基于CS5550的電子計(jì)價(jià)秤設(shè)計(jì)Word版

1、專業(yè)課程設(shè)計(jì)題目： 基于CS5550的電子計(jì)價(jià)秤設(shè)計(jì)學(xué) 院： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí)： 測(cè)控技術(shù)與儀器1102班 學(xué) 號(hào)： 110401233 學(xué) 生 姓 名： 李寧 指 導(dǎo) 教 師： 傅元 設(shè) 計(jì) 時(shí) 間： 2014.12.082014.12.26 目錄第一章.摘要2第二章.系統(tǒng)方案論證與選型31.控制部分3 2.數(shù)據(jù)采集4 3.傳感器的選擇4 4.放大電路選擇5 5.A/D轉(zhuǎn)換器的選擇7 6.鍵盤處理部分方案論證87.顯示部分電路的選擇8 8.超量程報(bào)警部分電路的選擇9第三章.硬件電路設(shè)計(jì)10 1.ATMEGA16的最小系統(tǒng)電路10 2.數(shù)據(jù)采集部分電路設(shè)計(jì)133.A/D轉(zhuǎn)換與

2、單片機(jī)接口部分設(shè)計(jì)144.顯示電路與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)155.鍵盤電路與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)176.報(bào)警電路的設(shè)計(jì)19第四章.總結(jié)20 參考文獻(xiàn)21附錄122第一章 摘要 隨著微電子技術(shù)的應(yīng)用，市場(chǎng)上使用的傳統(tǒng)稱重工具已經(jīng)滿足不了人們的要求。為了改變傳統(tǒng)稱重工具在使用上存在的問題，在本設(shè)計(jì)中將智能化、自動(dòng)化、人性化用在了電子稱重的控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)主要由單片機(jī)來控制，測(cè)量物體重量部分由稱重傳感器及A/D轉(zhuǎn)換器組成，加上顯示單元，此電子秤俱備了功能多、性能價(jià)格比高、功耗低、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、使用方便直觀、速度快、測(cè)量準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。  本系統(tǒng)以ATMEGA16單片機(jī)為主控芯片，外圍附以

3、稱重電路、顯示電路、報(bào)警電路、鍵盤電路等構(gòu)成智能稱重系統(tǒng)電路板，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱重系統(tǒng)的稱重功能、報(bào)警功能、數(shù)據(jù)計(jì)算功能以及人機(jī)交換功能?？梢哉f,此設(shè)計(jì)所完成的電子秤很大程度上滿足了應(yīng)用需求。  關(guān)鍵詞:CS5550，CZAF-602壓力傳感器，ATMEGA16單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器，LCD顯示器.  本課題的主要設(shè)計(jì)思路是：利用壓力傳感器采集因壓力變化產(chǎn)生的電壓信號(hào)，經(jīng)過電壓放大電路放大，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后把數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)過相應(yīng)的處理后，得出當(dāng)前所稱物品的重量及總額，然后再顯示出來。此外，還可通過鍵盤設(shè)定所稱物品的價(jià)格。  在設(shè)計(jì)

4、期間，本人努力查閱相關(guān)資料，對(duì)稱重的基本原理以及各軟件、硬件模塊做了認(rèn)真的分析、研究。根據(jù)性能成本考慮，做了仔細(xì)的分析研究，主要有：系統(tǒng)模塊的劃分、A/D精度的考慮、單片機(jī)與外圍模塊的接口電路以及電子秤應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)等。 第二章 系統(tǒng)方案論證與選型按照本設(shè)計(jì)功能的要求，本設(shè)計(jì)大致可分為五個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制模塊、人機(jī)交換模塊。（其中人機(jī)交換模塊中包括:聲光報(bào)警、LCD顯示、鍵盤輸入）系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖2-1所示。設(shè)計(jì)思路框圖圖2.1測(cè)量部分是利用稱重傳感器檢測(cè)壓力信號(hào)，得到微弱的電信號(hào)（本設(shè)計(jì)為電壓信號(hào)），而后經(jīng)處理電路（如濾波

5、電路，差動(dòng)放大電路，）處理后，送A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出?？刂破鞑糠纸邮軄碜訟/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號(hào)，并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元中?？刂破鬟€可以通過對(duì)擴(kuò)展I/O的控制，對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，而后通過鍵盤散轉(zhuǎn)程序，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)顯示功能。 2.1 控制器部分 本設(shè)計(jì)由于要求必須使用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器,而且以單片機(jī)為主控制器的設(shè)計(jì)，可以容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測(cè)量控制系統(tǒng)”。這種新型的智能儀表在測(cè)量過程自動(dòng)

6、化、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進(jìn)展。再則由于系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)的分析，設(shè)計(jì)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的的系統(tǒng)，可以選用帶EPROM的單片機(jī)，由于應(yīng)用程序不大，應(yīng)用程序直接存儲(chǔ)在片內(nèi)，不用在外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器，這樣電路也可簡(jiǎn)化。INTEL公司的8051和8751都可使用，在這里選用ATMEGA16系列單片機(jī)。ATMEGA16系列與MCS-51相比有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，片內(nèi)存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器，使程序?qū)懭敫臃奖?；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整個(gè)硬件電路體積更小。此外價(jià)格低廉、性能比較穩(wěn)定的MCPU，具有8K×8ROM、256×8RAM、3個(gè)16

7、位定時(shí)計(jì)數(shù)器、4個(gè)8位I/O接口。這些配置能夠很好地實(shí)現(xiàn)本儀器的測(cè)量和控制要求。 最后我們最終選擇了ATMEGA16這個(gè)比較常用的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。ATMEGA16內(nèi)部帶有8KB的程序存儲(chǔ)器，基本上已經(jīng)能夠滿足我們的需要。 2.2 數(shù)據(jù)采集部分 電子秤的數(shù)據(jù)采集部分主要包括稱重傳感器、信號(hào)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，因此對(duì)于這部分的論證主要分三方面。 2.3 傳感器的選擇   在設(shè)計(jì)中,傳感器是一個(gè)十分重要的元件,因此對(duì)傳感器的選擇也顯的特別的重要,不僅要注意其量程和參數(shù),還有考慮到與其相配置的各

8、種電路的設(shè)計(jì)的難易程度和設(shè)計(jì)性價(jià)比等等.傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個(gè)數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最大偏載及動(dòng)載等因素綜合評(píng)價(jià)來確定。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個(gè)傳感器的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高。但在實(shí)際使用時(shí)，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動(dòng)沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時(shí)，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。傳感器量程的計(jì)算公式是在充分考慮到影響秤體的各個(gè)因素后，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)而確定的。 為保證電子秤稱量結(jié)果的準(zhǔn)確度，克服傳感器在低量程段線性度差的缺點(diǎn)。在實(shí)際工作中，要求稱重傳感器的有效量程在20%80

9、%之間，線性好，精度高。重量誤差應(yīng)控制在±0.01Kg，又考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以我們確定傳感器的額定載荷為5Kg，允許過載為150%F.S，精度為0.05%，最大量程時(shí)誤差 0.01kg?？梢詽M足本系統(tǒng)的精度要求. 使用特別注意：傳感器屬于精密部件，劇烈振動(dòng)、自由落體、碰撞、過載、過壓等等，都非常容易造成傳感器永久損壞或者影響精度和線性。傳感器是測(cè)量機(jī)構(gòu)最重要的部件，目前常用的有電阻應(yīng)變式壓力傳感器和電容式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器。選用是應(yīng)按著穩(wěn)定性、精度等級(jí)、靈敏度、壽命和安裝環(huán)境依次作為優(yōu)先考慮?，F(xiàn)比較如下： 

10、;1.電容式壓力傳感器穩(wěn)定性較差，精度和靈敏度高，壽命較短，對(duì)環(huán)境要求苛刻，不易長(zhǎng)距離傳輸。 2.壓電式壓力傳感器穩(wěn)定性好，精度和靈敏度高，壽命長(zhǎng)，但大量程的壓力傳感器有待進(jìn)一步研究。 3.電阻應(yīng)變式壓力傳感器穩(wěn)定性好，精度和靈敏度較高，壽命較長(zhǎng)，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求不太嚴(yán)格。 電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）受到拉伸或壓縮應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。亩闺姌蚴テ胶?，產(chǎn)生相應(yīng)的差動(dòng)信號(hào)，供后續(xù)電路測(cè)量和處理。 綜合考慮,本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的電子秤

11、的是絕對(duì)壓力值，同時(shí)為了簡(jiǎn)化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求使用具有溫度補(bǔ)償能力的電阻應(yīng)變式壓力傳感器。本設(shè)計(jì)選用CZAF-602壓力傳感器，其最大量程為5 Kg，CZAF-602壓力傳感器的接線圖如下：圖2.2注釋： 黑S-紅S+激勵(lì)電壓輸入端(簡(jiǎn)稱輸入端) 綠+白-GND重量毫伏信號(hào)輸出端(簡(jiǎn)稱輸出端) CZAF-602壓力傳感器參數(shù)如下表： 傳感器參數(shù) 項(xiàng)目    參數(shù)   項(xiàng)目    參數(shù)綜合誤差： 0.02%F.S 

12、; 絕緣電阻:  5000M(100VDC) 非線性:  0.01%F.S  溫度補(bǔ)償范圍: -10+40 滯后:  0.02%F.S  激勵(lì)電壓: 3VDC12VDC 重要性:  0.01%F.S  使用溫度范圍: -20+60 零點(diǎn)輸出:  ±1%F.S  零點(diǎn)溫度影響: 0.01%F.S  輸入阻抗: 1000±10  靈敏度溫度影響: 0.02%F.S

13、0;輸出阻抗:  1000±5  安全過載范圍: 120% 靈敏度:  1±0.1mV/V  極限過載范圍: 150%蠕變:  0.02%F.S  防護(hù)等級(jí): IP662.4放大電路選擇 稱重傳感器輸出電壓振幅范圍02mV。而A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求為02V，因此放大環(huán)節(jié)要有1000倍左右的增益。對(duì)放大環(huán)節(jié)的要求是增益可調(diào)的（7001500倍），根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況增益設(shè)為1000倍即可，零點(diǎn)和增益的溫度漂移和時(shí)間漂移極小。按照輸入電壓2mV，分辨率20000碼的情

14、況，漂移要小于1µV。由于其具有極低的失調(diào)電壓的溫漂和時(shí)漂（±1µV），從而保證了放大環(huán)節(jié)對(duì)零點(diǎn)漂移的要求。殘余的一點(diǎn)漂移依靠軟件的自動(dòng)零點(diǎn)跟蹤來徹底解決。穩(wěn)定的增益量可以保證其負(fù)反饋回路的穩(wěn)定性，并且最好選用高阻值的電阻和多圈電位器。 由稱重傳感器的稱量原理可知，電阻應(yīng)變片組成的傳感器是把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成R/R，而應(yīng)變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應(yīng)變片電阻值120，靈敏系數(shù) K=2，彈性體在額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000，應(yīng)變電阻相對(duì)變化量為：R/R =K×=2×1000×106 =

15、0.002（1-1）由式1-1可以看出電阻變化只有0.24，其電阻變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化既難以直接精確測(cè)量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變計(jì)的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，但是這個(gè)電壓或電流信號(hào)很小，需要增加增益放大電路來把這個(gè)電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以被A/D轉(zhuǎn)換芯片接收的信號(hào)。在前級(jí)處理電路部分，我們考慮可以采用以下幾種方案： 方案一、主要由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器，而構(gòu)成的前級(jí)處理電路； 差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放(如LM324)做成一個(gè)差動(dòng)放大器。其設(shè)計(jì)電路如下圖2.3方案（二）：采用專用儀表放

16、大器，如：INA126，INA121等構(gòu)成前級(jí)處理電路。下面舉例用INA128儀用儀表放大器來實(shí)現(xiàn)。 一般說來，集成化儀用放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中都是把集成化儀器放大器作為前置放大器。然而，絕大多數(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：增益越高，共模抑制比越大。而集成化儀器放大器作為心電前置放大器時(shí)，由于極化電壓的存在，前置放大器的增益只能在幾十倍以內(nèi)，這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時(shí)的共模抑制比不可能很高。有學(xué)者試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)

17、，但由于信號(hào)源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴(yán)重地?fù)p害了放大器的性能。 為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，設(shè)計(jì)電路如下：  圖2.41）前級(jí)采用運(yùn)放A1和A2組成并聯(lián)型差動(dòng)放大器。理論上不難證明，在運(yùn)算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動(dòng)放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大。更值得一提的是，在理論上并聯(lián)型差動(dòng)放大器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無關(guān)。  2）阻容耦合電路放在由并聯(lián)型差動(dòng)放大器構(gòu)成的前級(jí)放大器和由儀器放大器構(gòu)成的后級(jí)放大器之間，這樣可為后級(jí)儀器放大器提高增益，進(jìn)而提高電

18、路的共模抑制比提供了條件。同時(shí)，由于前置放大器的輸出阻抗很低，同時(shí)又采用共模驅(qū)動(dòng)技術(shù)，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對(duì)稱（匹配）導(dǎo)致的共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生。  3）后級(jí)電路采用廉價(jià)的儀器放大器，將雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級(jí)的儀器放大器可以做到很高的增益，進(jìn)而得到很高的共模抑制比。 從理論上計(jì)算整個(gè)電路的共模抑制比為： 212121221121lg201CMRACMRRCMRACMRAAAAACMRCMRCMRdTotalddCdcdT或(1-2)式中：TotalCMR或TotalCMRR放大器的總共模

19、抑制比；1CMR第一級(jí)放大器的共模抑制比；2CMR或2CMRR第二級(jí)放大器的共模抑制比；dA1、cA1、dA2和cA2分別為第一級(jí)放大器和第二級(jí)放大器的差模增益和共模增益。 由以上分析以及基于電子秤的要求精確度不是很高，所以采取方案一，選擇由普通放大器所組成的差動(dòng)放大器作為本設(shè)計(jì)的信號(hào)2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 A/D轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這一部分處理不好，會(huì)使得整個(gè)設(shè)計(jì)毫無意義。目前，世界上有多種類型的ADC，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型ADC，也有近年來新發(fā)展起來的-型和流水線型ADC，多種類型的ADC各有其優(yōu)缺點(diǎn)并能滿足不同的具體應(yīng)用要求。根據(jù)系統(tǒng)的

20、精度要求以及綜合的分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了12位A/D轉(zhuǎn)換器CS5550。CS5550是Cirrus Logic公司推出的一款雙通道低成本-型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成有2個(gè)-  A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)放大器、1個(gè)串行接口以及1個(gè)溫漂為25 ppm/的2.5 V參考電壓源。CS5550在兩個(gè)通道上都具有24位寄存器，其中通道1具有13位有效位，通道2具有10位有效位。2.6鍵盤處理部分方案論證 由于電子秤需要設(shè)置單價(jià)（十個(gè)數(shù)字鍵，一個(gè)小數(shù)點(diǎn)），總共需設(shè)置13個(gè)鍵（包括一個(gè)清除鍵和一個(gè)確認(rèn)鍵）。 本設(shè)計(jì)采用矩陣式鍵盤：矩陣式鍵盤

21、的特點(diǎn)是把檢測(cè)線分成兩組，一組為行線，一組列線，按鍵放在行線和列線的交叉點(diǎn)上。圖2-5給出了一個(gè)4×4的矩陣鍵盤結(jié)構(gòu)的鍵盤接口電路，圖中的每一個(gè)按鍵都通過不同的行線和列線與主機(jī)相連這。4×4矩陣式鍵盤共可以安裝16個(gè)鍵，但只需要8條測(cè)試線。當(dāng)鍵盤的數(shù)量大于8時(shí)，一般都采用矩陣式鍵盤。結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，采用4×4矩陣式鍵盤。圖2.52.7顯示電路部分的選擇 數(shù)據(jù)顯示是電子秤的一項(xiàng)重要功能，是人機(jī)交換的主要組成部分，它可以將測(cè)量電路測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過微處理器處理后直觀的顯示出來。數(shù)據(jù)顯示部分可以有以下兩種方案供選擇。顯示的組成有以下兩種方案可供選擇：一是LE

22、D數(shù)碼管顯示,二是LCD液晶顯示兩種選擇。LCD液晶顯示器是一種極低功耗顯示器，從電子表到計(jì)算器，從袖珍時(shí)儀表到便攜式微型計(jì)算機(jī)以及一些文字處理機(jī)都廣泛利用了液晶顯示器。本設(shè)計(jì)采用的是HJ12864ZW液晶顯示。2.8超量程報(bào)警部分選擇 智能儀器一般都具有報(bào)警功能，報(bào)警主要用于系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)、當(dāng)測(cè)量的數(shù)據(jù)超過儀表量程或者是超過用戶設(shè)置的上下限時(shí)為提醒用戶而設(shè)置。在本系統(tǒng)中，設(shè)置報(bào)警的目的就是在超出電子秤測(cè)量范圍以及總價(jià)不能正常顯示時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，防止損壞儀器。 超限報(bào)警電路是由單片機(jī)的I/O口來控制的，當(dāng)稱重物體重量超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)所允許的重量，通過程序使單片機(jī)的I/O值為

23、低電平，從而三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器SPEAKER發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)使連接報(bào)警燈的I/O置為低電平，則發(fā)光二極管導(dǎo)通，二極管發(fā)光。在設(shè)計(jì)過程中一定得注意發(fā)光二極管的極性，否則，發(fā)光二級(jí)管是不會(huì)正常發(fā)光。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)思路，此電路由一塊AT89S52單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、12864LCD顯示器、蜂鳴器及LED燈報(bào)警電路、CZAF-602壓力傳感電路。硬件設(shè)計(jì)框圖如下： 圖3.1在本系統(tǒng)中用于稱量的主要器件是稱重傳感器（一次變換元件），稱重傳感器在受到壓力或拉力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，受到不同壓力或拉力是產(chǎn)生的電信號(hào)也隨著變化，而且力與電信號(hào)的關(guān)系一

24、般為線性關(guān)系。由于傳感器輸出的為模擬信號(hào)，所以需要對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便單片機(jī)接收，因此電路中需要用進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。又由于本設(shè)計(jì)采用的是CZAF-602電阻應(yīng)變式壓力傳感器，其輸出電壓為2mv左右不能夠使單片機(jī)和AD轉(zhuǎn)換器正常工作，因此需要設(shè)計(jì)放大電路來使ADC0832的輸入電壓達(dá)到2v左右，放大電路的增益應(yīng)為1000.單片機(jī)根據(jù)稱重傳感器輸出的電信號(hào)計(jì)算出物體的重量。在本系統(tǒng)中，硬件電路的構(gòu)成主要有以下幾部分： AT89S52的最小系統(tǒng)構(gòu)成、數(shù)據(jù)采集、人-機(jī)交換電路等。 3.1 ATMEGA16的最小系統(tǒng)電路3.1.1單片機(jī)芯片ATMEGA16介紹AT

25、mega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。    ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器

26、最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。    ATmega16 有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝)&#

27、160;的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。    工作于空閑模式時(shí)CPU 停止工作，而USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止CPU 和除了異步定時(shí)器與ADC

28、0;以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。    本芯片是以Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用

29、任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)(ApplicationFlash Memory)。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW 操作。 通過將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言 編譯器

30、、宏匯編、 程序調(diào)試器/ 軟件仿真器、仿真器及評(píng)估板。3.1.2單片機(jī)管腳說明圖3.2VCC 電源正GND 電源地端口A(PA7.PA0)端口A 做為A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7.PB0)端口B 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若

31、內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能.端口C(PC7.PC0)端口C 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口C 處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能.端口D(PD7.PD0)端口D 為8 位

32、雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口D 處于高阻狀態(tài)。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能.RESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。門限時(shí)間見P36Table 15。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。XTAL1反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。XTAL2反向振蕩放大器的輸出端。AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時(shí)應(yīng)通過一個(gè)

33、低通濾波器與VCC 連接。AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。3.1.3 ATMEGA16的最小系統(tǒng)電路構(gòu)成 能讓單片機(jī)工作的有最基本元器件構(gòu)成的系統(tǒng)稱為單片機(jī)最小系統(tǒng)。 單片機(jī)最小系統(tǒng)通常包括： 電源（+5V） 復(fù)位電路：?jiǎn)?dòng)后讓單片機(jī)從初始狀態(tài)執(zhí)行程序 振蕩電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)是一種時(shí)序電路，必須施加脈沖信號(hào)才能工作。Mega16內(nèi)部有RC震蕩電路但相比外部的晶體震蕩電路還是不夠準(zhǔn)確，另外它也可以使用外部晶振工作，兩者之間的切換通過熔絲位（以后會(huì)講）來選擇在其內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路只要接上兩個(gè)電容和一個(gè)晶振即可正常工作。圖3.3如圖所示為ATme

34、ga16最小系統(tǒng)電路圖，圖中標(biāo)有相同代號(hào)的引腳表示連接在一起。圖中ISP和JTAG為ATmega16的兩種下載方式各自的引腳接口，ISP用于在線下載程序比較方便快捷，所用下載軟件為progisp ；JTAG是在線仿真接口通過仿真器連接單片機(jī)進(jìn)行程序的下載和仿真，所用軟件為AVR Studio ；通常我門使用ISP下載就已經(jīng)足夠了，并且方便快捷很穩(wěn)定好用，下載器也便宜；JTAG在需要仿真的時(shí)候用，它可以看見單片機(jī)各個(gè)引腳的輸出值和輸入值等，但JTAG實(shí)際定使用中不穩(wěn)定有時(shí)候很容易出錯(cuò)電腦不識(shí)別下不進(jìn)去程序等問題，個(gè)人偏好使用ISP.   

35、;  說明：此最小系統(tǒng)電路圖中只畫出了最簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路流水燈，和最基本的能讓單片機(jī)正常工作的外圍電路及下載程序所必須的ISP和JTAG接口，如果你想焊一個(gè)電路板出來自己使用，其他的外圍電路可以在日后使用當(dāng)中自己再往上焊。3.2數(shù)據(jù)采集部分電路設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集部分電路包括傳感器輸出信號(hào)電路、A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口電路。我們采用CZAF-602壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集模塊與單片機(jī)的接口連接如圖3.4所示。圖3.43.3 A/D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)接口部分設(shè)計(jì)CS5550是一個(gè)包含兩個(gè)-模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個(gè)串行接口的高度集成的-模數(shù)轉(zhuǎn)換器。CS5550具有方便的片上AC/DC

36、 偏移和增益校準(zhǔn)功能，包含一個(gè)可與控制器雙向通訊的串行接口、一個(gè)可用于增益補(bǔ)償?shù)钠蠝囟葌鞲衅鳌?#160;由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。CS5550的管腳如圖下所示：圖3.5CS5550串口包括CS、SDI、SDO 和SCLK四條控制線。CS，片選，是訪問串口的允許控制線。如果CS 為邏輯0，端口具有3 線接口的功能。SDI，串行數(shù)據(jù)輸入，用來把數(shù)據(jù)寫到轉(zhuǎn)換器。SDO，串行數(shù)據(jù)輸出，用來從轉(zhuǎn)換器讀出數(shù)據(jù)。當(dāng) CS 為邏輯1 時(shí)，SDO 輸出將保持高阻抗。&

37、#160;SCLK，串行時(shí)鐘，是控制數(shù)據(jù)移出或移入A/D 轉(zhuǎn)換器串行口的串行位時(shí)鐘。在SCLK 的電平轉(zhuǎn)換能被端口邏輯識(shí)別之前，CS 必須被置為邏輯0。為了和光電耦合器相匹配，SCLK 的輸入端集成了一個(gè)施密特觸發(fā)器，以允許使用上升和下降時(shí)間較慢的光電耦合器直接驅(qū)動(dòng)該引腳。另外，SDO 具有接收或輸出5mA 電流的能力，可以直接驅(qū)動(dòng)光電耦合器的LED。在接收或輸出5mA 電流時(shí)，SDO 的驅(qū)動(dòng)電壓損失小于400mV。在任何時(shí)候執(zhí)行軟件或硬件復(fù)位可以初始化系統(tǒng)。通過寫0x80到CS5550可以實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位。當(dāng)RESE

38、T腳被拉低超過50ns 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)位。RESET信號(hào)是異步的，不需MCLKs的支持并可保持復(fù)位狀態(tài)。RESET腳為施密特觸發(fā)器輸入，允許使用上升和下降時(shí)間較慢的控制信號(hào)。 一旦RESET變高，片內(nèi)復(fù)位電路將保持5 個(gè)MCLK 確保復(fù)位同步。而調(diào)制器將保持12個(gè)MCLK。在軟件或硬件后，在檢測(cè)到復(fù)位事件后的第一個(gè)MCLK 系統(tǒng)的所有寄存器被恢復(fù)到系統(tǒng)默認(rèn)值，同樣加電復(fù)位后，所有寄存器也被恢復(fù)到系統(tǒng)默認(rèn)值，CS5550被標(biāo)志為工作狀態(tài)。單片機(jī)接口與CS550連接電路如圖所示：圖3.63.4顯示電路與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 在顯示電路論

39、證中，本設(shè)計(jì)采用是LCD顯示。在LCD驅(qū)動(dòng)時(shí)，需在段電極和公共電極上施加交流電壓。若只在電極上施加DC電壓時(shí)，液晶本身發(fā)生劣化。液晶驅(qū)動(dòng)方式包括靜態(tài)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。 （1)靜態(tài)驅(qū)動(dòng) 所有的段都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，表示段電極與公共電極之間連續(xù)施加電壓。它適合于簡(jiǎn)單控制的LCD。 （2)多路驅(qū)動(dòng)方式構(gòu)成矩陣電極，公共端數(shù)為n，按照1/n的時(shí)序分別依次驅(qū)動(dòng)公共端，與該驅(qū)動(dòng)時(shí)序相對(duì)應(yīng)，對(duì)所有的段信號(hào)電極作選擇驅(qū)動(dòng)。這種方式適合于比較復(fù)雜控制的LCD。在多路驅(qū)動(dòng)方式中，像素可分為選擇點(diǎn)、半選擇點(diǎn)和非選擇點(diǎn)。為了提高顯示的對(duì)比度和降低串?dāng)_，應(yīng)合理選擇占空比（duty）

40、和偏壓(bias)。施加在LCD上所表示的ON和OFF時(shí)的電壓有效值與占空比和偏壓的關(guān)系如下： Vo: LCD驅(qū)動(dòng)電壓  N:占空比(1/N)a:偏壓(1/a)多路驅(qū)動(dòng)方式可分為點(diǎn)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和幀反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。點(diǎn)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)適合于低占空比應(yīng)用，它在各段數(shù)據(jù)輸出時(shí)，將數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)。幀反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)適合于高占空比應(yīng)用，它在各幀輸出時(shí)，將數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)。對(duì)于多灰度和彩色顯示的控制方法，通常采用幀頻控制(FRC）和脈寬調(diào)制(PWM)方法。幀頻控制是通過減少幀輸出次數(shù)，控制輸出信號(hào)的有效值，來實(shí)現(xiàn)多灰度和彩色控制。而脈寬調(diào)制是通過改變段輸出信號(hào)脈寬，控制輸出信號(hào)的有效值，來實(shí)現(xiàn)多灰度和彩色控

41、制。 本設(shè)計(jì)采用HJ12864ZW液晶顯示器，HJ12864ZW是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128X64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示4行16個(gè)中文字形（16X16點(diǎn)陣漢字，與外部CPU接口可采用串行或并行方式控制）或者，4行32個(gè)字符（8X16）。本設(shè)計(jì)采用并行接口，下面僅介紹并行接口：1 VSS - 模塊的電源地2 VDD - 模塊的電源正端3 V0 - LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸入端4 RS(CS) H/L 并行的指令/數(shù)據(jù)選擇信號(hào)；串行的片選信號(hào)5 R/W(SID) H/L 并行的讀寫選擇信號(hào)；串行的數(shù)據(jù)口6 E(CLK) H/L 并行的使能

42、信號(hào)；串行的同步時(shí)鐘7 DB0 H/L 數(shù)據(jù)08 DB1 H/L 數(shù)據(jù)19 DB2 H/L 數(shù)據(jù)210 DB3 H/L 數(shù)據(jù)311 DB4 H/L 數(shù)據(jù)412 DB5 H/L 數(shù)據(jù)513 DB6 H/L 數(shù)據(jù)614 DB7 H/L 數(shù)據(jù)715 PSB H/L 并/串行接口選擇：H-并行；L-串行16 NC 空腳17 /RET H/L 復(fù)位 低電平有效18 NC 空腳19 LED_A （LED+5V） 背光源正極20 LED_K （LED-OV） 背光源負(fù)極*注釋1：如在實(shí)際應(yīng)用中僅使用并口通訊模式，可將PSB接固定高電平，也可以將模塊上的J15和“VCC”用焊錫短接。 *注

43、釋2：模塊內(nèi)部接有上電復(fù)位電路，因此在不需要經(jīng)常復(fù)位的場(chǎng)合可將該端懸空。     *注釋3：如背光和模塊共用一個(gè)電源，可以將模塊上的JA、JK用焊錫短接。2864LCD顯示器與單片機(jī)的接口電路如圖3.8所示：1 圖3.83.5鍵盤電路與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)與工作原理：在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口（如P1口）就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯

44、，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。 矩陣式鍵盤的按鍵識(shí)別方法：確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下介紹一種“行掃描法”。行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識(shí)別方法，如圖2-4所示鍵盤，介紹過程如下。判斷鍵盤中有無鍵按下將全部行線D0-D3置低電平，然后檢測(cè)列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4個(gè)按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。 判斷閉合鍵所在的位置 在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時(shí)，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐列檢測(cè)各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。  在本系統(tǒng)中鍵盤采用矩陣式鍵盤并采用中斷工作方式。鍵盤為4 X 4鍵盤，包括0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、十個(gè)數(shù)字及確認(rèn)、清除鍵以及小數(shù)點(diǎn)鍵。采用中斷工作方式提高了CPU的利