畢業(yè)設計（論文）-基于AT89S52單片機的電子稱的設計與制作.doc

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1、中原工學院信息商務學院（論文）摘 要該設計以51系列單片機AT89S52為控制核心，實現電子秤的基本控制功能。在設計系統時，為了更好地采用模塊化設計法，分步的設計各個單元功能模塊，系統的硬件部分可以分為最小系統、數據采集、人機交互界面和系統電源四大部分。最小系統部分主要包括AT89S52和擴展的外部數據存儲器；數據采集部分由壓力傳感器、信號的前級處理和A/D轉換部分組成，包括運算放大器AD620和A/D轉換器ICL7135；人機交互界面為鍵盤輸入和點陣式液晶顯示，主要使用ZLG7289鍵盤控制芯片和OCM4x8C顯示器，可以方便的輸入數據和直觀的顯示中文。系統電源以LM317和LM337為核心

2、設計電路以提供系統正常工作電源。軟件部分應用單片機C語言進行編程，實現了該設計的全部控制功能。該電子秤可以實現基本的稱重功能（稱重范圍為09.999Kg，重量誤差不大于0.005Kg）,并發(fā)揮部分的顯示購物清單的功能，可以設置日期和設定十種商品的單價， 還具有超量程和欠量程的報警功能。整個系統結構簡單，使用方便，功能齊全，精度高，具有一定的開發(fā)價值。 關鍵詞：單片機；采樣電路；A/D轉換器；液晶顯示 目 錄 第一章 緒論1 1.1 引言1 1.2選題背景與意義2 1.3 研究現狀21.3.1 影響因素2 1.3.2產品質量31.3.3發(fā)展方向31.3.4電子秤的智能化31.4 本文的結構4第二

3、章 系統方案的設計52.1 電子秤的設計要求52.1.1 基本要求52.1.2 發(fā)揮部分52.1.3 創(chuàng)新部分52.2 系統工作原理及設計基本思路52.2.1 系統工作原理52.2.2 系統設計基本思路62.3 系統總體設計方案比較與論證62.4 單片機的選型82.5 數據采集部分的方案確定92.5.1 傳感器92.5.2 前級放大器部分122.5.3 A/D轉換器152.6 人機交互部分172.6.1 鍵盤輸入172.6.2 輸出顯示172.7 系統電源182.8 具體實施方案簡介20第三章 系統硬件設計223.1 基于AT89S52的主控電路223.1.1 芯片介紹223.1.2 主控電路

4、263.2 基于ICL7135的前端信號處理電路273.2.1 芯片介紹273.2.2 信號處理電路303.3 人機交互界面333.3.1 鍵盤控制電路333.3.2 液晶顯示電路353.4 系統電源373.4.1 芯片介紹373.4.2 電源電路383.5 報警電路40第四章 軟件流程414.1 主程序流程圖414.2 主要中斷程序流程圖42第五章 結論44致謝46參考文獻47附錄A：原理圖62附錄B：Pcb板圖63附錄C：元器件清單64中原工學院信息商務學院第一章 緒 論1.1 引言質量是測量領域中的一個重要參數，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

5、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。21世紀，電子產品變得越來越豐富，給人們帶來了很多很多的方便，其中電子秤成了人們生活中不可缺少的一部分。大大小小的市場電子秤能夠完成許多工作，為人們節(jié)省了時間，提高了工作效率。在超市里的一臺電子秤，它能很精確的稱出商品的重量，還能去除皮重，更主要的是，它其中預存了超市里商品的單價，當稱出商品的重量后，電子秤馬上就能算出價格

6、，不管幾種商品都能一一累加，最后列出清單，可以說非常的智能化，而且非常的精確。由此，顧客在購物的時候非常的放心，商家的效益也提高了，所以有了電子秤，顧客買的放心，商家也賣的開心了。本設計就是為了制作這樣一種電子秤，它以單片機為核心在實際使用時達到以下要求：1、電子秤稱重范圍：09.999；重量誤差不大于0.005；2、 液晶顯示：所稱物體重量、商品的購物清單等。本設計的控制功能包括基本的稱重功能，顯示購物清單功能，設置日期和重新設定10種商品的單價功能，還具有超重與欠量程報警功能。由于系統資源豐富，還可以方便的拓展其應用。 我相信通過這次對電子秤控制系統的硬件設計，一定能夠學到豐富的知識并對電

7、子產品有更深一層的了解。 1.2 選題背景與意義電子秤是日常生活中常用的電子衡器，廣泛應用于超市、大中型商場、物流配送中心。電子秤在結構和原理上取代了以杠桿平衡為原理的傳統機械式稱量工具。相比傳統的機械式稱量工具，電子秤具有稱量精度高、裝機體積小、應用范圍廣、易于操作使用等優(yōu)點，在外形布局、工作原理、結構和材料上都是全新的計量衡器。電子秤的設計首先是通過壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉換成電壓信號。輸出電壓信號通常很小，需要通過前端信號處理電路進行準確的線性放大。放大后的模擬電壓信號經A/D轉換電路轉換成數字量被送入到主控電路的單片機中，再經過單片機控制譯碼顯示器，從而顯示出被測物體的重

8、量。 目前市場上使用的稱量工具，或者是結構復雜，或者運行不可靠，且成本高，精度穩(wěn)定性不好，調正時間長，易損件多，維修困難，裝機容量大，能源消耗大，生產成本高。而且目前市場上電子秤產品的整體水平不高，部分小型企業(yè)產品質量差且技術力量薄弱，設備不全，缺乏產品的開發(fā)能力，產品質量在低水平徘徊。因此，有針對性地開發(fā)出一套有實用價值的電子秤系統，從技術上克服上述諸多缺點，改善電子秤系統在應用中的不足之處，具有現實意義。1.3 研究現狀1.3.1 影響因素隨著科技的進步, 對電子秤的要求也越來越高。影響其精度的因素主要有: 機械結構、傳感器和數顯儀表。在機械結構方面，因材料結構強度和剛度的限制, 會使力的

9、傳遞出現誤差，而傳感器輸出特性存在非線性, 加上信號放大、模數轉換等環(huán)節(jié)存在的非線性，使得整個系統的非線性誤差變得不容忽視。因此，在高精度的稱重場合，迫切需要電子秤能在線自動校正系統的非線性。此外，為了保證準確、穩(wěn)定地顯示, 儀器內部分辨率(主要是ADC 的分辨率) 一般要比外部顯示分辨率高4 倍以上, 這就要求所采用的ADC 具有足夠的轉換位數，而采用高精度的ADC，自然增加了系統的成本。1.3.2 產品質量目前市場上主流的電子秤根據使用功能的不同包括以下幾個類型：電子天平、電子計數秤、電子計價秤、電子臺秤、電子吊鉤秤、定量包裝秤以及條形碼電子秤等。面對種類如此繁多的電子秤，目前市場上存在許

10、多不合格的電子秤產品。不合格問題主要表現在以下三個方面： 1、溫度試驗項目不符合標準規(guī)定；2、濕熱試驗項目達不到標準要求； 3、抗電脈沖串試驗和抗靜電放電試驗項目不合格。造成產品不合格的原因主要有以下幾個方面： 1、 稱重傳感器的質量不達標，制約了電子秤產品整體質量的提高；2、關鍵元器件未進行篩選和通電老化，造成電子計價秤質量失控； 3、部分產品設計上抗干擾能力不強；4、產品檢驗把關不嚴。面對目前市場上電子秤產品的總體質量不高的局面，除了加強對電子秤產品的日常監(jiān)督管理之外，還要從根本上推動技術的發(fā)展，促進電子秤產品質量的提高，更好地保護消費者的合法權益。1.3.3 發(fā)展方向電子秤不僅要向高精度

11、、高可靠方向發(fā)展，而且更需向多種功能的方向發(fā)展。據悉, 目前電子秤的附加功能主要有以下幾種：1、電子秤附加了計算機信息補償處理裝置，可以進行自診斷、自校正和多種補償計算和處理；2、具有皮重、凈重顯示等特種功能。電子秤有些已具備了動態(tài)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、 附加特殊的數據處理功能。目前的電子秤有附加多種計算和數據處理功能, 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。1.3.4 電子秤的智能化電子秤的稱重功能是基于微

12、電腦控制芯片處理器這一核心技術來實現的。由于目前在設計電子秤系統時大量地采用集成芯片，因此電子秤系統已經擺脫了以往的電子模式，正趨向智能化多元化方向發(fā)展。在此基礎上可以實現系統功能的擴展，比如與上位機的通訊，在上位機上利用圖形化界面的操作軟件實現數據庫管理等。電子秤由于自身的精度高、功能強和使用方便，實際使用的電子秤有較高的性價比，在很多領域完全可以取代那些機械式的稱重工具。在具體開發(fā)電子秤的系統時應該根據用戶的客觀需要，再結合系統硬件和軟件，從而可以開發(fā)出一套實際使用價值極大的電子秤系統。目前，隨著電子技術的飛速發(fā)展，微處理器應用技術的日趨成熟，必將推進基于微處理器為核心的電子秤系統功能的日

13、趨完善，因此多元化智能電子秤具有廣泛的應用前景和開發(fā)價值！1.4 本文的結構 本文以電子秤的研發(fā)作為應用背景，對傳感器、模數轉換、單片機及其接口等技術進行了分析。全文共分為六章，各章的主要內容如下：第一章扼要地介紹了電子秤的概念、特點與相關研究背景； 第二章論證了系統方案，包括對原理的闡述，各種優(yōu)缺點的比較，屬于理論分析部分； 第三章通過對各種芯片的介紹以及對電路功能的分析，對系統硬件進行了描述，給出了單片機的的控制方案；第四章簡單介紹了系統軟件流程；第五章對整個設計做了總結，歸納了存在的問題和進一步研究的方向。第二章 系統方案的設計電子秤的應用系統是由硬件和軟件所組成。硬件指單片機、擴展的存

14、儲器、擴展的輸入輸出設備等部分；軟件是各種工作程序的總稱。硬件和軟件只有緊密配合、協調一致，才能提高系統的性能價格比。從一開始設計硬件時，就應考慮相應軟件的設計方法，而軟件設計是根據硬件原理和系統的功能要求進行的。2.1 電子秤的設計要求2.1.1 基本要求1、 電子秤稱重范圍：09.999Kg；重量誤差不大于0.005Kg；2、 液晶顯示：所稱物體重量、10種商品的購物清單等。2.1.2 特色與創(chuàng)新1、使用單片機為控制核心，大大簡化了系統的組成構造，且單片機可拓展性強，可以很方便的對系統進行拓展和應用。2、使用鍵盤輸入數據，操作簡單，方便。3、中文液晶顯示所稱量的物品重量，同時還可顯示物品的

15、名稱，數量，單價，金額和所有物品的總金額。4、具有去皮功能和金額累加計算功能。5、當物品重量超過電子秤量程，即過載情況或者是物品重量小于A/D轉換器所能轉換的最小精度，即欠量程的時候，具有超重報警功能。 2.2 實驗原理及設計基本思路2.2.1 系統工作原理電子秤的工作原理。首先是通過壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉換成電壓信號。輸出電壓信號通常很小，需要通過前端信號處理電路進行準確的線性放大。放大后的模擬電壓信號經A/D轉換電路轉換成數字量被送入到主控電路的單片機中，再經過單片機控制譯碼顯示器，從而顯示出被測物體的重量。在實際應用中，為提高數據采集的精度并盡量減少外界電氣干擾，還需要在

16、傳感器與A/D芯片之間加上信號調整電路。2.2.2 系統設計基本思路按照設計的基本要求，系統可分為三大模塊，數據采集模塊、控制器模塊、人機交互界面模塊。其中數據采集模塊由壓力傳感器、信號的前級處理和A/D轉換部分組成。轉換后的數字信號送給控制器處理，由控制器完成對該數字量的處理，驅動顯示模塊完成人機間的信息交換。此部分對軟件的設計要求比較高，系統的大部分功能都需要軟件來控制。在擴展功能上，本設計增加了一個過載、欠量程報警提示。2.3 系統總體設計方案比較與論證具體方案前端信號處理時，選用放大、A/D轉換等措施，尤其在顯示方面采用具有字符圖文顯示功能的LCD顯示器。這種方案不僅加強了人機交換的能

17、力，而且滿足設計要求，可以顯示購物清單、所稱量的物體信息等相關內容。結構簡圖如下圖所示： 圖2.3 LCD顯示的方案目前單片機技術比較成熟，功能也比較強大，被測信號經放大整形后送入單片機，由單片機對測量信號進行處理并根據相應的數據關系譯碼顯示出被測物體的重量。由于系統需要的按鍵較多，因此要加一個鍵盤顯示管理芯片（ZLG7289）。單片機控制適合于功能比較簡單的控制系統,而且其具有成本低,功耗低,體積小算術運算功能強,技術成熟等優(yōu)點。但其缺點是外圍電路比較復雜,編程復雜。使用這種方案會給系統設計帶來一定的難度。圖2.4 單片機實現方案原理框圖2.4 單片機的選型選擇單片機型號的出發(fā)點有以下幾個方

18、面：1、 市場貨源系統設計者只能在市場上能夠提供的單片機中選擇，特別是作為產品大批量生產的應用系統，所選的單片機型號必須有穩(wěn)定、充足的貨源。2、 單片機性能應根據系統的功能要求和各種單片機的性能，選擇最容易實現系統技術指標的型號，而且能達到較高的性能價格比。單片機性能包括片內硬件資源、運行速度、可靠性、指令系統功能、體積和封裝形式等方面。影響性能價格比的因素除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的設計。與研制周期有關的另一個重要因素是開

19、發(fā)工具，性能優(yōu)良的開發(fā)工具能加快系統地研制進程。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033MHz，片內集成有雙數據指針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品，它片內存儲器容量是AT89S51的一倍，即片內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位定時計數器2等

20、多種功能。在工程應用中AT89S52有一顯著的優(yōu)勢：不需要燒寫器，只借助PC 機的并口輸出和極為簡單的下載電路，便可將程序通過串行方式寫入單片機。并且下載電路可設計在系統中，可以隨時修改單片機的軟件而不對硬件做任何改動。 由此，通過對目前主流型號的比較，我們最終選擇了AT89S52通用的普通單片機來實現系統設計。AT89S52是一種兼容MCS51微控制器，工作電壓4.0V到5.5V，全靜態(tài)時鐘0 Hz 到33 MHz，三級程序加密，32個可編程I/O口，2/3個16位定時/計數器，6/8個中斷源，全雙工串行通訊口，低功耗支持Idle和Power-down模式，Power down模式支持中斷喚

21、醒, 看門狗定時器，雙數據指針，上電復位標志。我們在外面擴展了32K數據存儲器，以滿足系統要求。2.5 數據采集部分的方案確定2.5.1 傳感器傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉換部分指傳感器中能將敏感元件輸出量轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。現代科技的快速發(fā)展使人類社會進入了信息時代，在信息時代人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發(fā)和獲取、傳輸和處理，而傳感器處于自動檢測與控制系統之首，是感知獲取與檢測信息的窗口；傳感器處于研究對象與測控系統的接口位置，一切科

22、學研究和生產過程要獲取的信息，都要通過它轉換為易傳輸與處理的電信號。因此，傳感器的地位與作用特別重要。 我選擇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

23、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2.6 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

24、-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，便于實現遠距離、自動化測量。 通過以上對傳感器的比較分析，最終選擇了第三種方案。題目要求稱重范圍09.999Kg，重量誤差不大于0.005Kg，考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重9.999Kg 。我們選擇的是L-PSIII型傳感器，量程20Kg

25、，精度為 0.01%，滿量程時誤差0.002Kg，完全滿足本系統的精度要求。2.5.2 前級放大器部分經由傳感器或敏感元件轉換后輸出的信號一般電平較低；經由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行A/D轉換。為此，測量電路中常設有模擬放大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件構成具有各種特性的放大器來完成。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、輸入阻抗應遠大于信號源內阻。否則，放大器的負載效應會使所測電壓造成偏差。2、抗共模電壓干擾能力強。3、在預定的頻帶寬度內有穩(wěn)

26、定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(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。我們采用專用儀表放大器，如：AD620，INA126等。此類芯片內部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。 以AD620為例，內部結構如下圖所示：圖2.8 AD620的內部等效圖接口如下圖所示：圖2.9 AD620的接口圖電路的工作原理：A1、A2工作在負反饋狀態(tài)，其反向輸入端的電壓與同相輸入端的電壓相等。即Rg兩端的電壓分別為Vin+、Vin-。因此 （2.

27、5）設圖（2.8）中電阻R1=R2=R，則A1、A2兩輸出端的電壓差U12為 （2.6）將式（2.6）代入式（2.5）得 放大器的增益Av為 （2.7）可見，僅需調整一個電阻Rg，就能方便的調整放大器的增益。由于整個電路對稱，調整時不會造成共模抑制比的降低。在接口圖（2.9）中，通過改變可變電阻R3的阻值大小來改變放大器的增益，放大器增益計算公式如下： （2.8）AD620 具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點。其最大輸入偏置電流為20nA，這一參數反映了它的高輸入阻抗。AD620在外接電阻Rg時，可實現11000范圍內的任意增益；工作電源范圍為2.318V；最大電源電流為

28、1.3mA；最大輸入失調電壓為125V；頻帶寬度為120kHz（在G=100時）?；谝陨戏治?，我們決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器AD620。2.5.3 A/D 轉換器A/D轉換器選用的原則：1、A/D 轉換器的位數。A/D 轉換器決定分辨率的高低。在系統中，A/D 轉換器的分辨率應比系統允許引用誤差高一倍以上。2、A/D 轉換器的轉換速率。不同類型的A/D 轉換器的轉換速率大不相同。積分型的轉換速率低，轉換時間從幾豪秒到幾十毫秒，只能構成低速A/D 轉換器，一般用于壓力、溫度及流量等緩慢變化的參數測試。逐次逼近型屬于中速A/D 轉換器，轉換時間為納秒級，用于個通道過程控制和聲頻

29、數字轉換系統。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 轉換器的晶閘管現象。其現象是在正常使用時，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

30、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，可在出現晶閘管現象時，有效地把電流限定在允許范圍內，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。由上面對傳感器量程和精度的分析可知：A/D轉換器誤差應在3g以下。12位A/D精度：10Kg/4096=2.44g；14位A/D精度

31、：10Kg/16384=0.61g；考慮到其他部分所帶來的干擾，12位A/D轉換器無法滿足系統精度要求。所以我們需要選擇14位或者精度更高的A/D轉換器。我們選擇雙積分型A/D轉換器：如：ICL7135、ICL7109等。雙積分型ADC是間接型A/D轉換器，其基本原理是首先對未知的輸入電壓進行固定時間的積分，然后轉向對標準電壓進行反相積分至積分輸出電壓為零（返回起始值）， 則標準電壓積分的時間正比與輸入電壓。輸入電壓越大，反向積分時間越長。用高頻率時鐘脈沖來測量標準電壓積分時間，即可得到輸入電壓對應的數字代碼。 雙積分型A/D轉換器雖然速度較慢，但轉換精度高(如：ICL7135)，具有精確的差

32、分輸入。其輸入阻抗高，可自動調零，具有超量程信號，全部輸出與TTL電平兼容。雙積分型A/D轉換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50HZ的工頻干擾抑制能力特強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）也具有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產生影響。尤其對本系統，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型A/D轉換器可大大降低對濾波電路的要求。作為電子秤，系統對AD的轉換速度要求并不高，精度上14位的AD足以滿足要求。另外雙積分型A/D轉換器較強的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價格。綜合的分析其優(yōu)點和缺點，我們最終選擇了精度為10

33、Kg/ 20000= 0.5g的ICL7135。2.6人機交互部分2.6.1 鍵盤輸入鍵盤輸入是人機交互界面中重要的組成部分，它是系統接受用戶指令的直接途徑。鍵盤是由若干個按鍵開關組成，鍵的多少根據單片機應用系統的用途而定。鍵盤由許多鍵組成，每一個鍵相當于一個機械開關觸點，當鍵按下時，觸點閉合，當鍵松開時，觸點斷開。單片機接收到按鍵的觸點信號后作相應的功能處理。因此，相對于單片機系統來說鍵盤接口信號是輸入信號。 ZLG7289是周立功單片機公司設計的串行輸入輸出可編程鍵盤/顯示芯片，有強大的鍵盤顯示功能，支持64鍵控制，可以比較方便地擴展系統。另外ZLG7289內部有譯碼電路，大大簡化了程序。

34、因此，我們選擇功能更好的專用鍵盤顯示芯片ZLG7289作為鍵盤掃描顯示芯片。2.6.2 輸出顯示采用可以設置顯示單價，金額，中文，購物日期等的LCD，它具有低功耗、可視面大、畫面友好及抗干擾能力強等功能，其顯示技術已得到廣泛應用。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，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實的效果。雖然ZLG7289具有控制數碼管顯示的功能，但考慮到本題目要求中文顯示，數碼管無法滿足，只能考慮用帶有中文字

35、庫的液晶顯示器。由于可以分頁顯示，無需太大屏幕，我們選擇了點陣式12864型LCDOCM4x8C。2.7系統電源系統需要多種電源，單片機需要5V電源，A/D轉換器需要5V，+1V，傳感器需要10V以上的線性電源（不能用開關電源，否則稱重數據不穩(wěn)定）。穩(wěn)壓電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節(jié)范圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數、輸出電阻、溫度系數及紋波電壓等。方案一 采用三端固定穩(wěn)壓芯片7805和7812為系統提供穩(wěn)定的電源。這個部分由整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等組成。如下圖：圖2.10 +5V電源電路圖

36、在這里只給出了5V電源電路，+12V電源電路與+5V相似，因此不再畫出。78系列是輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器，輸出為正電壓，輸出電流可達1A。方案二 以LM317和LM337型號的芯片為核心來設計電源電路。選用初級220V、次級18V，功率為10W的變壓器兩只提供交流電源，經過整流穩(wěn)壓濾波后，再分別由LM317和LM337提供系統所需的直流穩(wěn)壓電源。LM317是一種外接很少元件就能工作的三端可調式集成穩(wěn)壓器，它的三個接線端分別稱為輸入端、輸出端和調整端。它的內部電路有比較放大器、偏置電路、恒流源電路和帶隙基準電路等，它的公共端改接到輸出端，器件本身無接地端。所以消耗的電流都從輸出端流出，內部

37、的基準電壓（約1.2V）接至比較放大器的同相端和調整端之間。若接上外部的調整電阻R1、R2后，輸出電壓為 = (2.9)LM317的VREF =1.2V, I adj =50A，由于調整端電流I adjI1, 故可以忽略，式（2.9）可簡化為 （2.10）圖2.11 LM317結構圖LM337穩(wěn)壓器是與LM317對應的負壓三端可調集成穩(wěn)壓器，它的工作原理和電路結構與LM317相似。LM系列的特性有：可調整輸出電壓低到 1.25V；保證 1.5A 輸出電流；典型線性調整率 0.01%；典型負載調整率 0.1%；80dB 紋波抑制比；輸出短路保護；過流、過熱保護；調整管安全工作區(qū)保護。系統的傳感器

38、部分，傳感器電源的設計直接影響系統的穩(wěn)定性和精確度。實踐證明，若橋電源采用一級穩(wěn)壓，穩(wěn)壓器采用78系列，稱重誤差為10%，屏幕顯示的稱重數據變化較大，各部分之間協調性較差。若采用二級穩(wěn)壓，穩(wěn)壓器采用78系列，稱重誤差為3%左右，各部分之間協調性較好。由此可見電橋電壓的重要性。經反復試驗發(fā)現，采用差動式電源可將電源的波動部分中和掉，大大提高電橋輸出精度及穩(wěn)定性。另外，系統要求擴大輸出電壓的調節(jié)范圍，故使用它很不方便。 所以，具體設計時考慮到運算放大器的放大能力與工作電壓的大小關系，以及電源芯片的自身優(yōu)勢等因素，最終選用了性價比比較高的LM317和LM337來設計電源電路，給系統提供正、負電壓，滿

39、足系統正常工作電源的要求。2.8 具體實施方案簡介根據以上設計方案，硬件部分采用51系列單片機AT89S52為控制核心部件，實現電子秤的基本控制功能。AT89S52是一款8位的內帶8K程序存儲器的微控制器，考慮到用軟件實現電子秤系統的各項功能時，所需的軟件量并不是很大，不需要太大的程序存儲空間，因此在對AT89S52實際設計時不需要在片外再擴展程序存儲器，這樣不僅節(jié)省了硬件資源，也優(yōu)化了電路的設計。在實際使用電子秤的稱重功能時考慮到涉及到大量的數據，而AT89S52片內的數據存儲空間有限，因此在片外擴展一片32K的數據存儲器，選用62256實現。系統的硬件部分不僅包括以單片機AT89S52為核

40、心的最小系統部分，而且還包括數據采集、人機接口界面、系統電源部分。數據采集部分由壓力傳感器、信號的濾波放大處理和A/D轉換部分組成。在具體選擇傳感器時，考慮到在稱量物品時必要的精度、準確性要求，所稱物品的重量誤差必須要控制在一定的范圍之內。另外由于秤臺的自身重量、振動和沖擊分量，以及還要避免物體超重時對傳感器的損壞，所以在選擇傳感器時要保證有一定的承重裕量，所選的傳感器量程應該比系統設計要求的要大。一般選擇為實際要求量程的兩倍，且需要滿足精度要求，滿量程時候的誤差不能大于規(guī)定量。由于傳感器的輸出信號中含有一定的干擾噪聲，所以必須要對傳感器的輸出信號進行濾波，在濾波電路的設計時利用普通小電容濾除

41、高頻干擾，利用大的電解電容濾除低頻干擾。由于在選用的放大器中內帶濾波電路環(huán)節(jié)，所以利用電容濾波可以根據實際情況進行取舍。傳感器輸出的電信號比較微弱，一般為毫伏級，必須采用適當的電路進行信號放大處理，這樣才能保證整個系統的精度和穩(wěn)定性能。這時需要共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度好，而且外部接口簡單的專用儀表放大器AD620。在選擇A/D轉換器時根據系統精度的要求，選擇了具有很強抗干擾能力的雙積分型A/D轉換器ICL7135，雖然轉換速度慢，但精度高，輸入阻抗高，可自動調零，具有超量程信號，全部輸出的TTL電平信號兼容。作為電子秤，系統對A/D轉換的速度要求不高，而且ICL7135的轉換

42、精度足以滿足系統的誤差要求。人機交互部分的鍵盤在系統中，可以輸入數字和已經固定的控制命令等。在這次設計中我們采用了廣州周立功單片機公司生產的專用鍵盤控制芯片ZLG7289，并且擴展了其中的64個鍵盤供系統使用。顯示用的LCD我們根據要求選用了字符點陣式液晶顯示器OCM4x8C，可以一次滿屏幕顯示4行8列的32個中文字符或4行16列的英文字符，滿足電子秤在稱物時的購物清單顯示要求。系統硬件的結構框圖如下所示：稱重傳感器 L-PSIII濾波電路放大器 AD620A/D轉換器 ICL7135AT89S52單片機片外數據存儲器62256（32K）鍵盤控制芯片ZZLG728964鍵鍵盤帶有中文字庫的點陣

43、式128x64型的LCDOOCM4X8C數據采集部分人機交互界面單片機控制模塊 。部分，不包括系統電源部分圖2.12 系統硬件結構框圖 第三章 系統硬件設計根據設計要求以及系統所需要實現的功能，在設計系統時可以分成以下幾個部分：單片機控制模塊，前端信號采集、處理、轉換模塊，人機接口界面以及系統電源部分（為實現系統超量程與欠量程的報警功能，還擴展了報警電路）。3.1 基于AT89S52的主控電路3.1.1芯片介紹1、芯片AT89S52 AT89S52單片機是ATMEL公司新近推出的高檔型AT89S系列單片機中的增強型產品。ATMEL公司是美國20世紀80年代中期成立并發(fā)展起來的半導體公司。該公司

44、的技術優(yōu)勢在于推出Flash存儲器技術和高質量、高可靠性的生產技術，它率先將獨特的Flash存儲技術注入于單片機產品中。其推出的AT89系列單片機，在世界電子技術行業(yè)中引起了極大的反響，在國內也受到廣大用戶歡迎。AT89S52是一個低功耗,高性能CMOS 8位單片機，片內含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構。芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S52可為

45、許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。 AT89S52具有如下特點：40個引腳，8k Bytes Flash片內程序存儲器，256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。此外，AT89S52設計和配置了振蕩頻率可為0Hz，并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器、串行口、外中斷系統可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP

46、、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。主要功能特性見下表： 表3.1 AT89S52功能 兼容MCS-51指令系統 8k可反復擦寫(1000次）ISP Flash ROM 32個雙向I/O口 4.5-5.5V工作電壓 3個16位可編程定時/計數器 時鐘頻率0-33MHz 全雙工UART串行中斷口線 256x8bit內部RAM 2個外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3級加密位 看門狗（WDT）電路 軟件設置空閑和省電功能 靈活的ISP字節(jié)和分頁編程 雙數據寄存器指針引腳封裝如下圖所示：圖3.1 AT89S52的引腳圖引腳功能說明：VCC/GND： 電源/接地

47、引腳；Port 0：P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口，端口置1(對端口寫1)時作高阻抗輸入端；P0還可以用作總線方式下的地址數據復用管腳，用來操作外部存儲器。在這種工作模式下，P0口具有內部上拉作用。對內部Flash程序存儲器編程時，接收指令字節(jié)、校驗程序、輸出指令字節(jié)時，要求外接上拉電阻；Port 1：P1是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/0端口，輸出時可驅動4個TTL。端口置1時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用； 另外，P1.0、P1.1可以分別被用作定時器/計數器2的外部計數輸入(P1.0/T2)和觸發(fā)輸入(P1.1/T2EX)；對內部Flash程序存儲器編程時，接收低8

48、位地址信息；Port 2： P2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/0端口；輸出時可驅動4個TTL。端口置1時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用； P2口在存取外部存儲器時，可作為高位地址輸出；內部Flash程序存儲器編程時，接收高8位地址和控制信息； Port 3： P3是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/0端口，輸出時可驅動4個TTL。端口置1時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。 P3引腳功能復用見下表： 表3.2 P3引腳功能復用P3.0 串行通訊輸入(RXD) P3.1串行通訊輸出(TXD) P3.2外部中斷0( INT0) P3.3外部中斷1(INT1) P3.4 定時

49、器0輸入(T0) P3.5定時器1輸入(T1)P3.6 外部數據存儲器寫選通WR P3.7外部數據存儲器寫選通RD RST：在振蕩器運行時，有兩個機器周期(24個振蕩周期)以上的高電平出現在此管腳時，將使單片機復位。只要這個管腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復位。復位后P0P3口均置1，管腳表現為高電平，程序計數器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當復位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為ROM的00H處開始運行程序；XTAL1、XTAL2 ：XTAL1是片內振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈

50、沖二分頻，如晶振為12MHz，時鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz至24MHz內選擇，電容取30PF左右。ALE/PROG：訪問外部存儲器時，ALE(地址鎖存允許)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(此頻率是振蕩器頻率的1/6)，在訪問外部數據存儲器時，出現一個ALE脈沖； PSEN：該引腳是外部程序存儲器的選通信號輸出端。當AT89S52由外部程序存儲器取指令或常數時，每個機器周期輸出2個脈沖，即兩次有效。但訪問外部數據存儲器時，將不會有脈沖輸出；EA/Vpp：外部訪問允許端。當該引腳訪問外部程序存儲器時，應輸入低電平。要使AT8

51、9S52只訪問外部程序存儲器(地址為0000H-FFFFH)， 這時該引腳必須保持低電平； 2、芯片74LS373鎖存器是具有保存功能的芯片，常用于通過一些引線傳送信號時，保存（記憶）這些引線上在時鐘作用前一時刻出現的地址信息，這種保存地址信息的鎖存器稱為地址鎖存器。74LS373是典型的鎖存器芯片，它是三態(tài)輸出的八位鎖存器。芯片內含八個D型觸發(fā)器，其集成電路引腳如下圖：圖3.2 74LS373的引腳圖表3.3 74LS373功能表輸出控制 時鐘端CP數據輸入D三態(tài)輸出 0111010000 1高阻態(tài)當時鐘端CP=1（高電平）時，Q 端輸出將隨數據輸入D而變。當CP=0（低電平）時，D觸發(fā)器輸

52、出將鎖存已建立的電平。當輸出控制端E=0（低電平）時，將使八個輸出處于正常工作狀態(tài)（高電平或低電平輸出）。當E=1（高電平）時，將使鎖存器輸出處于高阻狀態(tài)，從而不多總線加載，即不會影響總線上的數據。輸出控制端不影響觸發(fā)器的內部鎖存功能，即已有的鎖存數據仍然保留，甚至當輸出被關閉，新的數據也可被置入。3、 芯片62256隨機存取存儲器簡稱RAM(Random Access Memory)。使用RAM時既能從任一指定地址讀?。ㄈ〕觯祿材軐懭耄ù嫒耄祿?，所以又叫讀寫存儲器。它讀、寫方便，但一旦斷電，所存儲的數據也隨即丟失，因此不利于數據的長期保存。數據存儲器用于存儲數據采集系統采集的原始數據

53、、運算結果等，所以外部數據存儲器能隨機讀/寫。62256的引腳符號功能如下：表3.4 62256功能表引腳符號功能A0A14地址輸入線D0D7雙向三態(tài)數據線片選信號輸入線，低電平有效讀選通信號輸入線寫選通信號輸入線工作電源+5VGND線路接地3.1.2 主控電路 P1口和P2.0P2.6口作為地址總線，其中P1口作為低地址線和數據總線復用，P2.0P2.6口做高地址線。P2.7作為62256的片選控制總線，ALE接鎖存器74LS373的使能端。P3.6和P3.7作為外部數據存儲器寫/讀選通信號輸出端分別接62256的/WE和/OE端。主控電路圖如下： 圖3.3 主控電路圖3.2 基于ICL71

54、35的前端信號處理電路3.2.1 芯片介紹1、L-PSIII型稱重傳感器L-PS型鋁制稱重傳感器為雙孔懸臂梁形式，是電子計價秤的專用產品，也可用于制造由單只傳感器構成的電子案秤，臺秤及專用衡器等。主要技術指標參考下表：表3.5 L-PSIII型稱重傳感器電氣特性準確度等級C3 0.02 0.03額定載荷kg3、6、10、20、30、50靈敏度mV/V1.80.08非線性%F.S.0.02滯后0.02重復性0.02蠕變%F.S./30min0.02蠕變恢復零點輸出%F.S.1零點溫度系數%F.S./100.02額定輸出溫度系數輸入電阻415445輸出電阻349355絕緣電阻M5000供橋電壓V1

55、2（DC/AC）溫度補償范圍-10+50允許溫度范圍-20+60允許過負荷%F.S120極限過負荷%F.S200四角誤差%F.S0.03連接電纜mm3.8300接線方式輸入（+）: 紅 輸入（-）:白 輸出（+）:綠 輸出Output（-）:藍 屏蔽 : 黃而我們在具體實現采集的模擬量時，出于經濟方面的考慮并沒有在系統中采用L-PSIII型傳感器，而是直接從系統的電源電路中引出一個毫伏級的電壓作為待采樣的模擬量。2、 AD620放大器AD620 是一種低耗高精度儀表放大器。僅需一個外接電阻即可得到11000范圍內的任意增益；2.3V18V的電源電壓；低功耗，最大電源電流1.3mA ，最大輸入失

56、調電壓125uV，最大溫度漂移1uV/，最大輸入偏移電流20nA；最小共模抑制比93dB（增益=10）；輸入電壓噪聲9nV（1KHz）；0.28uV噪聲 （0.1Hz10Hz）；帶寬120KHz（增益=100）；建立時間15us（0.01%）。AD620的增益是用電阻Rg來決定的，即用引腳1和8之間的阻抗來決定的。使用0.1%1%的電阻，AD620就能提供精確的增益。對G（增益）=1，Rg引腳不連接（即Rg為無窮大）。其他的任何增益可按： （3.1）計算。3、 ICL7135ICL7135是一種雙積分式4位半單片A/D轉換器，其工作原理是將輸入電壓轉換成時間（脈沖寬度信號）或頻率（俯沖頻率），

57、再通過定時器（計數器）獲得數字信號。其內部結構分為模擬部分和數字部分。其中模擬部分受邏輯電路控制，通過12個模擬開關以導通和截止狀態(tài)將一個轉換周期分為4段：自校零段、被測電壓積分采樣段、參考電壓回積段和積分器加零段。芯片引腳封裝如下圖所示：圖3.4 ICL7135引腳圖其引腳功能如下：1腳（）： 電源端；2腳（）：基準電壓輸入端；3腳（）：模擬地；4腳（）： 積分器輸入端，接積分電容；5腳（）： 積分器和比較器反相輸入端，接自零電容；6腳（）： 緩沖器輸出端，接積分電阻；7腳（）：基準電容正端；8腳（）：基準電容負端；9腳（）： 被測信號負輸入端；10腳（）： 被測信號正輸入端；11腳（）：

58、電源端；12、1720腳（）： 位掃描輸出端；1316腳（）： 碼輸出端；21腳（）： 忙狀態(tài)輸出端；22腳（）： 時鐘信號輸入端；23腳（）： 負極性信號輸出端；24腳（）： 數字地端；25腳（）： 運行讀數控制端；26腳（）： 數據選通輸出端；27腳（）： 超量程狀態(tài)輸出端；28腳（）： 欠量程狀態(tài)輸出端。ICL7135的主要性能特點為：1、輸入阻抗可達到1000M；2、自動校零；3、有精確的差分輸入；4、自動判別信號極性；5、有超量程、欠量程輸出信號；6、采用位掃描與碼輸出；7、輸出全部與TTL兼容。ICL7135的電參數：表3.6 電參數參數電源電壓時鐘頻率基準電容校零電容參數值5V2

59、V401M 11ICL7135外圍電路的參數選擇與整定由于ICL 7135內部沒有振蕩器，所以需要外接。但A/D轉換器精度與時鐘頻率的漂移無關。正向積分時間T1和反向積分時間T2按相同比例增加并不影響測量的結果。ICL7135的時鐘頻率典型值為200kHz最高允許為1200kHz，時鐘頻率越高，轉換速度越快。每輸出一位BCD碼的時間為200個時鐘周期，選通脈沖位于數據脈沖的中部，如果時鐘頻率太高，則數據的接受程序還沒有接受完畢，數據就已經消失了?？紤]到此系統頻率要求不是太高，因此我們取時鐘頻率值500kHz。對于這個時鐘頻率，本設計采用阻容方式實現基本的振蕩電路得到。因為ICL7135芯片內部的基準源一般容易受到溫度的影響，而基準