畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于AT89S52單片機(jī)的電子稱的設(shè)計(jì)與制作.doc

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1、中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院（論文）摘 要該設(shè)計(jì)以51系列單片機(jī)AT89S52為控制核心，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，為了更好地采用模塊化設(shè)計(jì)法，分步的設(shè)計(jì)各個(gè)單元功能模塊，系統(tǒng)的硬件部分可以分為最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互界面和系統(tǒng)電源四大部分。最小系統(tǒng)部分主要包括AT89S52和擴(kuò)展的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號(hào)的前級(jí)處理和A/D轉(zhuǎn)換部分組成，包括運(yùn)算放大器AD620和A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135；人機(jī)交互界面為鍵盤輸入和點(diǎn)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(shù)據(jù)和直觀的顯示中文。系統(tǒng)電源以LM317和LM337為核心

2、設(shè)計(jì)電路以提供系統(tǒng)正常工作電源。軟件部分應(yīng)用單片機(jī)C語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計(jì)的全部控制功能。該電子秤可以實(shí)現(xiàn)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(gòu)物清單的功能，可以設(shè)置日期和設(shè)定十種商品的單價(jià)， 還具有超量程和欠量程的報(bào)警功能。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，功能齊全，精度高，具有一定的開發(fā)價(jià)值。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；采樣電路；A/D轉(zhuǎn)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(xiàn)狀21.3.1 影響因素2 1.3.2產(chǎn)品質(zhì)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(jié)構(gòu)4第二

3、章 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)52.1 電子秤的設(shè)計(jì)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(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)基本思路52.2.1 系統(tǒng)工作原理52.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本思路62.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案比較與論證62.4 單片機(jī)的選型82.5 數(shù)據(jù)采集部分的方案確定92.5.1 傳感器92.5.2 前級(jí)放大器部分122.5.3 A/D轉(zhuǎn)換器152.6 人機(jī)交互部分172.6.1 鍵盤輸入172.6.2 輸出顯示172.7 系統(tǒng)電源182.8 具體實(shí)施方案簡(jiǎn)介20第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(hào)處理電路273.2.1 芯片介紹273.2.2 信號(hào)處理電路303.3 人機(jī)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(tǒng)電源373.4.1 芯片介紹373.4.2 電源電路383.5 報(bào)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(jié)論44致謝46參考文獻(xiàn)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(xué)院信息商務(wù)學(xué)院第一章 緒 論1.1 引言質(zhì)量是測(cè)量領(lǐng)域中的一個(gè)重要參數(shù)，稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視。公元前，人們?yōu)榱藢?duì)貨物交換量進(jìn)行估計(jì)，起初采

5、用木材或陶土制作的容器對(duì)交換貨物進(jìn)行計(jì)量。以后，又采用簡(jiǎn)單的秤來測(cè)定質(zhì)量。據(jù)考證，世界上最古老的計(jì)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(jì)量設(shè)備，電子秤取代機(jī)械秤是科學(xué)技術(shù)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(chǎng)前景。21世紀(jì)，電子產(chǎn)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(chǎng)電子秤能夠完成許多工作，為人們節(jié)省了時(shí)間，提高了工作效率。在超市里的一臺(tái)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(yù)存了超市里商品的單價(jià)，當(dāng)稱出商品的重量后，電子秤馬上就能算出價(jià)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(gòu)物的時(shí)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(shè)計(jì)就是為了制作這樣一種電子秤，它以單片機(jī)為核心在實(shí)際使用時(shí)達(dá)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(gòu)物清單等。本設(shè)計(jì)的控制功能包括基本的稱重功能，顯示購(gòu)物清單功能，設(shè)置日期和重新設(shè)定10種商品的單價(jià)功能，還具有超重與欠量程報(bào)警功能。由于系統(tǒng)資源豐富，還可以方便的拓展其應(yīng)用。 我相信通過這次對(duì)電子秤控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，一定能夠?qū)W到豐富的知識(shí)并對(duì)電

7、子產(chǎn)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(yīng)用于超市、大中型商場(chǎng)、物流配送中心。電子秤在結(jié)構(gòu)和原理上取代了以杠桿平衡為原理的傳統(tǒng)機(jī)械式稱量工具。相比傳統(tǒng)的機(jī)械式稱量工具，電子秤具有稱量精度高、裝機(jī)體積小、應(yīng)用范圍廣、易于操作使用等優(yōu)點(diǎn)，在外形布局、工作原理、結(jié)構(gòu)和材料上都是全新的計(jì)量衡器。電子秤的設(shè)計(jì)首先是通過壓力傳感器采集到被測(cè)物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。輸出電壓信號(hào)通常很小，需要通過前端信號(hào)處理電路進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大。放大后的模擬電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量被送入到主控電路的單片機(jī)中，再經(jīng)過單片機(jī)控制譯碼顯示器，從而顯示出被測(cè)物體的重

8、量。 目前市場(chǎng)上使用的稱量工具，或者是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或者運(yùn)行不可靠，且成本高，精度穩(wěn)定性不好，調(diào)正時(shí)間長(zhǎng)，易損件多，維修困難，裝機(jī)容量大，能源消耗大，生產(chǎn)成本高。而且目前市場(chǎng)上電子秤產(chǎn)品的整體水平不高，部分小型企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量差且技術(shù)力量薄弱，設(shè)備不全，缺乏產(chǎn)品的開發(fā)能力，產(chǎn)品質(zhì)量在低水平徘徊。因此，有針對(duì)性地開發(fā)出一套有實(shí)用價(jià)值的電子秤系統(tǒng)，從技術(shù)上克服上述諸多缺點(diǎn)，改善電子秤系統(tǒng)在應(yīng)用中的不足之處，具有現(xiàn)實(shí)意義。1.3 研究現(xiàn)狀1.3.1 影響因素隨著科技的進(jìn)步, 對(duì)電子秤的要求也越來越高。影響其精度的因素主要有: 機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器和數(shù)顯儀表。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，因材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的限制, 會(huì)使力的

9、傳遞出現(xiàn)誤差，而傳感器輸出特性存在非線性, 加上信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)存在的非線性，使得整個(gè)系統(tǒng)的非線性誤差變得不容忽視。因此，在高精度的稱重場(chǎng)合，迫切需要電子秤能在線自動(dòng)校正系統(tǒng)的非線性。此外，為了保證準(zhǔn)確、穩(wěn)定地顯示, 儀器內(nèi)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(zhuǎn)換位數(shù)，而采用高精度的ADC，自然增加了系統(tǒng)的成本。1.3.2 產(chǎn)品質(zhì)量目前市場(chǎng)上主流的電子秤根據(jù)使用功能的不同包括以下幾個(gè)類型：電子天平、電子計(jì)數(shù)秤、電子計(jì)價(jià)秤、電子臺(tái)秤、電子吊鉤秤、定量包裝秤以及條形碼電子秤等。面對(duì)種類如此繁多的電子秤，目前市場(chǎng)上存在許

10、多不合格的電子秤產(chǎn)品。不合格問題主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面： 1、溫度試驗(yàn)項(xiàng)目不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；2、濕熱試驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求； 3、抗電脈沖串試驗(yàn)和抗靜電放電試驗(yàn)項(xiàng)目不合格。造成產(chǎn)品不合格的原因主要有以下幾個(gè)方面： 1、 稱重傳感器的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，制約了電子秤產(chǎn)品整體質(zhì)量的提高；2、關(guān)鍵元器件未進(jìn)行篩選和通電老化，造成電子計(jì)價(jià)秤質(zhì)量失控； 3、部分產(chǎn)品設(shè)計(jì)上抗干擾能力不強(qiáng)；4、產(chǎn)品檢驗(yàn)把關(guān)不嚴(yán)。面對(duì)目前市場(chǎng)上電子秤產(chǎn)品的總體質(zhì)量不高的局面，除了加強(qiáng)對(duì)電子秤產(chǎn)品的日常監(jiān)督管理之外，還要從根本上推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)電子秤產(chǎn)品質(zhì)量的提高，更好地保護(hù)消費(fèi)者的合法權(quán)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(jù)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(jì)算機(jī)信息補(bǔ)償處理裝置，可以進(jìn)行自診斷、自校正和多種補(bǔ)償計(jì)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(dòng)態(tài)稱量模式, 即通過進(jìn)行算術(shù)平均、積分處理和自動(dòng)調(diào)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(jì)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(shù)的發(fā)展定將日新月異。同時(shí), 功能更加齊全的高精度的先進(jìn)電子秤將會(huì)不斷問世, 其應(yīng)用范圍也會(huì)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(shù)來實(shí)現(xiàn)的。由于目前在設(shè)計(jì)電子秤系統(tǒng)時(shí)大量地采用集成芯片，因此電子秤系統(tǒng)已經(jīng)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(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，比如與上位機(jī)的通訊，在上位機(jī)上利用圖形化界面的操作軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理等。電子秤由于自身的精度高、功能強(qiáng)和使用方便，實(shí)際使用的電子秤有較高的性價(jià)比，在很多領(lǐng)域完全可以取代那些機(jī)械式的稱重工具。在具體開發(fā)電子秤的系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該根據(jù)用戶的客觀需要，再結(jié)合系統(tǒng)硬件和軟件，從而可以開發(fā)出一套實(shí)際使用價(jià)值極大的電子秤系統(tǒng)。目前，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器應(yīng)用技術(shù)的日趨成熟，必將推進(jìn)基于微處理器為核心的電子秤系統(tǒng)功能的日

13、趨完善，因此多元化智能電子秤具有廣泛的應(yīng)用前景和開發(fā)價(jià)值！1.4 本文的結(jié)構(gòu) 本文以電子秤的研發(fā)作為應(yīng)用背景，對(duì)傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)及其接口等技術(shù)進(jìn)行了分析。全文共分為六章，各章的主要內(nèi)容如下：第一章扼要地介紹了電子秤的概念、特點(diǎn)與相關(guān)研究背景； 第二章論證了系統(tǒng)方案，包括對(duì)原理的闡述，各種優(yōu)缺點(diǎn)的比較，屬于理論分析部分； 第三章通過對(duì)各種芯片的介紹以及對(duì)電路功能的分析，對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行了描述，給出了單片機(jī)的的控制方案；第四章簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)軟件流程；第五章對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)做了總結(jié)，歸納了存在的問題和進(jìn)一步研究的方向。第二章 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)電子秤的應(yīng)用系統(tǒng)是由硬件和軟件所組成。硬件指單片機(jī)、擴(kuò)展的存

14、儲(chǔ)器、擴(kuò)展的輸入輸出設(shè)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(xié)調(diào)一致，才能提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比。從一開始設(shè)計(jì)硬件時(shí)，就應(yīng)考慮相應(yīng)軟件的設(shè)計(jì)方法，而軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)硬件原理和系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行的。2.1 電子秤的設(shè)計(jì)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(gòu)物清單等。2.1.2 特色與創(chuàng)新1、使用單片機(jī)為控制核心，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的組成構(gòu)造，且單片機(jī)可拓展性強(qiáng)，可以很方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行拓展和應(yīng)用。2、使用鍵盤輸入數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)單，方便。3、中文液晶顯示所稱量的物品重量，同時(shí)還可顯示物品的

15、名稱，數(shù)量，單價(jià)，金額和所有物品的總金額。4、具有去皮功能和金額累加計(jì)算功能。5、當(dāng)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(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換的最小精度，即欠量程的時(shí)候，具有超重報(bào)警功能。 2.2 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)基本思路2.2.1 系統(tǒng)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(cè)物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。輸出電壓信號(hào)通常很小，需要通過前端信號(hào)處理電路進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大。放大后的模擬電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量被送入到主控電路的單片機(jī)中，再經(jīng)過單片機(jī)控制譯碼顯示器，從而顯示出被測(cè)物體的重量。在實(shí)際應(yīng)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

16、傳感器與A/D芯片之間加上信號(hào)調(diào)整電路。2.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本思路按照設(shè)計(jì)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(jī)交互界面模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊由壓力傳感器、信號(hào)的前級(jí)處理和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送給控制器處理，由控制器完成對(duì)該數(shù)字量的處理，驅(qū)動(dòng)顯示模塊完成人機(jī)間的信息交換。此部分對(duì)軟件的設(shè)計(jì)要求比較高，系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件來控制。在擴(kuò)展功能上，本設(shè)計(jì)增加了一個(gè)過載、欠量程報(bào)警提示。2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案比較與論證具體方案前端信號(hào)處理時(shí)，選用放大、A/D轉(zhuǎn)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(qiáng)了人機(jī)交換的能

17、力，而且滿足設(shè)計(jì)要求，可以顯示購(gòu)物清單、所稱量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示： 圖2.3 LCD顯示的方案目前單片機(jī)技術(shù)比較成熟，功能也比較強(qiáng)大，被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后送入單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系譯碼顯示出被測(cè)物體的重量。由于系統(tǒng)需要的按鍵較多，因此要加一個(gè)鍵盤顯示管理芯片（ZLG7289）。單片機(jī)控制適合于功能比較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng),而且其具有成本低,功耗低,體積小算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng),技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是外圍電路比較復(fù)雜,編程復(fù)雜。使用這種方案會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來一定的難度。圖2.4 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方案原理框圖2.4 單片機(jī)的選型選擇單片機(jī)型號(hào)的出發(fā)點(diǎn)有以下幾個(gè)方

18、面：1、 市場(chǎng)貨源系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只能在市場(chǎng)上能夠提供的單片機(jī)中選擇，特別是作為產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)，所選的單片機(jī)型號(hào)必須有穩(wěn)定、充足的貨源。2、 單片機(jī)性能應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和各種單片機(jī)的性能，選擇最容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的型號(hào)，而且能達(dá)到較高的性能價(jià)格比。單片機(jī)性能包括片內(nèi)硬件資源、運(yùn)行速度、可靠性、指令系統(tǒng)功能、體積和封裝形式等方面。影響性能價(jià)格比的因素除單片機(jī)的性能價(jià)格外，還包括硬件和軟件設(shè)計(jì)的容易程度、相應(yīng)的工作量大小，以及開發(fā)工具的性能價(jià)格比。3、 研制周期在研制任務(wù)重、時(shí)間緊的情況下，還要考慮所選的單片機(jī)型號(hào)是否熟悉，是否能馬上著手進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與研制周期有關(guān)的另一個(gè)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(tǒng)地研制進(jìn)程。AT89S系列單片機(jī)是繼AT89C系列之后推出的功能更強(qiáng)的新產(chǎn)品。AT89S系列與AT89C系列相比，運(yùn)算速度有了較大的提高，它的靜態(tài)工作頻率為033MHz，片內(nèi)集成有雙數(shù)據(jù)指針DPTR、定時(shí)監(jiān)視器(watchdog timer，又稱看門狗)、低功耗休閑狀態(tài)及關(guān)電方式、關(guān)電方式下的中斷恢復(fù)等諸多功能，極大地滿足了各種不同的應(yīng)用要求。AT89S52單片機(jī)是AT89S系列中的增強(qiáng)型高檔機(jī)產(chǎn)品，它片內(nèi)存儲(chǔ)器容量是AT89S51的一倍，即片內(nèi)8KB的Flash程序存儲(chǔ)器和256B的RAM。另外，它還增加了一個(gè)功能極強(qiáng)的、具有獨(dú)特應(yīng)用的16位定時(shí)計(jì)數(shù)器2等

20、多種功能。在工程應(yīng)用中AT89S52有一顯著的優(yōu)勢(shì)：不需要燒寫器，只借助PC 機(jī)的并口輸出和極為簡(jiǎn)單的下載電路，便可將程序通過串行方式寫入單片機(jī)。并且下載電路可設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，可以隨時(shí)修改單片機(jī)的軟件而不對(duì)硬件做任何改動(dòng)。 由此，通過對(duì)目前主流型號(hào)的比較，我們最終選擇了AT89S52通用的普通單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(shí)鐘0 Hz 到33 MHz，三級(jí)程序加密，32個(gè)可編程I/O口，2/3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，6/8個(gè)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(shí)器，雙數(shù)據(jù)指針，上電復(fù)位標(biāo)志。我們?cè)谕饷鏀U(kuò)展了32K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以滿足系統(tǒng)要求。2.5 數(shù)據(jù)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(cè)量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換部分指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵隽哭D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分?，F(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代，在信息時(shí)代人們的社會(huì)活動(dòng)將主要依靠對(duì)信息資源的開發(fā)和獲取、傳輸和處理，而傳感器處于自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測(cè)信息的窗口；傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，一切科

22、學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號(hào)。因此，傳感器的地位與作用特別重要。 我選擇電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片即可單獨(dú)作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為R/R后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小，難以直接精確測(cè)量，且不便處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常

23、用測(cè)量電橋。直流電橋的特點(diǎn)是信號(hào)不會(huì)受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號(hào)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(jié)構(gòu)原理圖當(dāng)電橋輸出端接無窮大負(fù)載電阻時(shí)，可視輸出端為開路，此時(shí)直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時(shí)，由分壓原理有： = （2.2）當(dāng)滿足條件R1R3=R2R4時(shí)，即（2.3）=0，即電橋平衡。式（2.3）稱平衡條件。應(yīng)變片測(cè)量電橋在測(cè)量前使電橋平衡，從而使測(cè)量時(shí)電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。若差動(dòng)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(yīng)變片式傳感器有如下特點(diǎn)：（1）應(yīng)用和測(cè)量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感器。（2）分辨力和靈敏度高，精度較高。（3）結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)試件影響小， 對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。（4）商品化，使用方便，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測(cè)量。 通過以上對(duì)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(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p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(shí)誤差0.002Kg，完全滿足本系統(tǒng)的精度要求。2.5.2 前級(jí)放大器部分經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號(hào)一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號(hào)亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為此，測(cè)量電路中常設(shè)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(yùn)算放大器的基本元件構(gòu)成具有各種特性的放大器來完成。放大器的輸入信號(hào)一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號(hào)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(duì)放大器有如下一些要求：1、輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)使所測(cè)電壓造成偏差。2、抗共模電壓干擾能力強(qiáng)。3、在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)

26、定準(zhǔn)確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)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(yīng)特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調(diào)整、方便準(zhǔn)確的量程切換、極性自動(dòng)變換等。我們采用專用儀表放大器，如：AD620，INA126等。此類芯片內(nèi)部采用差動(dòng)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(jiǎn)單。 以AD620為例，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2.8 AD620的內(nèi)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(fù)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(shè)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(diào)整一個(gè)電阻Rg，就能方便的調(diào)整放大器的增益。由于整個(gè)電路對(duì)稱，調(diào)整時(shí)不會(huì)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(jì)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(diǎn)。其最大輸入偏置電流為20nA，這一參數(shù)反映了它的高輸入阻抗。AD620在外接電阻Rg時(shí)，可實(shí)現(xiàn)11000范圍內(nèi)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(diào)電壓為125V；頻帶寬度為120kHz（在G=100時(shí)）。基于以上分析，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(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器選用的原則：1、A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。A/D 轉(zhuǎn)換器決定分辨率的高低。在系統(tǒng)中，A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)比系統(tǒng)允許引用誤差高一倍以上。2、A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。不同類型的A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率大不相同。積分型的轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾豪秒到幾十毫秒，只能構(gòu)成低速A/D 轉(zhuǎn)換器，一般用于壓力、溫度及流量等緩慢變化的參數(shù)測(cè)試。逐次逼近型屬于中速A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為納秒級(jí)，用于個(gè)通道過程控制和聲頻

29、數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。3、是否加采樣/保持器。4、A/D 轉(zhuǎn)換器的有關(guān)量程引腳。有的A/D 轉(zhuǎn)換器提供兩個(gè)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(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束。一般A/D 轉(zhuǎn)換器可由外部控制信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，這一啟動(dòng)信號(hào)可由CPU提供。轉(zhuǎn)換結(jié)束后A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)觸發(fā)器置位，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志電平。通知微處理器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。6、A/D 轉(zhuǎn)換器的晶閘管現(xiàn)象。其現(xiàn)象是在正常使用時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換器芯片電流驟增，時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)燒壞芯片。為防止這種現(xiàn)象，可采取如下措施：（1）加強(qiáng)抗干擾措施，盡量避免較大的干擾電流進(jìn)入電路；（2）加強(qiáng)電源穩(wěn)壓濾波措施， 在A/D 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的電源端接一限流電阻，可在出現(xiàn)晶閘管現(xiàn)象時(shí)，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(zhuǎn)換器除考慮上述要點(diǎn)外，為防止對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)的影響，還要注意以下幾個(gè)問題：（1）工作電源電壓是否穩(wěn)定；（2）外接時(shí)鐘信號(hào)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(qiáng)的電磁干擾；（6）印刷線路板布線是否合理。由上面對(duì)傳感器量程和精度的分析可知：A/D轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)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(zhuǎn)換器無法滿足系統(tǒng)精度要求。所以我們需要選擇14位或者精度更高的A/D轉(zhuǎn)換器。我們選擇雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ICL7135、ICL7109等。雙積分型ADC是間接型A/D轉(zhuǎn)換器，其基本原理是首先對(duì)未知的輸入電壓進(jìn)行固定時(shí)間的積分，然后轉(zhuǎn)向?qū)?biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行反相積分至積分輸出電壓為零（返回起始值）， 則標(biāo)準(zhǔn)電壓積分的時(shí)間正比與輸入電壓。輸入電壓越大，反向積分時(shí)間越長(zhǎng)。用高頻率時(shí)鐘脈沖來測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電壓積分時(shí)間，即可得到輸入電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字代碼。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雖然速度較慢，但轉(zhuǎn)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(dòng)調(diào)零，具有超量程信號(hào)，全部輸出與TTL電平兼容。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)正負(fù)對(duì)稱的工頻干擾信號(hào)積分為零，所以對(duì)50HZ的工頻干擾抑制能力特強(qiáng)，對(duì)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(duì)輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對(duì)本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號(hào)，很容易受到工頻信號(hào)的影響。故而采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對(duì)濾波電路的要求。作為電子秤，系統(tǒng)對(duì)AD的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器較強(qiáng)的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價(jià)格。綜合的分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們最終選擇了精度為10

33、Kg/ 20000= 0.5g的ICL7135。2.6人機(jī)交互部分2.6.1 鍵盤輸入鍵盤輸入是人機(jī)交互界面中重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。鍵盤是由若干個(gè)按鍵開關(guān)組成，鍵的多少根據(jù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的用途而定。鍵盤由許多鍵組成，每一個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)，當(dāng)鍵按下時(shí)，觸點(diǎn)閉合，當(dāng)鍵松開時(shí)，觸點(diǎn)斷開。單片機(jī)接收到按鍵的觸點(diǎn)信號(hào)后作相應(yīng)的功能處理。因此，相對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)來說鍵盤接口信號(hào)是輸入信號(hào)。 ZLG7289是周立功單片機(jī)公司設(shè)計(jì)的串行輸入輸出可編程鍵盤/顯示芯片，有強(qiáng)大的鍵盤顯示功能，支持64鍵控制，可以比較方便地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)。另外ZLG7289內(nèi)部有譯碼電路，大大簡(jiǎn)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(shè)置顯示單價(jià)，金額，中文，購(gòu)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(qiáng)等功能，其顯示技術(shù)已得到廣泛應(yīng)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(nèi)，既具有液體的流動(dòng)性，又具有晶體的某些光學(xué)特性，其透明度和顏色隨電場(chǎng)、磁場(chǎng)、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(shí)的效果。雖然ZLG7289具有控制數(shù)碼管顯示的功能，但考慮到本題目要求中文顯示，數(shù)碼管無法滿足，只能考慮用帶有中文字

35、庫(kù)的液晶顯示器。由于可以分頁(yè)顯示，無需太大屏幕，我們選擇了點(diǎn)陣式12864型LCDOCM4x8C。2.7系統(tǒng)電源系統(tǒng)需要多種電源，單片機(jī)需要5V電源，A/D轉(zhuǎn)換器需要5V，+1V，傳感器需要10V以上的線性電源（不能用開關(guān)電源，否則稱重?cái)?shù)據(jù)不穩(wěn)定）。穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)、輸出電阻、溫度系數(shù)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(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。這個(gè)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(dá)1A。方案二 以LM317和LM337型號(hào)的芯片為核心來設(shè)計(jì)電源電路。選用初級(jí)220V、次級(jí)18V，功率為10W的變壓器兩只提供交流電源，經(jīng)過整流穩(wěn)壓濾波后，再分別由LM317和LM337提供系統(tǒng)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(diào)式集成穩(wěn)壓器，它的三個(gè)接線端分別稱為輸入端、輸出端和調(diào)整端。它的內(nèi)部電路有比較放大器、偏置電路、恒流源電路和帶隙基準(zhǔn)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(nèi)部

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

38、部分，傳感器電源的設(shè)計(jì)直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度。實(shí)踐證明，若橋電源采用一級(jí)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?cái)?shù)據(jù)變化較大，各部分之間協(xié)調(diào)性較差。若采用二級(jí)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(xié)調(diào)性較好。由此可見電橋電壓的重要性。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用差動(dòng)式電源可將電源的波動(dòng)部分中和掉，大大提高電橋輸出精度及穩(wěn)定性。另外，系統(tǒng)要求擴(kuò)大輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍，故使用它很不方便。 所以，具體設(shè)計(jì)時(shí)考慮到運(yùn)算放大器的放大能力與工作電壓的大小關(guān)系，以及電源芯片的自身優(yōu)勢(shì)等因素，最終選用了性價(jià)比比較高的LM317和LM337來設(shè)計(jì)電源電路，給系統(tǒng)提供正、負(fù)電壓，滿

39、足系統(tǒng)正常工作電源的要求。2.8 具體實(shí)施方案簡(jiǎn)介根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，硬件部分采用51系列單片機(jī)AT89S52為控制核心部件，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本控制功能。AT89S52是一款8位的內(nèi)帶8K程序存儲(chǔ)器的微控制器，考慮到用軟件實(shí)現(xiàn)電子秤系統(tǒng)的各項(xiàng)功能時(shí)，所需的軟件量并不是很大，不需要太大的程序存儲(chǔ)空間，因此在對(duì)AT89S52實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)不需要在片外再擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，這樣不僅節(jié)省了硬件資源，也優(yōu)化了電路的設(shè)計(jì)。在實(shí)際使用電子秤的稱重功能時(shí)考慮到涉及到大量的數(shù)據(jù)，而AT89S52片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限，因此在片外擴(kuò)展一片32K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，選用62256實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的硬件部分不僅包括以單片機(jī)AT89S52為核

40、心的最小系統(tǒng)部分，而且還包括數(shù)據(jù)采集、人機(jī)接口界面、系統(tǒng)電源部分。數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號(hào)的濾波放大處理和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。在具體選擇傳感器時(shí)，考慮到在稱量物品時(shí)必要的精度、準(zhǔn)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(nèi)。另外由于秤臺(tái)的自身重量、振動(dòng)和沖擊分量，以及還要避免物體超重時(shí)對(duì)傳感器的損壞，所以在選擇傳感器時(shí)要保證有一定的承重裕量，所選的傳感器量程應(yīng)該比系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的要大。一般選擇為實(shí)際要求量程的兩倍，且需要滿足精度要求，滿量程時(shí)候的誤差不能大于規(guī)定量。由于傳感器的輸出信號(hào)中含有一定的干擾噪聲，所以必須要對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，在濾波電路的設(shè)計(jì)時(shí)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(nèi)帶濾波電路環(huán)節(jié)，所以利用電容濾波可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行取舍。傳感器輸出的電信號(hào)比較微弱，一般為毫伏級(jí)，必須采用適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行信號(hào)放大處理，這樣才能保證整個(gè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性能。這時(shí)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(jiǎn)單的專用儀表放大器AD620。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)根據(jù)系統(tǒng)精度的要求，選擇了具有很強(qiáng)抗干擾能力的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135，雖然轉(zhuǎn)換速度慢，但精度高，輸入阻抗高，可自動(dòng)調(diào)零，具有超量程信號(hào)，全部輸出的TTL電平信號(hào)兼容。作為電子秤，系統(tǒng)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的速度要求不高，而且ICL7135的轉(zhuǎn)換

42、精度足以滿足系統(tǒng)的誤差要求。人機(jī)交互部分的鍵盤在系統(tǒng)中，可以輸入數(shù)字和已經(jīng)固定的控制命令等。在這次設(shè)計(jì)中我們采用了廣州周立功單片機(jī)公司生產(chǎn)的專用鍵盤控制芯片ZLG7289，并且擴(kuò)展了其中的64個(gè)鍵盤供系統(tǒng)使用。顯示用的LCD我們根據(jù)要求選用了字符點(diǎn)陣式液晶顯示器OCM4x8C，可以一次滿屏幕顯示4行8列的32個(gè)中文字符或4行16列的英文字符，滿足電子秤在稱物時(shí)的購(gòu)物清單顯示要求。系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如下所示：稱重傳感器 L-PSIII濾波電路放大器 AD620A/D轉(zhuǎn)換器 ICL7135AT89S52單片機(jī)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256（32K）鍵盤控制芯片ZZLG728964鍵鍵盤帶有中文字庫(kù)的點(diǎn)陣

43、式128x64型的LCDOOCM4X8C數(shù)據(jù)采集部分人機(jī)交互界面單片機(jī)控制模塊 。部分，不包括系統(tǒng)電源部分圖2.12 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)可以分成以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊，前端信號(hào)采集、處理、轉(zhuǎn)換模塊，人機(jī)接口界面以及系統(tǒng)電源部分（為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)超量程與欠量程的報(bào)警功能，還擴(kuò)展了報(bào)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(jī)是ATMEL公司新近推出的高檔型AT89S系列單片機(jī)中的增強(qiáng)型產(chǎn)品。ATMEL公司是美國(guó)20世紀(jì)80年代中期成立并發(fā)展起來的半導(dǎo)體公司。該公司

44、的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于推出Flash存儲(chǔ)器技術(shù)和高質(zhì)量、高可靠性的生產(chǎn)技術(shù)，它率先將獨(dú)特的Flash存儲(chǔ)技術(shù)注入于單片機(jī)產(chǎn)品中。其推出的AT89系列單片機(jī)，在世界電子技術(shù)行業(yè)中引起了極大的反響，在國(guó)內(nèi)也受到廣大用戶歡迎。AT89S52是一個(gè)低功耗,高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為

45、許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 AT89S52具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz，并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP

46、、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)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(tǒng) 8k可反復(fù)擦寫(1000次）ISP Flash ROM 32個(gè)雙向I/O口 4.5-5.5V工作電壓 3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘頻率0-33MHz 全雙工UART串行中斷口線 256x8bit內(nèi)部RAM 2個(gè)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(jí)加密位 看門狗（WDT）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的ISP字節(jié)和分頁(yè)編程 雙數(shù)據(jù)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(gè)8位漏極開路型雙向I/O端口，端口置1(對(duì)端口寫1)時(shí)作高阻抗輸入端；P0還可以用作總線方式下的地址數(shù)據(jù)復(fù)用管腳，用來操作外部存儲(chǔ)器。在這種工作模式下，P0口具有內(nèi)部上拉作用。對(duì)內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收指令字節(jié)、校驗(yàn)程序、輸出指令字節(jié)時(shí)，要求外接上拉電阻；Port 1：P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口，輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL。端口置1時(shí)，內(nèi)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(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入(P1.0/T2)和觸發(fā)輸入(P1.1/T2EX)；對(duì)內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收低8

48、位地址信息；Port 2： P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口；輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL。端口置1時(shí)，內(nèi)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(chǔ)器時(shí)，可作為高位地址輸出；內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收高8位地址和控制信息； Port 3： P3是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口，輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL。端口置1時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。 P3引腳功能復(fù)用見下表： 表3.2 P3引腳功能復(fù)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(shí)

49、器0輸入(T0) P3.5定時(shí)器1輸入(T1)P3.6 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通WR P3.7外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通RD RST：在振蕩器運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期)以上的高電平出現(xiàn)在此管腳時(shí)，將使單片機(jī)復(fù)位。只要這個(gè)管腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后P0P3口均置1，管腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片為ROM的00H處開始運(yùn)行程序；XTAL1、XTAL2 ：XTAL1是片內(nèi)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(shí)，外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈

50、沖二分頻，如晶振為12MHz，時(shí)鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz至24MHz內(nèi)選擇，電容取30PF左右。ALE/PROG：訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(hào)(此頻率是振蕩器頻率的1/6)，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)ALE脈沖； PSEN：該引腳是外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)輸出端。當(dāng)AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令或常數(shù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期輸出2個(gè)脈沖，即兩次有效。但訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不會(huì)有脈沖輸出；EA/Vpp：外部訪問允許端。當(dāng)該引腳訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，應(yīng)輸入低電平。要使AT8

51、9S52只訪問外部程序存儲(chǔ)器(地址為0000H-FFFFH)， 這時(shí)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(hào)時(shí)，保存（記憶）這些引線上在時(shí)鐘作用前一時(shí)刻出現(xiàn)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(nèi)含八個(gè)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(shí)鐘端CP數(shù)據(jù)輸入D三態(tài)輸出 0111010000 1高阻態(tài)當(dāng)時(shí)鐘端CP=1（高電平）時(shí)，Q 端輸出將隨數(shù)據(jù)輸入D而變。當(dāng)CP=0（低電平）時(shí)，D觸發(fā)器輸

52、出將鎖存已建立的電平。當(dāng)輸出控制端E=0（低電平）時(shí)，將使八個(gè)輸出處于正常工作狀態(tài)（高電平或低電平輸出）。當(dāng)E=1（高電平）時(shí)，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(huì)影響總線上的數(shù)據(jù)。輸出控制端不影響觸發(fā)器的內(nèi)部鎖存功能，即已有的鎖存數(shù)據(jù)仍然保留，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉，新的數(shù)據(jù)也可被置入。3、 芯片62256隨機(jī)存取存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱RAM(Random Access Memory)。使用RAM時(shí)既能從任一指定地址讀取（取出）數(shù)據(jù)，也能寫入（存入）數(shù)據(jù)，所以又叫讀寫存儲(chǔ)器。它讀、寫方便，但一旦斷電，所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也隨即丟失，因此不利于數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)

53、、運(yùn)算結(jié)果等，所以外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器能隨機(jī)讀/寫。62256的引腳符號(hào)功能如下：表3.4 62256功能表引腳符號(hào)功能A0A14地址輸入線D0D7雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線片選信號(hào)輸入線，低電平有效讀選通信號(hào)輸入線寫選通信號(hào)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(shù)據(jù)總線復(fù)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫/讀選通信號(hào)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(hào)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(jì)價(jià)秤的專用產(chǎn)品，也可用于制造由單只傳感器構(gòu)成的電子案秤，臺(tái)秤及專用衡器等。主要技術(shù)指標(biāo)參考下表：表3.5 L-PSIII型稱重傳感器電氣特性準(zhǔn)確度等級(jí)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(fù)性0.02蠕變%F.S./30min0.02蠕變恢復(fù)零點(diǎn)輸出%F.S.1零點(diǎn)溫度系數(shù)%F.S./100.02額定輸出溫度系數(shù)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(bǔ)償范圍-10+50允許溫度范圍-20+60允許過負(fù)荷%F.S120極限過負(fù)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(lán) 屏蔽 : 黃而我們?cè)诰唧w實(shí)現(xiàn)采集的模擬量時(shí)，出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮并沒有在系統(tǒng)中采用L-PSIII型傳感器，而是直接從系統(tǒng)的電源電路中引出一個(gè)毫伏級(jí)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(gè)外接電阻即可得到11000范圍內(nèi)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(diào)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(shí)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(duì)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(jì)算。3、 ICL7135ICL7135是一種雙積分式4位半單片A/D轉(zhuǎn)換器，其工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間（脈沖寬度信號(hào)）或頻率（俯沖頻率），

57、再通過定時(shí)器（計(jì)數(shù)器）獲得數(shù)字信號(hào)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為模擬部分和數(shù)字部分。其中模擬部分受邏輯電路控制，通過12個(gè)模擬開關(guān)以導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)將一個(gè)轉(zhuǎn)換周期分為4段：自校零段、被測(cè)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(zhǔn)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(zhǔn)電容正端；8腳（）：基準(zhǔn)電容負(fù)端；9腳（）： 被測(cè)信號(hào)負(fù)輸入端；10腳（）： 被測(cè)信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)輸入端；23腳（）： 負(fù)極性信號(hào)輸出端；24腳（）： 數(shù)字地端；25腳（）： 運(yùn)行讀數(shù)控制端；26腳（）： 數(shù)據(jù)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(diǎn)為：1、輸入阻抗可達(dá)到1000M；2、自動(dòng)校零；3、有精確的差分輸入；4、自動(dòng)判別信號(hào)極性；5、有超量程、欠量程輸出信號(hào)；6、采用位掃描與碼輸出；7、輸出全部與TTL兼容。ICL7135的電參數(shù)：表3.6 電參數(shù)參數(shù)電源電壓時(shí)鐘頻率基準(zhǔn)電容校零電容參數(shù)值5V2

59、V401M 11ICL7135外圍電路的參數(shù)選擇與整定由于ICL 7135內(nèi)部沒有振蕩器，所以需要外接。但A/D轉(zhuǎn)換器精度與時(shí)鐘頻率的漂移無關(guān)。正向積分時(shí)間T1和反向積分時(shí)間T2按相同比例增加并不影響測(cè)量的結(jié)果。ICL7135的時(shí)鐘頻率典型值為200kHz最高允許為1200kHz，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換速度越快。每輸出一位BCD碼的時(shí)間為200個(gè)時(shí)鐘周期，選通脈沖位于數(shù)據(jù)脈沖的中部，如果時(shí)鐘頻率太高，則數(shù)據(jù)的接受程序還沒有接受完畢，數(shù)據(jù)就已經(jīng)消失了?？紤]到此系統(tǒng)頻率要求不是太高，因此我們?nèi)r(shí)鐘頻率值500kHz。對(duì)于這個(gè)時(shí)鐘頻率，本設(shè)計(jì)采用阻容方式實(shí)現(xiàn)基本的振蕩電路得到。因?yàn)镮CL7135芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)源一般容易受到溫度的影響，而基準(zhǔn)