基于單片機的電子稱重系統(tǒng)設計

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中國地質大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 遠程與繼續(xù)教育學院 本科畢業(yè)論文（設計） 題目:基于單片機的電子稱重系統(tǒng)設計 學習中心： 內(nèi)蒙古學習中心 學 號： 090F67133009 姓 名： 邱培博 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導教師： 張 偉 2015 年 09 月 20 日 中國地質大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院 本科畢業(yè)論文（設計）指導教師指導意見表 學生姓名： 學號： 專業(yè)： 畢業(yè)設計（論文）題目： 指導教師意見：（請對論文的學術水平做出簡要評述。包括選題意義；文獻資料的掌握；所用資料、實驗結果和計算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。） 填寫要求：1.請指導教師按以上要求填寫意見， 2.學生在上傳論文時不得將以上括號內(nèi)的內(nèi)容刪除。 3.當學生論文評閱成績不及格重寫時，指導教師要重新填寫意見及新的指導日期。（指導教師填寫指導意見時請將填寫要求刪除） 指導教師結論： （合格、不合格） 指導教師 姓名 所在單位 指導時間 中國地質大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院 本科畢業(yè)設計（論文）評閱教師評閱意見表 學生姓名： 學號： 專業(yè)： 畢業(yè)設計（論文）題目： 評閱意見：（請對論文的學術水平做出簡要評述。包括選題意義；文獻資料的掌握；所用資料、實驗結果和計算數(shù)據(jù)的可靠性；寫作規(guī)范和邏輯性；文獻引用的規(guī)范性等。還須明確指出論文中存在的問題和不足之處。） 填寫要求：1.請評閱教師按以上要求填寫意見， 2.上傳論文時不得將以上括號內(nèi)的內(nèi)容刪除。 3.當學生論文評閱成績不及格重寫時，評閱教師要重新填寫意見及新的評閱日期。 （評閱教師填寫指導意見時請將填寫要求刪除） 修改意見：（針對上面提出的問題和不足之處提出具體修改意見。評閱成績合格，并可不用修改直接參加答辯的不必填此意見。） 畢業(yè)設計（論文）評閱成績 （百分制）： 評閱結論： （同意答辯、不同意答辯、修改后答辯） 評閱人姓名 所在單位 評閱時間 論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本人所呈交的本科畢業(yè)論文《基于單片機的電子稱重系統(tǒng)設計》，是本人在導師的指導下獨立進行研究工作所取得的成果。論文中引用他人的文獻、資料均已明確注出，論文中的結論和結果為本人獨立完成，不包含他人成果及使用過的材料。對論文的完成提供過幫助的有關人員已在文中說明并致以謝意。 本人所呈交的本科畢業(yè)論文沒有違反學術道德和學術規(guī)范，沒有侵權行為，并愿意承擔由此而產(chǎn)生的法律責任和法律后果。 論文作者（簽字）：邱培博 日期：2015年09月20日 3 摘 要 電子秤是將檢測與轉換技術、計算機技術、信息處理、數(shù)字技術等技術綜合一體的現(xiàn)代新型稱重儀器。它與我們?nèi)粘Ｉ罹o密結合成為一種方便、快捷、稱量精確的工具，廣泛應用于商業(yè)、工廠生廠、集貿(mào)市場、超市、大型商場、及零售業(yè)等公共場所的信息顯示和重量計算。 電子稱主要以單片機作為中心控制單元，通過稱重傳感器進行模數(shù)轉換單元，在配以鍵盤、顯示電路及強大軟件來組成。電子稱不但計量準確、快速方便，更重要的自動稱重、數(shù)字顯示，對人們生活的影響越來越大，廣受歡迎。 本系統(tǒng)以AT89S52單片機為主控芯片，外圍附以稱重電路、顯示電路、報警電路、鍵盤電路等構成智能稱重系統(tǒng)電路板，從而實現(xiàn)自動稱重系統(tǒng)的稱重功能、報警功能、數(shù)據(jù)計算功能以及人機交換功能?？梢哉f,此設計所完成的電子秤很大程度上滿足了應用需求。 關鍵詞 1、AT89S52 2、壓力傳感器 3、A/D轉換器 4、LCD顯示器  目 錄 摘 要 4 一、緒 論 6 （一）研究目的和意義 6 （二）國內(nèi)外研究動態(tài)和趨勢 6 二、系統(tǒng)方案的設計 9 （一）系統(tǒng)工作原理 9 （二）系統(tǒng)設計基本思路 9 （三）系統(tǒng)總體設計方案比較與論證 9 1 傳感器 9 2 單片機的選型 9 三、系統(tǒng)的硬件電路設計 15 （一）數(shù)據(jù)采集模塊電路的設計 15 1傳感器外圍電路的設計 15 2A/D轉換器 16 （二）微處理部分 18 （三）按鍵和顯示部分 19 1顯示模塊與AT89S52單片機接口電路的設計 19 2鍵盤電路與AT89S52單片機接口電路的設計 20 （四）供電電路設計 21 四、系統(tǒng)軟件設計 22 （一）數(shù)據(jù)采集模塊流程圖與子程序的設計 23 （二）顯示模塊流程圖及子程序的設計 24 （三）鍵盤模塊流程圖及子程序的設計 25 五、結 論 26 致 謝 27 參考文獻 28 28 中國地質大學（武漢）遠程與繼續(xù)教育學院本科畢業(yè)設計（論文） 1、 緒 論 （1） 研究目的和意義 質量是測量領域中的一個重要參數(shù)，稱重技術自古以來就被人們所重視。公元前，人們?yōu)榱藢ω浳锝粨Q量進行估計，起初采用木材或陶土制作的容器對交換貨物進行計量。以后，又采用簡單的秤來測定質量。據(jù)考證，世界上最古老的計量器具出土于中東和埃及，最古老的衡器和砝碼出自于埃及。秤是最普遍、最普及的計量設備，電子秤取代機械秤是科學技術發(fā)展的必然規(guī)律。低成本、高智能化的電子秤無疑具有極其廣闊的市場前景。 物品稱量是市場交易中很基本的活動, 是商業(yè)領域最基本的衡具。在日常生活中，到處必須用到稱。尤其是現(xiàn)代超市和一些其他交易市場上，稱是必不可少的測重工具。隨著人們生活水平的不斷提高，商業(yè)行為也越來越現(xiàn)代化，人們對商品度量的速度和精度也提出了新的要求。傳統(tǒng)的量具是桿稱或盤稱, 20 世紀70 年代開始出現(xiàn)了電子稱。電子稱的產(chǎn)生正是為了適應現(xiàn)代生活需要。 電子秤不僅要向更高的精度和高的可靠性方向發(fā)展,而且更需向多功能的方向發(fā)展。據(jù)悉,目前電子秤的附加功能主要有下面幾種:1.電子秤附加了處理機構計算機信息補償裝置,可以進行自診斷、自校正及多種補償計算和處理。2.具有皮重顯示和凈重顯示等各種功能。電子秤有些已具備了動物稱量模式,即通過進行算術平均、積分處理和自動調零等方法,消除上述的誤差。3.附加特殊的數(shù)據(jù)處理功能。目前的電子秤有附加多種計算和數(shù)據(jù)處理功能,以滿足多種使用的要求。今后,隨著電子高科技的飛速發(fā)展,電子秤技術的發(fā)展定將日新月異。同時,功能更加齊全的高精度的先進電子秤將會不斷問世,其應用范圍也會更加拓寬。 （2） 國內(nèi)外研究動態(tài)和趨勢 隨著第二次世界大戰(zhàn)后的經(jīng)濟繁榮，為了把稱重技術引入到生產(chǎn)工藝過程中去，對稱重技術提出了心動要求，希望稱重過程自動化，為此電子技術滲入衡器制造業(yè)。在1954年使用了帶新式打印機的傾斜式秤，其輸出信號能控制商用結算器，并且用電磁鐵機構與人工操作的按鍵與辦公機器聯(lián)用。在1960年開發(fā)出了與衡器相聯(lián)的專門稱重值打印機。當時帶電子裝置的衡器其稱量工作是機械式的，但與稱量有關的顯示、記錄、遠傳式控制器等功能是電子方式的。電子稱的發(fā)展過程與其他事物一樣，也經(jīng)歷了由簡單到復雜、又由粗糙到精密、由機械到機電結合再到全電子化、由單一的功能逐步演變?yōu)槎喙δ艿倪^程。特別是近30年以來，工藝流程中的現(xiàn)場稱重、配料定量稱重、以及產(chǎn)品質量的監(jiān)測等工作，都離不開能輸出信號的電子衡器。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是因為電子衡器不僅能給出質量或重量的信號，而且還能作為總系統(tǒng)中的一個單元，它承擔著控制和檢驗功能，從而推進工業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟貿(mào)易交往的自動化和合理化。近年來電子稱已愈來愈多地參與到數(shù)據(jù)的處理和控制過程中?，F(xiàn)代稱重技術和數(shù)據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝技術、儲運技術、預包裝技術、收貨業(yè)務及商業(yè)銷售領域中不可或缺的組成部分。隨著稱重傳感器各項性能的不斷突破，為電子稱的發(fā)展奠定了基礎，國外如美國、西歐等一些國家在20世紀60年代就出現(xiàn)了0.1%稱量準確度的電子稱，并在70年代中期約對75%的機械稱進行了機電結合式改造。 我國在20世紀40年代以前還全是機械式的衡器，40年代時開始逐漸有了機電結合式的衡器。50年代時開始出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子衡器。從80年代之后，我國通過自行研究引進消化吸收和技術改造。已由傳統(tǒng)的機械式衡器步入集傳感器、 微電子技術、計算機技術與一體化的電子衡器發(fā)展階段。目前，由于電子衡器具有稱量快、讀數(shù)方便、能在惡劣條件下工作、便于與計算機技術相結合而實現(xiàn)稱重技術和過程控制的自動化特點，已被廣泛應用于工礦企業(yè)、能源交通、商業(yè)貿(mào)易和科學技術等各個部門、隨著稱重傳感器技術以及超大規(guī)模集成電路和微處理器的進一步發(fā)展，電子稱重技術及其應用范圍將更進一步的發(fā)展，并被人們越來越重視。電子衡器產(chǎn)品量大面廣、種類繁多，從通用的各種規(guī)格的電子稱到大型的電子稱重系統(tǒng)，從單純的稱重、計價到生產(chǎn)過程檢測系統(tǒng)的一個測量控制單元，其應用領域不斷地擴大。 通過對近幾年來電子衡器產(chǎn)品發(fā)展的分析以及國內(nèi)與國外市場的需求情況，分析出電子衡器的規(guī)?？s小、模塊簡易、集成度高、智能化成為它總發(fā)展趨勢和新的特點；電子衡器技術性能的趨向是穩(wěn)定性好、精確度高、可靠性強、計算速度快；其功能趨向是對各種可操控信息和不可操控信息做出快速處理，體現(xiàn)高效快速智能的特點；其應用性能趨向于綜合全面的稱重物體以及結合其他智能化設備組合起來快速準確得出結果。 1.規(guī)?？s小 體積縮小、高度偏低、重量較輕，即小、薄、輕。近幾年新研制的電子平臺秤結構充分體現(xiàn)了小薄輕的發(fā)展方向。 2.模塊簡易 對于大型或超大型的承載器結構，如大型靜動態(tài)電子汽車衡等，已開始了采用幾種長度的標準結構化的模塊，經(jīng)過分體組合，而產(chǎn)生新的操作簡易的品種和規(guī)格。 3.集成度高 對于電子衡器的一些品種和結構實現(xiàn)一體化，像秤體與稱重傳感器，鋼軌與稱重傳感器,實際應用例如小型電子平臺秤、專用秤、便攜式靜動態(tài)電子輪軸秤等。 4.智能化 將電子稱量系統(tǒng)和計算機相組合，利用電子計算機的智能化增加了推理、判斷、自組織、自診斷、自適應等功能，從而使得電子衡器的稱重顯示控制器在原有功能的基礎上得到了增強，這就是微機化稱重顯示控制器與智能化稱重顯示控制器的根本區(qū)別。 5.綜合性 基礎研究的不斷加強，且應用的不斷擴大就是電子稱量技術的發(fā)展規(guī)律。擴展其新領域的技術發(fā)展，向相鄰學科和行業(yè)滲透，綜合各領域各行業(yè)的技術來解決稱重計量、自動控制、信息處理等問題。 6.組合性 稱重計量系統(tǒng)在工業(yè)稱重計量過程中或工藝流程中通常需要能夠和其他設備組合起來應用于稱重計量，可以自己設定改變它的測量范圍等，如硬件部分在不同的測量范圍中做不同的改變與調整。硬件功能向軟件方向發(fā)展，并且按一定的程序軟件能進行修改和擴展；在輸入輸出數(shù)據(jù)與指令中不但可以使用不同的語言還可以使用不同的條形碼，并能夠與外部的控制和數(shù)據(jù)處理設備進行通信。 2、 系統(tǒng)方案的設計 （1） 系統(tǒng)工作原理 電子秤的工作原理：首先，將通過壓力傳感器采集到被測物的重量轉換成電壓信號。因為輸出的電壓信號通常是很小的，所以需要通過信號處理電路將其進行準確的放大，并將放大后的模擬電壓信號經(jīng)過A/D轉換電路轉換成為數(shù)字量，并將其送入到主控電路中的單片機中，再經(jīng)過單片機的控制譯碼顯示器，就能顯示出被測量物的重量值。在實際應用中，為提高數(shù)據(jù)采集的精度并盡量減少外界電氣干擾，還需要在傳感器與A/D芯片之間加上信號調整電路。 （2） 系統(tǒng)設計基本思路 按照設計的基本要求，系統(tǒng)可分為三大模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊、人機交互界面模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊是由壓力傳感器、信號的處理和A/D轉換部分組成的。轉換后的數(shù)字信號送給控制器處理，由控制器完成對該數(shù)字量的處理，驅動顯示模塊完成人機間的信息交換。 (3) 系統(tǒng)總體設計方案比較與論證 1 傳感器 傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測量的量，并將其按照一定的規(guī)律進行轉換成為可用的輸出信號的器件或裝置。通常，傳感器是由敏感元件和轉換元件組成的。其中，敏感元件是指傳感器中能夠直接感受被測量的部分。轉換部分是指，傳感器中能將敏感元件輸出的量轉換為適合于傳輸和測量的電信號的部分。現(xiàn)代科技的快速發(fā)展使的人類社會進入了高速發(fā)展的信息時代，其中人們的日常生活與各種活動將主要依靠于對各種信息資源的開發(fā)和獲取、傳輸和處理，而傳感器就是處于自動檢測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取、檢測信息的窗口；一切科學研究和生產(chǎn)過程要所獲取的信息，都是要通過傳感器來轉換成為易傳輸與處理的電信號，所以傳感器是位于在研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置。因此，傳感器占有了特別重要的地位與作用。 傳感器的作用是人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于身體的感官系統(tǒng)。而單靠人體自身的感官系統(tǒng)，在研究各種復雜的自然現(xiàn)象和規(guī)律時它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器了。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。 傳感器早已滲透到各個領域，例如醫(yī)學檢驗診斷、宇宙研究開發(fā)、海洋的探測、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護、資源調查探測、生物工程、甚至文物保護等，都體現(xiàn)了傳感器極其之泛的應用領域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從天上到地下，從陸地到海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。 表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移等。傳感器的靜態(tài)特性是指其對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有的相互的關系。因為這時，輸入的量和輸出的量都是和時間無關的，所以可以用一個不含有時間變量的代數(shù)方程來表示傳感器的靜態(tài)特性，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作為縱坐標來畫出的特性曲線來描述。 傳感器動態(tài)特性是指，傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。通常用傳感器對某些標準的輸入信號的響應來表示其在實際的工作中，傳感器的動態(tài)特性。這是因為，容易用實驗方法求得它對標準輸入信號的響應，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，通?？梢愿鶕?jù)前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。 方案一：壓電傳感器 壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)電式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應。 壓電傳感器體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學量的測量，不適合測頻率太低的被測量，更不能測靜態(tài)量。目前多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。壓電器件的弱點：高內(nèi)阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對外接電路要求很高。 方案二：電容式傳感器 電容式傳感器是將被測非電量的變化轉換為電容變化的一種傳感器。它有結構簡單、靈敏度高、動態(tài)響應好、可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應等優(yōu)點。電容傳感器可用來檢測壓力、力、位移以及振動學非電參量。 電容傳感器的基本工作原理可用最普通的平行極板電容器來說明。兩塊相互平行的金屬極板，當不考慮邊緣效應（兩個極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時，其電容量為 （2-1） 式（2-1）中 ——兩極板間的距離； A——兩平行極板相互覆蓋的有效面積； ——介質的相對介電常數(shù)； ——真空中介電常數(shù)。 若被測量的變化使式中、A、三個參量中任一個發(fā)生變化，都會引起電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量輸出[4]。 雖然電容式傳感器有結構簡單和良好動態(tài)特性等諸多優(yōu)點，但也有不利因素： （1）．小功率、高阻抗。受幾何尺寸限制，電容傳感器的電容量都很小，一般僅幾皮法至幾十皮法。因C太小，故容抗=1/C很大，為高阻抗元件，負載能力差；又因其視在功率P=C ，C很小，則P也很小。故易受外界干擾，信號需經(jīng)放大，并采取抗干擾措施。 （2）.初始電容小，電纜電容、線路的雜散電路所構成的寄生電容影響很大。 方案三 電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將各種力學量轉換為電信號的結構型傳感器。電阻應變片式電阻應變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應變效應，電阻應變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結合彈性元件構成力學量傳感器。 導體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應變效應。電阻應變片把機械應變信號轉換為△R/R后，由于應變量及相應電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉換電路把應變片的△R/R變化轉換成電壓或電流變化。其轉換電路常用測量電橋。 直流電橋的特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。 下圖為一直流供電的平衡電阻電橋，接直流電源E： 圖2-2 傳感器結構原理圖 當電橋輸出端接無窮大負載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。 當忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有： = （2-2） 當滿足條件R1R3=R2R4時，即 （2-3） =0，即電橋平衡。式（2-3）稱平衡條件。 應變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應變片感受的應變所引起的電阻變化有關。 若差動工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（2-2），則電橋輸出為 (2.4) 應變片式傳感器有如下特點： （1）.應用和測量范圍廣，應變片可制成各種機械量傳感器。 （2）.分辨力和靈敏度高，精度較高。 （3）.結構輕小，對試件影響小， 對復雜環(huán)境適應性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應好。 （4）.商品化，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。 本設計中選用最終方案我們選擇的是NS-TH1系列壓力傳感器，額定載荷20Kg，該壓力傳感器均采用全橋式等臂電橋。本設計采用的惠斯登電橋具有很多優(yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，又因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵消。壓力傳感器實際上是一種將質量信號轉變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置[4]。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境，這點對本系統(tǒng)的正確使用傳感器至關重要，它關系到整個系統(tǒng)能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個衡器的可靠性和安全性。而傳感器檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變?yōu)殡妷狠敵觥? 2 單片機的選型 選擇單片機型號的依據(jù)有以下幾個方面： （1）.市場貨源 系統(tǒng)的設計者只能在市場上有并且能夠買得到單片機中選擇，尤其是作為需要大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品的應用系統(tǒng)，所選擇的單片機型號必須有穩(wěn)定、充足的貨源。 （2）.單片機性能 應根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和各種單片機的性能，選擇達標并最容易實現(xiàn)系統(tǒng)技術指標的型號，而且要符合性價比高。單片機性能包括片內(nèi)硬件資源、運行速度、可靠性、指令系統(tǒng)功能、體積和封裝形式等方面。影響性價比的因素除了單片機的性能價格外，還包括硬件和軟件設計的容易程度、相應的工作量大小，以及開發(fā)工具的性能價格比。 （3）.研制周期 在研制任務重、時間緊的情況下，還要考慮所選的單片機型號是否熟悉，是否能馬上著手進行系統(tǒng)的設計。與研制周期有關的另一個重要因素是開發(fā)工具，性能優(yōu)良的開發(fā)工具能加快系統(tǒng)地研制進程。 AT89S系列單片機是繼AT89C系列之后推出的功能更強的新產(chǎn)品。AT89S系列與AT89C系列相比，運算速度有了較大的提高，它的靜態(tài)工作頻率為0~33MHz，片內(nèi)集成有雙數(shù)據(jù)指針DPTR、定時監(jiān)視器(watchdog timer，又稱看門狗)、低功耗休閑狀態(tài)及關電方式、關電方式下的中斷恢復等諸多功能，極大地滿足了各種不同的應用要求。AT89S52單片機是AT89S系列中的增強型高檔機產(chǎn)品，它片內(nèi)存儲器容量是AT89S51的一倍，即片內(nèi)8KB的Flash程序存儲器和256B的RAM。另外，它還增加了一個功能極強的、具有獨特應用的16位定時／計數(shù)器2等多種功能。 3、 系統(tǒng)的硬件電路設計 （1） 數(shù)據(jù)采集模塊電路的設計 數(shù)據(jù)采集模塊電路包括：1.壓力傳感器輸出信號的放大電路部分，壓力傳感器將接收到的壓力信號轉變?yōu)殡娦盘栞敵?，放大電路的作用就是將其電信號進行放大處理。2.A/D轉換器模塊，因為單片機只能接收數(shù)字信號，而前面輸出的是模擬信號，A/D轉換器的作用就是將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，送入單片機進行處理。此外還包括A/D轉換器與單片機的接口電路部分。 1傳感器外圍電路的設計 傳感器外圍電路的抗干擾能力是數(shù)據(jù)采集部分電路設計的關鍵環(huán)節(jié)。導體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應變效應。電阻應變片把機械應變信號轉換為△R/R后，由于應變量及相應電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉換電路把應變片的△R/R變化轉換成電壓變化[5]。 當要改變增益時，僅須調整可變電阻R1即可。 由于輸出的電壓信號也很小，是mV級的電壓信號，因此為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在傳感器外圍電路的設計過程中，增加了由普通運放設計的差動放大器增益調節(jié)電阻選用10K 電阻，是為了滿足系統(tǒng)抗干擾的要求而設計。 放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對放大器有如下一些要求： （1）.信號源的內(nèi)阻遠小于輸入的阻抗。否則的話，由于放大器的負載效應，因此會使所測電壓造成偏差。 （2）抗共模電壓干擾能力強。 （3）在給定的頻帶寬度中其有穩(wěn)定的準確的增益和良好的線性，輸入漂移和噪聲要足夠小，就可以保證所要求的信噪比，這樣就保證了放大器輸出性能的穩(wěn)定。 （4）能附加一些適應特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調整、方便準確的量程切換、極性自動變換等。 前級采用運放組成并聯(lián)型差動放大器。理論上不難證明，存運算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動放人器的輸入阻抗為無窮人，共模抑制比也為無窮人。更值得一提的是，在理論上并聯(lián)型差動放人器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無關。 阻容耦合電路放存由并聯(lián)型差動放大器構成的前級放大器和由儀器放大器構成的后級放大器之間，這樣可以為后級儀器放大器提高增益，從而為提高電路的共模抑制比提供了條件。同時，由于前置放大器的輸出阻抗很低，同時又采用了共模驅動技術，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對稱（匹配）導致的共模干擾轉換成差模干擾的情況發(fā)生。 后級電路采用廉價的儀器放大器，將雙端信號轉換為單端信號輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級的儀器放大器可以做到很高的增益，從而可得到很高的共模抑制比。 從理論上計算整個電路的共模抑制比為： (3-1) 式中：或－放大器的總共模抑制比；－第一級放大器的共模抑制比；或－第二級放大器的共模抑制比；、、和－分別為第一級放大器和第二級放大器的差模增益和共模增益。 有以上分析以及基于電子秤的要求精確度不是很高，所以選擇由普通放大器所組成的差動放大器作為本設計的信號放大電路。 差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放(如OP07)做成一個差動放大器。 2 A/D轉換器 A/D轉換器選用的原則： （1）、A/D 轉換器的位數(shù)。A/D 轉換器決定分辨率的高低。在系統(tǒng)中，A/D 轉換器的分辨率應該比系統(tǒng)允許引用的誤差高一倍以上。 （2）、A/D 轉換器的轉換速率。不同類型的A/D 轉換器，其轉換的速率不相同。積分型的A/D 轉換器轉換速率低，轉換的時間從幾豪秒到幾十毫秒，構成低速A/D 轉換器的，一般用于壓力、溫度及流量等緩慢變化的參數(shù)測試。逐次逼近型是屬于中速A/D 轉換器，轉換的時間為納秒級，用于每個通道過程控制和聲頻數(shù)字轉換的系統(tǒng)。 （3）、是否加采樣/保持器。 （4）、A/D 轉換器的有關量程引腳。有的A/D 轉換器提供兩個輸入引腳，不同量程范圍內(nèi)的模擬量可從不同引腳輸入。 （5）、A/D 轉換器的啟動轉換和轉換結束。一般A/D 轉換器可由外部控制信號啟動轉換，這一啟動信號可由CPU提供。轉換結束后A/D 轉換器內(nèi)部轉換結束信號觸發(fā)器置位，并輸出轉換結束標志電平。通知微處理器讀取轉換結果。 （6）、A/D 轉換器的晶閘管現(xiàn)象。其現(xiàn)象是在正常使用時，A/D 轉換器芯片電流驟增，時間一長就會燒壞芯片。為防止這種現(xiàn)象，可采取如下措施： （1）加強抗干擾措施，盡量避免較大的干擾電流進入電路； （2）加強電源穩(wěn)壓濾波措施， 在A/D 轉換器電源入口處加退耦濾波電路，為防止窄脈沖波竄入在電解電容上再接一高頻濾波電容； （3）在A/D 轉換器的電源端接一限流電阻，可在出現(xiàn)晶閘管現(xiàn)象時，有效地把電流限定在允許范圍內(nèi)，以防止燒壞器件。 選擇A/D 轉換器除考慮上述要點外，為防止對A/D 轉換器的技術指標的影響，還要注意以下幾個問題： （1）工作電源電壓是否穩(wěn)定； （2）外接時鐘信號的頻率是否合適； （3）工作環(huán)境溫度是否符合器件要求； （4）與其它器件是否匹配； （5）外接是否有強的電磁干擾； （6）印刷線路板布線是否合理。 根據(jù)系統(tǒng)的精度要求以及綜合的分析其優(yōu)點和缺點，本設計采用了12位的A/D轉換器AD574。12位的A/D轉換器AD574是美國Analog Device公司生產(chǎn)的。其采用了逐次逼近型的A/D轉換器，最大的轉換時間是25us，其轉換的精度是0.05%，所以更適合于本次設計的系統(tǒng)。并且芯片內(nèi)部有三態(tài)輸出緩沖器，所以直接可以與各種類型的8位或者16位的微處理器連接，不用附加邏輯接口電路，而且能和CMOS及TTL電路兼容，這些在本設計中都是能比較容易的實現(xiàn)[6]。 本系統(tǒng)中的邏輯控制輸入信號A0，/CS，R/-C分別為：字節(jié)選擇控制信號，片選信號，讀數(shù)據(jù)/轉換控制信號。本設計中，它們分別接于74LS373的Q0，Q1，Q2引腳。CE：片啟動信號。本系統(tǒng)要始終保持A/D574處于工作狀態(tài)，所以保持/CS=0，CE=1同時滿足。當R/-C=0，啟動A/D轉換：當A0=0，啟動12位A/D轉換方式；當A0=1，啟動8位轉換方式。12/-8：數(shù)據(jù)輸出格式選擇控制信號。當其為高電平時，對應12位并行輸出；為低電平時，對應8位輸出。此接口接地，本設計中采用8位輸出。STS：工作狀態(tài)信號線。當啟動A/D進行轉換時，STS為高電平；當A/D轉換結束時為低電平[11]。同時它也可以利用此線驅動一信號二極管的亮滅，從而表示是否處于A/D轉換。DB11~DB0：12位數(shù)字量輸出端，此系統(tǒng)中DB0~DB3接于DB8~DB11上，DB4~DB6分別與74LS373的D7~D5相接，DB7~DB11分別與74LS373的D4~D0相接，送單片機進行數(shù)據(jù)處理。 由于對AD574 8、10、12引腳的外接電路有不同連接方式，所以AD574與單片機的接口方案有兩種，一種是單極性接法，可實現(xiàn)輸入信號0～10V或者0～20V的轉換；另一種為雙極性接法，可實現(xiàn)輸入信號-5～+5V或者-10～+10V之間轉換。我們采用單極性接法。 （二） 微處理部分 AT89S52單片機的最小系統(tǒng)由時鐘電路、復位電路等與單片機構成。單片機的時鐘信號是用來給單片機片內(nèi)的各種操作的時間基準，而復位操作就是使單片機的片內(nèi)電路初始化，使得單片機從確定的初態(tài)開始工作。 1、本次設計使用AT89S52單片機的時鐘振蕩功能，因為時鐘電路為單片機提供時鐘周期，如果沒有時鐘電路，單片機就沒有時鐘周期，就無法執(zhí)行程序代碼，單片機就無法工作。AT89S52中有一個來用作構成內(nèi)部震蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1與XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或者陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器[3]。如圖3-4所示，外接石英晶體或者陶瓷諧振器和電容C1，C2接在了放大器的反饋電路中構成了一個并聯(lián)諧振電路。諧振器本身對于外接的電容C1和C2雖然沒有十分嚴的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度以及溫度的穩(wěn)定性，所以本設計使用石英晶體，每個電容大小為30pF。晶振的振蕩頻率是1.2MHz—12MHZ之間，本設計選擇12MHZ，因為晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機的運行速度也就越快。 2、因為很多用戶設計完單片機系統(tǒng)，并在調試的過程中，可能會出現(xiàn)“死機”或“程序走飛”等現(xiàn)象，所以本設計需要采用復位電路來使單片機復位，來防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，復位電路設計的好壞，將直接影響系統(tǒng)的可靠性。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式，復位是單片機的初始化操作，除進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，可以按復位鍵以重新啟動，也可以通過監(jiān)視定時器來強迫復位。只需給單片機的復位引腳RST加上大于2個機器周期的高電平就可使單片機復位[3]，本設計采用的是上電復位電路，其主要特點是簡單，適用于簡單的電路，做起來還是比較方便的。 本設計采用的上電復位電路，上電復位電路是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。當電源接通時只要VCC的上升時間不超過1ms。就可以實現(xiàn)自動上電復位。本設計采用時鐘頻率為6MHz，電容取22uF,電阻取1KΩ。 在本設計中，當電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態(tài)。 系統(tǒng)復位對于本系統(tǒng)是執(zhí)行的第一步，使得整個控制芯片回到了默認的硬件狀態(tài)下。復位的引腳是由RESET引腳來控制的，這個引腳與高電平相連接超過24個振蕩周期后，51單片機即進入了芯片內(nèi)部的復位狀態(tài)，并且將一直在這種狀態(tài)下等待，一直到RESET引腳轉變成低電平后，再檢查EA引腳是高電平還是低電平，若引腳是高電平就執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若引腳是低電平就執(zhí)行外部的程序。 （三） 按鍵和顯示部分 1顯示模塊與AT89S52單片機接口電路的設計 本設計所設計的電子秤系統(tǒng)需要顯示一些數(shù)據(jù)，例如商品的重量，單價及其總價等等，所以本設計得采用顯示模塊達到其功能指標，數(shù)據(jù)顯示部分可以有以下兩種方案供選擇。的組成有以下兩種方案可供選擇：一是 LED數(shù)碼管顯示,二是采用可以設置顯示重量，單價，金額等的LCD，它具有低功耗、可視面大及抗干擾能力強等功能，其顯示技術已得到廣泛應用。所以本設計采用LCD1602，LCD1602的主要技術參數(shù)：顯示容量:162個字符，芯片工作電壓:4.5—5.5V，電流:2.0mA(5.0V)，模塊最佳工作電壓:5.0V，字符尺寸:2.954.35(WH)mm。 LCD 顯示器的工作原理：液晶顯示器的主要材料是液態(tài)晶體。它在特定的溫度范圍內(nèi)，既具有液體的流動性，又具有晶體的某些光學特性，其透明度和顏色隨電場、磁場、光照度等外界條件變化而變化。因此，用液晶做成顯示器件，就可以把上訴外界條件的變化反映出來從而形成現(xiàn)實的效果。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件。 本設計中的LCD液晶顯示模塊采用LCD1602型號，具有很低的功耗，正常工作時電流僅2.0mA/5.0V。通過編程實現(xiàn)自動關閉屏幕能夠更有效的降低功耗。LCD1602分兩行顯示，每行可顯示多達16個字符。LCD1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，通過內(nèi)部指令可實現(xiàn)對其顯示多樣的控制，并且還能利用空余的空間自定義字符。這些都比較符合本系統(tǒng)的要求。本設計中AT89S52的P0.0~P0.7口分別與LCD1602的DB0~DB7口相接作為數(shù)據(jù)線，每個口接上拉電阻后接+5V電源，要求從電源高電平引出的電阻接到輸出。上拉電阻同時也起穩(wěn)定信號的作用，如果太小那么功耗比較大，太大的話就起不到上拉的作用了，所以本設計選擇上拉電阻阻值為1K。系統(tǒng)中的VSS和E1接地電源，VDD和E2接+5V電源，E端是使能端，當E端由高電平跳變成為低電平時，則液晶模塊就執(zhí)行命令，RS為寄存器選擇，R/W為讀寫信號線，當高電平時就進行讀操作，而低電平時就進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時就可以寫入指令或者顯示地址了，如果RS為低電平R/W為高電平時就可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時就可以寫入數(shù)據(jù)。 2鍵盤電路與AT89S52單片機接口電路的設計 本設計中需要預置單價，所以需要采用鍵盤電路模塊來預置單價，本設計中鍵盤電路模塊采用鍵盤專用芯片74C922及16個按鍵矩陣組。在本設計的電子秤系統(tǒng)中，帶有16個按鍵矩陣組設置，其中0—9數(shù)字鍵用于輸入單價，還有確認，點，刪除和清零的功能，確認用于確認出入的單價，點是用來輸入小數(shù)點，刪除用于刪除錯誤的輸入，當計算完一種物品的價格后清除所有的結果，這是用到清零鍵，此外還設有2個備用鍵。本設計采用了專用的鍵盤管理芯片74C922。74C922是CMOS工藝技術制造，工作電壓為3V到15V，“二鍵鎖定”功能，編碼輸出是三芯輸出，可以直接和微處理器數(shù)據(jù)線相連，內(nèi)部振蕩器完成44矩形鍵盤的掃描。 矩陣式的鍵盤結構和工作原理： 當鍵盤中按鍵的數(shù)量較多時，所以為了減少I/O口的占用，使按鍵排列成矩陣的形式。在矩陣鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處是不直接連通的，而是通過一個按鍵加以連接。因此這樣，一個端口（如P2口）就構成了4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤的多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，如果再多加一條線就可以構成20個鍵的鍵盤，而如果直接用端口線就只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，如果需要的鍵比較多時，那么采用矩陣式鍵盤是合理的。 （四）供電電路設計 采用通過全橋整流電路將交流電壓轉換為直流電壓，系統(tǒng)硬件電路要求電源額定電壓為5V，單片機系統(tǒng)要求電源電壓的紋波系數(shù)盡可能的小,由以上要求,選用固定輸出的線性穩(wěn)壓集成器LM78H05和LM7905。輸入電壓VIN在7~35V的范圍內(nèi)變化,輸出電壓V可保證為5V輸出。這個穩(wěn)壓器還具有過流保護,過熱保護和過壓保護的功能，線性穩(wěn)壓結構可使電源紋波系數(shù)降低。 四、系統(tǒng)軟件設計 為了方便程序調試和提高可靠性，本設計的程序設計采用自上而下、模塊化、結構化的程序設計方法，把總的編程過程逐步細分，分解成一個個功能模塊，每個功能模塊相互獨立，每個模塊都能完成一個明確的任務，實現(xiàn)某個具體的功能。本設計按任務模塊劃分的程序主要有初始化程序、主程序， A/D轉換子程序、顯示子程序、鍵盤處理子程序。主程序模塊主要完成編程芯片的初始化及按需要調用各模塊（子程序），在系統(tǒng)初始化過程中，將系統(tǒng)設置成20Kg量程，并寫20Kg量程標志。 開始首先設置堆棧指針、中斷服務程序入口、設置顯示緩沖區(qū)、設置顯示初值、設置中斷優(yōu)先級及觸發(fā)形式以及相關寄存器清零工作，然后調用轉換程序和顯示程序，判斷INT0是否有效，如果無效則返回重新調用轉換程序和顯示程序，如果有效說明鍵盤部分有按鍵，繼續(xù)調用鍵盤子程序和顯示子程序并啟動數(shù)模轉換，再判斷INT1是否有效，如果無效保持等待返回到啟動數(shù)模轉換，如果有效說明A/D轉換部分開始工作，調用數(shù)據(jù)處理子程序、調用計算子程序并執(zhí)行數(shù)模轉換，最后設置顯示子程序，再看重物是否移去，如果沒移去返回到數(shù)模轉換，如果移去了說明轉換結束。 （一）數(shù)據(jù)采集模塊流程圖與子程序的設計 A/D轉換子程序主要是指在系統(tǒng)開始運行時，把稱重傳感器傳遞過來的模擬信號轉換成數(shù)字信號并傳遞到單片機所涉及到的程序設計。開始，首先是A/D轉換器的初始化，啟動A/D轉換，判斷A/D轉換是否完成，如果沒完成返回到上一步，如果完成了將數(shù)據(jù)儲存并顯示出來，最后返回到主程序。設計流程圖如圖4-1所示。 A/D574初始化 啟動A/D轉換 A/D轉換完成 數(shù)據(jù)存儲 數(shù)據(jù)顯示 Y N 圖4-1 A/D轉換啟動及數(shù)據(jù)讀取程序流程圖 返回 開始 （二）顯示模塊流程圖及子程序的設計 顯示子程序主要是來判斷是否需要顯示,以及如何去顯示,也是十分重要的程序之一。而顯示子程序是其他程序所需要調用的程序之一，因此，顯示子程序的設計就顯得舉足輕重，設計的時候也要注意。首先開始顯示初始化界面，完后判斷有無按鍵，如果沒有返回到上一步，如果有按鍵則顯示出來按鍵的功能，例如預置的單價等，檢測是否有重物，如果沒有返回上一步，如果有按鍵則顯示出物重、總價等信息，顯示結束返回。顯示子程序的流程圖如下圖4-2所示。 顯示總價信息 Y N 顯示按鍵功能 檢測重物 Y N 有無按鍵 顯示初始化界面 開始 返回 圖4-2 顯示子程序流程圖 （三）鍵盤模塊流程圖及子程序的設計 鍵盤電路設計成4X4矩陣式，總共16個按鍵，包括： 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、確認、點、刪除、清零和兩個備用鍵。 在程序中可以先判斷按鍵編碼，然后根據(jù)編碼將鍵盤代表的數(shù)值送到相應的存儲單元，再進行功能選擇或數(shù)據(jù)處理。主要是判斷有無按鍵，如果沒有原地跳轉，如果有按鍵則通過LCD顯示出其按鍵功能，然后判斷是否有清零鍵按下，如果沒有則原地跳轉，如果有清零鍵按下，說明鍵盤輸入重新開始，返回到字符界面顯示繼續(xù)后面的操作。鍵盤子程序流程圖如圖4-3所示。 圖4-3 鍵盤子程序流程圖 Y Y N Y N N 按鍵輸入 LCD輸入 界面字符顯示 有功能鍵按下 輸入完畢 調用LCD顯示 有清零鍵按下 五、結 論 隨著集成電路與計算機技術的迅速發(fā)展，使得電子儀器的整體水平發(fā)生了巨大變化，許多傳統(tǒng)的儀器逐步的被智能儀器所取代。智能儀器的核心部件是單片機，因為它極高的性價比，從而得到了廣泛的應用與發(fā)展，從而加速了智能儀器的發(fā)展。而作為測控系統(tǒng)中對象信息入口的傳感器，越來越受到了人們的關注。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物，它是一種能夠將特定的被測量的信息（物理量、化學量、生物量等）按一定規(guī)律轉換成為某種可用信號輸出的器件或裝置。本次設計中的半橋電子秤就是在以上儀器的基礎上設計而成的。因此，只要充分了解了有關智能儀器、單片機、傳感器以及各部分之間的關系才能達到要求。 本設計仍存在一些不足之處，首先是傳感器的精密度，它將直接影響電子秤的稱重準確度。課設時由于傳感器發(fā)出的信號不是很穩(wěn)定，所以稱重時誤差很大。如果使用精密度較高的傳感器，效果會好的多。其次是數(shù)據(jù)采集處理階段，此階段是對傳感器發(fā)出的信號進行量化、采集，主要分為信號放大、采集，然后進行A/D轉換。該階段需注意的地方是對傳感器輸出的信號進行放大時，應選取合適的運算放大電路。最好是預先計算好應放大的倍數(shù)，以便選取。還有就是進行數(shù)據(jù)處理時，選取適當?shù)臄?shù)據(jù)轉換系數(shù)，使輸出滿足量程要求。還有就是電子電路的設計中對各種影響因素的考慮不夠完全，比如在對過電壓情況的處理中未作防范措施。系統(tǒng)設計不夠優(yōu)化，有待改善。 電子秤是國計民生、國防建設、科學研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計量設備，產(chǎn)品技術水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的提高。繼續(xù)開展本課題的研究是很有發(fā)展前景的，稱重裝置不僅是能提供重量數(shù)據(jù)的單體儀表，而且還是作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)中的一個重要組成部分，推進了工業(yè)生產(chǎn)的自動化和管理的現(xiàn)代化，它起到了縮短作業(yè)時間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產(chǎn)品質量以及加強企業(yè)管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。 致 謝 本論文是在張偉老師的悉心指導下完成的，在此我首先對沈老師表示最誠摯的謝意! 衷心感謝張老師在整個研究設計階段所給予我的悉心關懷與指導。老師一絲不茍的工作作風、兢兢業(yè)業(yè)的科研精神都使我永生難忘，這將使我在以后的工作和生活中獲益無窮。 在我從事本系統(tǒng)研究設計的時間里，一直得到很多老師和同學的指導、關心和幫助。提出了很多有益的意見和見解，使我獲益匪淺。 最后，向所有曾給予我?guī)椭睦蠋?、同學和朋友致以最誠摯的謝意! 參考文獻 1 胡漢才.單片機原理及其接口技術，清華大學出版社,2003: 2 田琬逸.張效民.信號檢測與估值.西北工業(yè)大學出版社,1990: 3劉瑞新.單片機原理及應用教程[M].機械工業(yè)出版社，2003.7 4胡榮強,郝艷杰.USB接口在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用[J].微計算機信息.2005 5 李鳴華.余水寶.單片機在測量中的應用.電子出版社，1998: 6 林書玉.電子秤的原理及設計.北京：科學出版社，2003: 7趙新民.王祁.智能儀器設計基礎.第二版.哈爾濱工業(yè)大學.2007：29-46 8張弘. 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