安徽工程大学机电学院
本科毕业设计(论文)开题报告
题目：基于数字式温度传感器和Zigbee 的粮情监测系统设计
课 题 类 型： 实验研究□ 论文□
学 生 姓 名： 马 驰 骋
学 号： 3072105101
专 业 班 级： 自动化2071
教 学 单 位：安徽工程大学电气工程学院
指 导 教 师： 陈跃东 教授
开 题 时 间： 2011年1月
2011 年 1 月 日
一、毕业设计（论文）内容及研究意义
1.设计内容
本设计系统要求采用单片机为控制核心，设计一电子秤电路，要求能够快速准确地显示单重、单价，并自动计算总价（总价=单价×单重），并带有费用累计功能。
根据设计要求的内容，从而对器件的选择进行了初步帅选。其电子称的处理中心部件为单片机，而其它的传感器件和A/D转换器件、键盘输入及显示部件都没有严格的限制，但是由于要得到快速准确地显示单重、单价，并自动计算总价和费用累加功能。进而就要求了具体的选材。我们要设计的系统要符合称量精度高、体积小、便于计价的电子称。要设计这样要求的系统就需要考虑外界温度、称体弹性等影响。
其内容分为三个部分，第一，如何正确的选择硬件，这是设计的主体；第二，正确的设计程序，把所需的要求通过单片机的运行而表示出来，这是设计的核心；最后，正确的连接线路，才能实现单片机的有效的运行，保证系统的正确性，是设计的交通枢纽。
2.意义
电子秤是科学研究、工业生产和人民生活必需的计量器具，设计智能化、高精度的电子秤具有较高的现实意义。
随着社会和科技的发展，21世纪，电子产品变得日益丰富，给我们的生活带来了许多方便。然而，无论是超市还是菜市场及小摊，电子称都是他们衡量产品部可缺少的工具。它不仅具备称量，还具备计算器一样的功能，只要输入价格，总价就会清楚的显示。
电子称是日常生活中的电子衡器，取代了应用杠杆原理而造的普通衡器。它广泛应用于超市、商场、物流配送中心及我们生活的方方面面。相比传统的机械式称量工具，电子称具有称量精度高、体积小、应用范围广、易于操作及便于计价等优点，克服了传统的杆秤、磅秤及盘秤的不精确、速度慢还需人为计价的缺点。电子称的设计首先是要通过压力传感器采集被测物体的重量并将其转化为电信号。输出的电压一般比较小，经过放大
器放大后将其模拟电压信号转化为数字量信号。然后将数字量信号传入单片机进行处理后经译码后显示，从而准确的量出被测物体的质量。
目前使用的称量工具存在着这样或那样的问题，给使用带来了不便。如有的结构复杂从而造成成本提高，大部分运行不可靠、精度低、易损件多、装机大、能耗不节省，从而给使用带来了许多问题。目前市场上的电子产品整体上水平不高，由于压力传感器受温度影响的零漂移，造成测量上的误差。而且对于部分小企业，在技术和设备上都很薄弱，从而在改进上还是有一定困难。因此，有针对性的开发一套电子称系统，采取温度补偿的方式，克服各种缺点，设计一套测量精度高、使用方便可靠的电子称势在必行。
二、毕业设计研究现状和发展趋势
20世纪前期，我国的衡器制造业主要以杠杆原理的机械式为主，20世纪后期，我国的衡器不断的发展，由过去的全机械式进入机电结合式，在几十年的发展和完善中，发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展：计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点已从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。
物品称量是市场交易中很基本的活动，是商业领域最基本的衡具。传统的量具是杆称或盘称，2O世纪7O年代开始出现了电子称。早期的电子称多通过模拟电路实现，随着电子技术的不断发展．数字芯片的价格逐渐下降，模拟控制已逐步被数字控制所替代，电子称的设计模式也大都以微处理器为核心，使精度和可靠性都有了明显得提高。因为小型商用电子称对适时性要求不高，运算也不太复杂，所以用8位微处理器足可满足要求。
电子称重系统必须将多只传感器的输出进行求和平均，才能得到完整准确的称重结果。从2O世纪7O年代的模拟串联和算到8O年代的模拟并联和算，和算技术的发展大幅度降低了电子秤的成本，提高了可靠性和稳定性。但是，模拟并联和算也存在不足：如对传感器的一致性要求较高、无法对单个传感器进行检测、电子秤四角偏差调试复杂等。目前，解决上述问题的最好方法是采用数字和算或数模混合和算。由于信号放大器成本的不断下降以及A／D转换器性能的大幅度提高，数字和算无论在技术上还是在经济上都进入了实用阶段。
电子秤不仅要向高精度、高可靠方向发展，而且更需向多种功能的方向发展, 目前电子秤的附加功能主要有以下几种：
1、电子秤附加了计算机信息补偿处理装置，可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理；
2、具有皮重、净重显示等特种功能。电子秤有些已具备了动态称量模式, 即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法, 消除上述的误差；
3、附加特殊的数据处理功能。目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能, 以满足多种使用的要求。
然而，此次设计的电子秤由于时间和所学知识有限，不是每个附加功能都具有。今后, 随着电子高科技的飞速发展, 电子秤技术的发展定将日新月异。同时, 功能更加齐全的高精度的先进电子秤将会不断问世, 其应用范围也会更加拓宽。
三、毕业设计研究方案及工作计划
1.研究方案
本次设计的课题是基于单片机的电子称电路的设计，设计可分为四个模块，即压力传感模块、信号转换模块、人机交换模块、输出显示模块。
压力传感模块，是把被测物体的质量经过传感器将非电信号转化为电信号，此过程重点在传感器的选择以及如何克服零漂移带来的误差 ，采用温度补偿的方式来减小误差，然而，在选择传感器的同时，作为一个企业最重要的收益，因此选择传感器的另一个方面就是要考虑性价比。由于电阻应变式传感器应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器，而且分辨力和灵敏度高，精度较高，结构轻小，对试件影响小，
特殊环境中使用，频率响应好。因此选用电阻应变式传感器。完全可以符合要求。此模块是系统设计的重点也是难点。
信号转换模块，把传感器所测的模拟信号转化为数字信号，数字信号的有效处理。此过程中称为A/D 转换，用到的器件就是A/D 而在转换之前，还需对微弱的电信号进行放大、滤波等。综合各方面考虑，选用了专用仪表放大器AD620。在A/D 转换中，考虑到电子称的精确度，采用14位A/D 转换器即可达到很高的精度。综合的分析A/D 转换器的优点和缺点，我们最终选择了精度为10Kg/ ±20000= ±0.5g 的ICL7135型A/D 转换器。此模块是设计的重点。
输入模块，当把质量显示出来后，而需算出价格时，就需要一个输入模块，即键盘，把某一价格通过键盘输入，从而算出结果。然而考虑这四个硬件模块后是远远不够的，那就是缺少一个系统的“大脑”，把外界接受的信息进行统一处理，处理的同时就需要它的软件，即程序。只有通过程序才能把外界的信息转化为系统所需要的信息。在设计中，我们不仅仅要系统精确的显示质量，而且还要根据所输入的价格，算出总价。这就相当于一个自动的计算器，质量从传感器经转换输入，价格为手动输入，最后自动算出总价。此模块是设计的难点。
显示模块，将单片机处理的信号经输出模块得到显示，在此过程中，有两种方式，其一是数码管显示，其二是LCD 显示，由于液晶显示器的主要材料是液态晶体。它在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光照度等外界条件变化而变化。因此，用液晶做成显示器件，就可以把上诉外界条件的变化反映出来从而形成现实的效果。然而在数码管显示中，由于金额售货员编号等诸多信息则需要要大量的数码管，
而且不能显示中文。由此增加了电路的复杂程度，也加大了编程的难度。所以综合考虑，选用液晶显示。
在电子称电路中，我们会用到四大器件，分别为传感器、A/D转换器、键盘、
1-1所示：
图1-1 电子称硬件设计结构框图
2．工作计划
毕业设计的整体设计时间为11周，分配时间如下：
1）第一周(12.25-12.31):在图书馆或网上查找与题目相关资料，筛选有关信息。
2）第二周（1.1-1.7）：设计填写开题报告，并给老师检查及修改。
3）第三周（1.8-1.14） :开始进入正题，正式开始毕业设计，做好目录，进行设计系统的整体规划。
4）第四周（1.15-1.21）：完成传感模块的设计。
5）第五周 (1.22-1.28) :完成转换模块的设计。
6）第六周（1.29-2.7）：完成输入的键盘模块的设计。
7）第七周（2.8-2.14 ：完成输出模块的设计。
8）第八周（5.26-6.1）：完成程序的设计
9）第九周（6.2-6.8）：对整体进行修改完善。
10）第十周（6.9-6.15）：给予老师整体检查。
11）第十一周6月下旬：进行答辩。
在每一个模块完成后，都以邮件的形式或亲自给老师检查，看是否有问题存在，并及时的改善。有不懂得地方，向老师请教或从网上查阅。
四、主要参考文献
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[17]白炳良，赖绍武.基于AD7705电子计价秤的设计.漳州：漳州师范学院，2008年第2期.
[17]程飞.基于单片机AT89C2051单片机的电子称设计.珠海：中国联合网络通信有限公司珠海市分公司，2009年10月
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[19]管前新.电子称工作原理.昆明：昆明工学院，2008年10月.
附录A：英文资料
Input/Output Accessing
In this article, we will look at the three basic methods of I/O accessing － programmed I/O, interrupt-driven I/O, and direct memory access (DMA). The key issue that distinguishes these three methods is how deeply the processor is involved in I/O operations. The discussion emphasizes interrupt-driven I/O, because it is based on the concept of interrupt handling, which is a general problem that goes beyond Input/Output operations. The study of interrupt handling also aids in understanding the general concept of exception processing, which is an important issue not only for I/O, but also for interfacing a computer with other system control functions.
Addressing I/O Registers
Input/Output devices communicate with a processor through Input/Output ports. Through the input ports, s processor receives data from the I/O devices. Through the output ports, a processor sends data to the I/O devices. Each I/O port consists of a small set of registers, such as data buffer registers (the input buffer and/or the output buffer), the status register, and the control register. The processor must have some means to address these registers while communicating with them. There are two common methods of addressing I/O register － memory-mapped I/O
and direct I/O.
1. Memory-Mapped I/O
Memory-mapped I/O maps the I/O registers and main memory into a unified address space in the computer system. I/O registers share the same address space with main memory, but are mapped to a specific section that is reserved just for I/O. Thus, the I/O register can be addressed in ordinary memory reference instructions as if they are part of the main memory locations. There are no specially designed I/O instructions in the instruction set of the system. Any instruction that references a location in this area is an I/O instruction. Any instruction that can specify a memory address is capable of performing I/O operations. The Motorola MC68000 is an example of a computer system that uses this addressing method.
2. Direct I/O
The method of addressing I/O registers directly without sharing the address space with the main memory is called direct I/O or I/O-mapped I/O. In other words, I/O registers are not mapped to the same address space with the main memory. Each I/O register has an independent address space. As a result, instructions that reference the main memory space cannot be used for Input/Output. In the instruction set of the computer system, special I/O instructions must be designed for I/O operations. In these I/O instructions, distinct I.D. numbers must be used to address different I/O communication channels (i.e., I/O ports). They are called port numbers. The I/O registers of an I/O port are connected to the system I/O bus, through which the processor can reference the I/O registers directly to send/receive data to/from an I/O device. An I/O port number is not from the same address space as main memory. The Pentium is an example of a computer system that uses the direct I/O addressing method. It has a 64 GB memory address space (32 address bits) and, at the same time, a 64 KB I/O address space (16 bits I/O address/port number).
Programmed I/O
Programmed I/O requires that all data transfer operations be put under the complete control of the processor when executing programs. It is sometimes called polling, because the program repeatedly polls (checks) the status flag of an I/O device, so that its input/output operation can be synchronized with the processor. A general flowchart of such a program is shown in Figure 1. The program continuously polls the status of an I/O device to find out whether (1) data is available in the input buffer or (2) the output device is ready for receiving data from the processor. If the status shows “available” the program wi ll execute a data transfer instruction to complete the I/O operation; otherwise, the busy status of the I/O device will force the program to circulate in a busy-waiting loop until the status becomes available. Such a busy-waiting loop, which continuously checks the status of data availability (for input) or device
availability (for out-put), forms the typical program structure of programmed I/O. It is this time-consuming busy-waiting loop that wastes processor time and makes programmed I/O very inefficient. The processor must be involved continuously in the entire I/O process. During this time interval, the processor cannot perform any useful computation, but only serve a single I/O device. For certain slow I/O devices, this busy-waiting loop interval may be long enough that the processor could execute millions of instructions before the I/O event occurs, e.g., a key stroke on a keyboard.
Interrupt-Driven I/O
Interrupt-driven I/O is a means to avoid the inefficient busy-waiting loops, which characterize programmed I/O. Instead of waiting while the I/O device is busy doing its job of input/output, the processor can run other programs. When the I/O device completes its job and its status becomes “available”, it will issue an interrupt request to the processor, asking for CPU service. In response, the processor suspends whatever it is currently doing, in order to attend to the needs of that I/O device.
In respond to an interrupt request, the processor will first save the contents of both the program counter and the status register for the running program, and then transfer the control to the corresponding interrupt service routine to perform the required data input/output operation. When the interrupt service routine has completed its execution and if no more interrupt requests are pending, the processor will resume the execution of the previously interrupted program and restore the contents of the statuses and program counter. The processor hardware should check the interrupt request signal upon completion of execution of every instruction. If multiple devices issue their interrupt requests at the same time, the processor must use some method to choose which one to service first, and then service all the other interrupt requests one by one by order of priority. Only after all the interrupt requests have been serviced will the CPU return to the interrupted user program. In this way, the processor can serve many I/O devices concurrently and spend more time doing useful jobs, rather than running a busy-waiting loop to serve a single device. Therefore, interrupt I/O is very effective in handling slow and medium-speed I/O devices. Furthermore, the concept of an interrupt can be generalized to handle any event caused by hardware or software, internally or externally. This general problem is referred to as exception processing.
Direct Memory Access
Although interrupt I/O is more efficient than the programmed I/O, it still suffers from a relatively high overhead with respect to handling the interrupt. This overhead includes resolving the conflict among multiple interrupt requests, saving and restoring the program contexts, pooling for interrupt identification, branching to/from the interrupt
service routine, etc. Using an interrupt is a wasteful activity that can take several microseconds to complete.
Direct memory access (DMA) is a method that can input/output a block of data directly to/form main memory with a speed of one data item per memory cycle, without continuous involvement of the processor. The entire process is implemented by the hardware of a DMA controller, which takes the place of the processor and communicates directly with main memory. As a result, the block diagram of the computer system changes form processor-centered to memory-centered. Hence, from the viewpoint of I/O processing, the processor is no longer the center of a computer, but rather a partner with which the I/O subsystem competes for memory bus cycles to input/output data item to/from main memory. However, a DMA controller is designed to exchange data in blocks, so it works well with the large-volume high-speed block-oriented I/O devices, such as high-speed disks and communication networks.
附录B：英文资料翻译
输入/输出访问
在这一篇文章中，我们将会研究三种基本的输入／输出访问方法：程控I/O、中断驱动I/O以及直接存储器访问（DMA）。区别这三个方法的关键问题是处理器以怎样的深度介入I/O操作。讨论的重点是中断驱动I/O，这是因为它的基础是中断处理概念，而这是一个超过输入输出操作之外的普遍性问题。学习中断处理也有助于了解异常事件处理这一普遍性概念，其重要性不但有关I/O，而且有关计算机与其他系统控制函数的接口。
I/O寄存器的寻址
输入/ 输出设备经过输入/ 输出端口与一个处理机通信。经过输入端口，处理器接受来自输入／输出装置的数据。经过输出端口，处理器送数据给输入／输出装置。每个输入／输出端口包含一个小的寄存器组, 如数据缓冲寄存器 (输入缓冲器和/或输出缓冲器)、状态寄存器和控制寄存器。处理器必须有某种方法寻址这些寄存器，同时与它们通信。寻址输入／输出寄存器有存储器映射输入／输出和直接输入／输出两种方法。
1．存储器映射的输入／输出
存储器映射的输入／输出将输入／输出寄存器和存储器一起映射到计算机系统的统一的住址空间。输入／输出寄存器共享主存储器的同一个地址空间, 但是被映射到一个特定的专为输入／输出预留的存储器区段。因此，输入／输出寄存器能在普通的存储器访问指令中得到寻址，好像它们就是主存储器位置的一部份。在计算机的指令系统中没有专门设计的输入／输出指令。任何访问这一地区中某个位置的指令便是一条输入/输出指令。任何的一条可以指定存储器地址的指令都可以执行输入／输出操作。摩托罗拉 MC68000 就是使用这种寻址方法的计算机系统的一个例子。
2. 直接输入／输出
直接地向输入／输出寄存器寻址而不和主存储器共享地址空间的寻址方法叫做直接输入／输出或输入／输出映射输入／输出。换句话说，输入／输出寄存器不和主存储器映射到同一个地址空间。每个输入／输出寄存器有一个独立的地址空间。其结果是：访问主存储器空间的指令不能够作用于输入/输出。在计算机系统的指令系统中，必须为输入／输出操作设计专门的指令。在这些输入／输出指令中，必须用各自不同的标号来寻址不同的输入／输出交换通道。它们被称作端口号。输入／输出端口的输入／输出寄存器连接到系统输入／输出总线上，处理器经过它可以直接访问输入／输出寄存器向 / 从输入／输出装置发送/ 接收数据。使用端口号的方式和使用存储器地址的方式相同，但不同的是端口号不是来自主存储器的同一地址。 Pentium 是使用直接输入／输出寻址法的计算机系统的例子。它有 64 GB 存储地址空间 (32 位住址)，同时，还有一个 64 KB 输入／输出地址空间 (16 位输入／输出住址/ 端口号)。
程控输入／输出
程控输入／输出需要全部数据操作处于处理机执行程序的完全控制之下。因为程序重复地巡查 (检查) 一个输入／输出装置的状态标志，所以有时它被称为巡查，而且它的输入/ 输出操作能与处理器同步。程序不断地巡查一个输入／输出装置的状态，以发现数据是否是已在输入缓冲中或输出装置有没有为接收从来自处理器的数据做好准备。如果状态显示 " 已备好 " ，则程序将执行一条数据传输指令以完成该输入／输出操作；否则，输入／输出装置的忙碌状态将会强迫程序在一个忙碌等待回路中循环，直到状态变成“已备好”为止。这样一个如此不断地巡查“数据已备好“状态 (对于输入) 或巡查“设备已备好“状态 (对于输出)，它形成程控输入／输出的典型程序结构。正是这个浪费时间的忙碌等待回路消耗处理机时间，而造成程控输入／输出效率很低。处理器必须连续的介入整个的输入／输出过程当中。在这一时间间隔内，处理器不能够运行任何的有用计算, 而仅服务于单独一个输入／输出装置。对于某些慢速输入／输出装置,
这一忙碌等待回路的时间可能很长，足够处理机在输入／输出事件发生之前，运行数以百万计指令,如在键盘上的一次按键动作。
中断驱动输入／输出
中断驱动输入/输出是一种能避免程控输入 / 输出特有的低效忙碌等待回路的方法。当输入 / 输出设备忙于它的输入输出作业时，处理机不是等待，而是可以运行其他的程序。当输入/输出设备完成它的作业而使其状态变为“已好”时，它将向处理机发出一个中断请求，要求CPU的服务。作为响应，处理机挂起它正在做的任何工作，以便照顾该输入 / 输出设备的需要。
为了响应中断请求, 处理器将会首先为正在运行中的程序保存好程序计数器和状态计数器的内容，然后转移控制到对应的中断服务程序，以执行要求的输入/输出操作。当中断服务程序已经执行完毕时，如果没有更多的中断请求在等待,处理器将恢复状态寄存器和程序计数器的内容，恢复执行原先被中断的程序。处理器的硬件应该在每条指令执行结束时检查中断请求信号。如果有多个装置同时发行它们的中断请求,处理器必须利用某些方法选择哪一个首先服务, 然后再根据优先权的次序逐个的服务所有其他的中断请求。只有当所有的中断请求都已得到服务，CPU 才返回被中断的用户程序。这样，处理器能并发的服务于多个输入／输出装置，而且用较多的时间做有用的工作, 而不去运行一个忙碌等待回路为单个装置服务。因此,中断驱动输入 / 输出在处理慢速和中速输入 / 输出/设备方面是很有效的。此外，中断的观念可以被推广到处理任何由硬件或软件从内部或外部产生的事件。这一普遍性问题称为异常事件处理。
直接存储器访问
虽然中断驱动输入／输出比被程控输入／输出有效率, 但是它仍然受限于较高的与中断处理有关的开销。这一开销包括解决多个中断请求之中的冲突、保存和恢复程序现场、用于中断辨认的巡查、中断服务程序的来回转移等。使用中断是一个浪费的活动，它费时好几个微秒才能完成。
直接存储器访问(DMA) 是一个向 / 从主存储器直接输入输出字块的方法，速度是每一存储周期一个数据项，而无需处理机的连续参与。整个过程由DMA 控制器的硬件实现, 它代替处理器而直接与主存储器通信。结果，计算机系统的框图由以处理机为中心变为以存储器为中心。因此，从输入／输出处理的观点来看，处理器不再是计算机的中心, 而只是一个伙伴，输入／输出子系统和它竞争存储器总线周期，向 / 从主存储器输入输出数据。然而，DMA控制器是设计成以字块交换数据，因此，它能很好的和大容量高速度面向字块的输入／输出装置, 例如高速磁盘通信网络，一起工作。