣器需要脉冲驱动，不适合在此系统中使用。

3. 程序整合

       3.1  需要整合的子程序

       数码管程序，蜂鸣器程序，AD采样程序，增益自动控制程序。

       3.2  整合程序

4．程序流程图

四、        性能调试与分析

1.           硬件的焊接与检查

Ø              无电源指示灯。给调试时带来很大困难。增加电源灯后，问题解决。

Ø              显示不稳定。增加了电源滤波电容后，还是有点问题，也不太稳定，本来采用L7805供电，仔细检查硬件焊接及原理后，关键部分（AD基准电压、运放OP07供电、传感器供电）采用金升阳电源模块MORNSUN电源模块WRA1205YMD-6W。替换后稳定程度明显增加，达到要求。

Ø              精度不够。AD为8位的，精度太低，换用10位AD，精度达到要求。

2.           程序的检查与修改

Ø              数码管显示错位。位定义错误，更改后，问题解决。

Ø              精度自动调整程序错误。调试中出现各种问题，比如：如何转换量程，怎样控制精度，怎样与AD采样衔接等。

五、总结收获

       2011年9月8日我开始决定做此作品，时至今日，论文已基本完成。从最初的茫然到慢慢进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个过程，难以用语言来表达。

       经历了这段时间业余时间的奋战，终于落下了帷幕，在这次设计中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。

       当决定做此作品时，我便立刻着手资料的收集工作，我把收集到的资料都记录下来，这样有利于论文的撰写。

在制作过程中遇到困难我就及时上网查询资料，随着困难一个接一个解决了，作品也慢慢成型了，整个过程中我充分运用了大学期间所学到的知识。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难，坚持不懈，吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益，我想这是一次意志的磨练是对我实际能力的又一次提升，会对我未来的学习和工作有很大的帮助。

通过此次设计，我深刻体会到要做好一件完整的事情，需要系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要有耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步以后再做下一步，这样才能更有效率。

六、        参考文献

1、 《C语言程序设计》主编：刘迎春，王磊 西安电子科技大学出版社

2、 《单片机的C语言应用程序设计》  马忠梅 北京航空航天大学出版社

3、 《单片机原理及应用》 李全利 清华大学出版社

4、 《模拟电子技术基础简明教程》主编：杨素行 高等教育出版社

5、  《数字电子技术基础》主编：阎石 高等教育出版社

       6、  74HC573 datasheet

      7、 MSP430 datasheet

8、 TLC1543CN datasheet

9、 INA118 datasheet

10、WRA1205YMD-6W datasheet

11、半桥式称重传感器资料

12、L7805 datasheet