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

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，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(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，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、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)交換的能力，而且滿足設(shè)計(jì)要求，可以顯示購物清單、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-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，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)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 （2.5）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1.3mA；最大輸入失調(diào)電壓為125V；頻帶寬度為120kHz（在G=100時(shí)）?；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(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：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。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10Kg/ 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。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(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的點(diǎn)陣式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。空閑模式下，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、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)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AT89S52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?。ㄈ〕觯?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)、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ICL7135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V12（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），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（）： 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5V2V401M 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)