基于單片機的電子秤設計

1、基于單片機電子秤系統(tǒng)的畢業(yè)設計西 京 學 院畢 業(yè) 設 計 （論 文）成績題 目: 基于單片機的電子秤系統(tǒng)設計 姓 名: 系（院）: 機電工程系 專 業(yè): 機電一體化技術 班 級: 學 號: 指導老師: 日 期: - 43 - 摘 要隨著微電子技術的應用，市場上使用的傳統(tǒng)稱重工具已經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，在本設計中將智能化、自動化、人性化用在了電子秤重的控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)主要由單片機來控制，測量物體重量部分由稱重傳感器及A/D轉換器組成，加上顯示單元，此電子秤俱備了功能多、性能價格比高、功耗低、系統(tǒng)設計簡單、使用方便直觀、速度快、測量準確、自動化程度高等特

2、點。電子稱主要以MCS-51單片機作為中心控制單元，通過稱重傳感器進行模數轉換單元，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、數字顯示，對人們生活的影響越來越大，廣受歡迎。本系統(tǒng)針對電子稱的自動稱重、數據處理等進行了設計和制作。為了闡明用單片機是如何對采樣數據進行處理，對數據的采集和轉換、計算問題進行了研究，討論了單片機控制系統(tǒng)中關鍵的計算問題。本文在給出智能電子稱硬件設計的基礎上，詳細分析了電子稱的軟件控制方法。單片機控制的電子稱結構簡單，成本低廉，深受人們的喜愛，本文將對此進行詳細討論。關鍵詞：增強型MCS-51單片機；稱重傳感器；A/D轉換器；

3、LCD顯示器 目 錄第一章 緒論 1.1稱重技術和衡器的發(fā)展11.2 電子秤的組成21.3 設計的總體思路3第二章 系統(tǒng)方案論證與選型2.1控制部分的選擇62.2數據采集部分的選擇72.3顯示電路部分的選擇14第三章 硬件電路設計3.1 總體規(guī)劃153.2 MCS-51的最小系統(tǒng)構成163.3 電源電路設計203.4 數據采集部分電路設計203.5 鍵盤電路與MCS-51單片機接口電路設計24第四章 系統(tǒng)軟件設計4.1主程序設計274.2 子程序設計28第五章 設計總結32致 謝33參考文獻34附 錄35 第一章 緒論1.1 稱重技術和衡器的發(fā)展 稱重技術自古以來就被人們所重視，作為一種計量手

4、段，廣泛應用于工農業(yè)、科研、交通、內外貿易等各個領域，與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設、科學研究、內外貿易不可缺少的計量設備，衡器產品技術水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現代化水平和社會經濟效益的提高。電子秤的發(fā)展過程與其它事物一樣，也經歷了由簡單到復雜，由粗糙到精密、由機械到機電結合再到全電子化、由單一功能到多功能的過程。特別是近30年以來，工藝流程中的現場稱重、配料定量稱重、以及產品質量的監(jiān)測等工作，都離不開能輸出電信號的電子衡器。這是由于電子衡器不僅能給出質量或重量信號，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個單元承擔著控制和檢驗功能，從而推

5、進工業(yè)生產和貿易交往的自動化和合理化。近年來，電子秤已愈來愈多地參與到數據處理和過程控制中?，F代稱重技術和數據系統(tǒng)已經成為工藝技術、儲運技術、預包裝技術、收貨業(yè)務及商業(yè)銷售領域中不可缺少的組成部分。隨著稱重傳感器各項性能的不斷突破，為電子秤的發(fā)展奠定了其礎，國外如美國、西歐等一些國家在2 0世紀6 0年代就出現了0 .1%稱量準確度的電子秤，并在7 0年代中期約對75%的機械秤進行了機電結合式的電子化改造。稱重裝置不儀是提供重量數據的單體儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個組成部分，推進了工業(yè)生產的自動化和管理的現代化，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

6、品質量以及加強企業(yè)管理、改善經營管理等多方面的作用。稱重裝置的應用已遍及到圍民經濟各領域，取得了顯著的經濟效益。因此，稱重技術的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國都非常重視。50年代中期電子技術的滲入推動了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現機電結合式電了衡器以來，經過40多年的不斷改進與完善，我國電子衡器從最初的機電結合型發(fā)展到現在的全電子型和數字智能型?，F今電子衡器制造技術及應用得到了新發(fā)展。電子稱重技術從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展：計量方法從模擬測量向數字測量發(fā)展；測量特點從單參數測量向多參數測量發(fā)展，特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應用。通過分析近年來電子衡器產品的發(fā)展情況及國內外市場的需求，電子衡

7、器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術性能趨向是速率高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應用性能趨向于綜合性和組合性。電子秤是電了衡器中的一種，衡器是國家法定計量器具，是圍計民生、國防建設、科學研究、內外貿易不可缺少的計量設備，衡器產品技術水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現代化水平和社會經濟效益的提高。1.2 電子秤系統(tǒng)的組 電子秤是由承重、傳力復位系統(tǒng)，傳感元件，測量和計算等一系列系統(tǒng)組成。下邊將介紹電子秤的基本結構，工作原理以及計量性能等。1.2.1電子秤的基本結構 電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質量（重

8、量）的測量儀器，也可用來確定與質量相關的其它量大小、參數、或特性。不管根據什么原理制成的電了秤均由以下三部分組成：(1) 承重、傳力復位系統(tǒng) 它是被稱物體與轉換元件之間的機械、傳力復位系統(tǒng)，又稱電子秤的秤體，一般包括接受被稱物體載荷的承載器、秤橋結構、吊掛連接部件和限位減振機構等。(2) 稱重傳感器 即由非電量（質量或重量）轉換成電量的轉換元件，它是把支承力變換成電的或其它形式的適合于計量求值的信號所用的一種輔助手段。 按照稱重傳感器的結構型式不同，可以分直接位移傳感器（電容式、電感式、電位計式、振弦式、空腔諧振器式等）和應變傳感器（電阻應變式、盧表面諧振式）或是利用磁彈性、壓電和壓阻等物理效

9、應的傳感器。 對稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應，并有良好的線性關系；有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態(tài)的影響要?。荒茉谳^差的工作條件下工作；有較好的頻響特性；穩(wěn)定可靠。 (3) 測量顯示和數據輸出的載荷測量裝置 即處理稱重傳感器信號的電子線路（包括放人器、模數轉換、電流源或電壓源、調節(jié)器、補嘗元件、保護線路等）和指示部件（如顯示、打印、數據傳輸和存貯器件等）。這部分習慣上稱載荷測量裝置或二次儀表。在數字式的測量電路中，通常包括前置放大、濾濾、運算、變換、計數、寄存、控制和驅動顯示等環(huán)節(jié)。1.2.2 電子秤的工作原理 當被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱

10、重傳感器，傳感器隨之產生力一電效應，將物體的重量轉換成與被稱物體重量成一定函數關系（一般成正比關系）的電信號（電壓或電流等）。此信號由放大電路進行放大、經濾波后再由模數( A/D)器進行轉換，數字信號再送到微處器的CPU處理，CPU不斷掃描鍵盤和各功能開關，根據鍵盤輸入內容和各種功能開關的狀態(tài)進行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運算。運算結果送到內存貯器，需要顯示時，CPU發(fā)出指令，從內存貯器中讀出送到顯示器顯示，或送打印機打印。一般地信號的放大、濾波、A/D轉換以及信號各種運算處理都在儀表中完成。1.2.3 電子秤的計量性能 電子秤的計量性能涉及的主要技術指標有：量程、分度值、分度數

11、、準確度等級等。 (1) 量程：電子衡器的最大稱量Max，即電子秤在正常工作情況下，所能稱量的最大值。 (2) 分度值：電子秤的測量范圍被分成若干等份，每份值即為分度值。用e或d來表示。 (3) 分度數：衡器的測量范圍被分成若干等份，總份數即為分度數用n表示。 電子衡器的最大稱量Max可以用總分度數n與分度值d的乘積來表示，即Max=n·d (4) 準確度等級國際法制計量組織把電子秤按不同的分度數分成T、II、III、四類等級，分別對應不同準確度的電子秤和分度數n的范圍，如表1-1所示： 表1-1 不同準確度的電子秤和分度數標志及等級電子秤分類分度數范圍特種準確度基準衡器n>

12、100000高準確度精密衡器10000 < n100000中準確度商業(yè)衡器1000 < n10000普通準確度粗衡器100<n10001.3 設計的總體思路 目前，臺式電子秤在商業(yè)貿易中的使用已相當普遍，但存在較大的局限性：體積大、成本高、攜帶不便、應用場所受到制約?，F有的便攜秤為桿秤或以彈簧、拉伸變形來實現計量的彈簧秤，居民用戶使用的基本是桿秤。彈簧盤秤制造工藝要求較高，彈簧的疲勞問題無法徹底解決，一旦超過彈簧彈性限度，彈簧秤就會產生很大誤差，以至損壞，影響到稱重的準確性和可靠性，只是一種暫時的代用品，也被列入逐漸取消的行列。微控制器技術、傳感器技術的發(fā)展和計算機技術的廣泛

13、應用，電子產品的更新速度達到了日新月異的地步。本系統(tǒng)在設計過程中，除了能實現系統(tǒng)的基本功能外，還增加了打印和通訊功能，可以實現和其他機器或設備（包括上位PC機和數據存儲設備）交換數據，除此之外，系統(tǒng)的微控制器部分選擇了兼容性比較好的51系列單片機，在系統(tǒng)更新換代的時候，只需要增加很少的硬件電路，甚至僅僅刪改系統(tǒng)控制程序就能夠實現。另外由于實際應用當中，稱可以有一定量的過載，但不能超出要求的范圍，為此還設計了過載提示。綜上所述，本設計的主要思路是：利用壓力傳感器采集因壓力變化產生的電壓信號，經過電壓放大電路放大，然后再經過模數轉換器轉換為數字信號，最后把數字信號送入單片機。單片機經過相應的處理后

14、，得出當前所稱物品的重量及總額，然后再顯示出來。主要技術指標為：稱量范圍0600g，分度值1kg，精度等級III級，電源AC220V。這種高精度智能電子秤體積小、計量準確、攜帶方便，能夠滿足商業(yè)貿易和居民家庭的使用需求。 第二章 系統(tǒng)方案論證與選型按照本設計功能的要求，系統(tǒng)由6個部分組成：控制器部分、測量部分、報警部分、數據顯示部分、鍵盤部分、和電路電源部分，系統(tǒng)設計總體方案框圖如圖2-1所示：放大電路壓力傳感按 鍵MCS-51單片機電 源語音系統(tǒng)LED顯示 圖2-1 設計思路框圖 測量部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號，得到微弱的電信號（本設計為電壓信號），而后經處理電路（如濾波電路，差動放大

15、電路，）處理后，送A/D轉換器，將模擬量轉化為數字量輸出?？刂破鞑糠纸邮軄碜訟/D轉換器輸出的數字信號，經過復雜的運算，將數字信號轉換為物體的實際重量信號，并將其存儲到存儲單元中?？刂破鬟€可以通過對擴展I/O的控制，對鍵盤進行掃描，而后通過鍵盤散轉程序，對整個系統(tǒng)進行控制。數據顯示部分根據需要實現顯示功能。2.1 控制器部分的選擇本設計由于要求必須使用單片機作為系統(tǒng)的主控制器,而且以單片機為主控制器的設計，可以容易地將計算機技術和測量控制技術結合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新換代的“智能化測量控制系統(tǒng)”。這種新型的智能儀表在測量過程自動化、測量結果的數據處理以及功能的多樣化方面

16、，都取得了巨大的進展。再則由于系統(tǒng)沒有其它高標準的要求，又考慮到本設計中程序部分比較大，根據總體方案設計的分析，設計這樣一個簡單的的系統(tǒng)，可以選用帶EPROM的單片機，由于應用程序不大，應用程序直接存儲在片內，不用在外部擴展存儲器，這樣電路也可簡化。INTEL公司的8051和8751都可使用，在這里選用增強型MCS-51系列單片機。增強型MCS-51單片機芯片有一下特征：第一，芯片內存儲器容量大，規(guī)格多，程序存儲器類型也趨于多樣化；第二，指令執(zhí)行時間短，一方面最高時鐘頻率從12MHz提高到16MHz，24MHz，33MHz,40MHz,甚至60MHz;另一方面減少了每機器周期的時鐘數；第三，擴

17、展了接口電路功能；第四，內置了單片機應用系統(tǒng)前、后向通道所需的某些模擬電路；第五，內置了RC振蕩電路、撫慰電路；第六，可選擇性I/O引腳可定義為準雙向輸出、互補推挽、漏極開路、高阻輸入4中方式之一，簡化了外部接口電路的設計；第七，增加了CPU始終分頻器，可實事調整CPU的始終頻率；第八，系統(tǒng)功耗低；第九，強化了電磁兼容性設計；第十，內置定時復位（Watchdog）監(jiān)控電路及電源電壓監(jiān)控電路，提高了應用系統(tǒng)的可靠性；第十一，封裝形式多樣化。由于其功能齊全，片內數據存儲器容量大，帶有可編程陣列，使用靈活，電磁兼容性好，能夠很好地實現本儀器的測量和控制要求。最后我選擇了MCS-51這個比較常用的單片

18、機來實現系統(tǒng)的功能要求。MCS-51內部帶有8KB的程序存儲器，基本上已經能夠滿足我們的需要。2.2數據采集部分的選擇電子秤的數據采集部分主要包括稱重傳感器、處理電路電路，因此對于這部分的論證主要分兩方面。2.2.1 傳感器的選擇 在設計中,傳感器是一個十分重要的元件,因此對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,還有考慮到與其相配置的各種電路的設計的難以程度和設計性價比等等.傳感器量程的選擇可依據秤的最大稱量值、選用傳感器的個數、秤體的自重、可能產生的最大偏載及動載等因素綜合評價來確定。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準確度就越高。但在實際使用時，由

19、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、偏載及振動沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。傳感器量程的計算公式是在充分考慮到影響秤體的各個因素后，經過大量的實驗而確定的。其公式如下：CK0×K1×K2×K3×(WmaxW)/N （2.1）C單個傳感器的額定量程；W秤體自重；Wmax被稱物體凈重的最大值；N秤體所采用支撐點的數量；K0保險系數，一般取值在1.21.3之間；K1沖擊系數；K2秤體的重心偏移系數；K3風壓系數。本設計要求稱重范圍05kg，重量誤差不大于0.01kg，根據傳感器量程計算公式（

20、2.1）可知： C1.25×1×1.03×1×（201.9）1 (2-1)9.01205為保證電子秤稱量結果的準確度，克服傳感器在低量程段線性度差的缺點。傳感器的量程應根據皮帶秤的最大流量來選擇。在實際工作中，要求稱重傳感器的有效量程在20%80%之間，線性好，精度高。重量誤差應控制在±0.01Kg，又考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，根據式2.1的計算結果，所以我們確定傳感器的額定載荷為7.5Kg，允許過載為150%F.S，精度為0.05%，最大量程時誤差0.01kg，可以滿足本系統(tǒng)的精度要求.綜合考慮,本設計采用SP2

21、0C-G501電阻應變式傳感器,其最大量程為7.5 Kg.稱重傳感器由組合式S型梁結構及金屬箔式應變計構成，具有過載保護裝置。由于惠斯登電橋具諸如抑制溫度變化的影響，抑制干擾，補償方便等優(yōu)點，所以該傳感器測量精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛用于各種結構的動、靜態(tài)測量及各種電子秤的一次儀表。該稱重傳感器主要由彈性體、電阻應變片電纜線等組成，其工作原理如圖2-2所示： 圖2-2稱重傳感器原理圖表2-1 壓力傳感器主要技術指標準確度等級 Accuracy class C3 0.02 0.03 額定載荷Rated load kg 1、2.5、5、7.5、10、15 靈敏度 Sensitivit

22、y mV/V 1.8±0.08 非線性 Nonlinearity %F.S. ±0.02 滯后 Hysteresis 0.02 重復性 Repeatability 0.02 蠕變 Creep %F.S./30min ±0.02 蠕變恢復 creep recovery 零點輸出 Zero balance %F.S. ±1 零點溫度系數 Zero temperature coefficient %F.S./10 ±0.02 額定輸出溫度系數Rated output temperature coefficient 輸入電阻 Input resista

23、nce 415445 輸出電阻 Output resistance 349355 絕緣電阻 Insulation resistance M 5000 供橋電壓 Supply voltage V 12（DC/AC） 溫度補償范圍 Temperature compensation range -10+50 允許溫度范圍 Safe temperature range -20+60 允許過負荷 Safe overload %F.S. 120 極限過負荷 Ultimate overload %F.S. 200 四角誤差 Four corner error %F.S. 0.03 連接電纜Connect c

24、able mm 3.8×300 接線方式 Method of connecting wire 輸入 Input（+）: Red 輸入 Input（-）:White 輸出Output（+）:Green 輸出Output（-）:Blue 屏蔽 Shield : Yellow 其測量原理：用應變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流的變化。由于內部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產生變形時，輸出信號電壓可由下式給出： （2-2）上式說明電橋的輸出電壓V和四個橋臂的應變片感受的應變量的代數和成正比。2

25、.2.2放大電路選擇 稱重傳感器輸出電壓振幅范圍020mV。而A/D轉換的輸入電壓要求為02V，因此放大環(huán)節(jié)要有100倍左右的增益。對放大環(huán)節(jié)的要求是增益可調的（70150倍），根據本設計的實際情況增益設為100倍即可，零點和增益的溫度漂移和時間漂移極小。按照輸入電壓20mV，分辨率20000碼的情況，漂移要小于1µV。由于其具有極低的失調電壓的溫漂和時漂（±1µV），從而保證了放大環(huán)節(jié)對零點漂移的要求。殘余的一點漂移依靠軟件的自動零點跟蹤來徹底解決。穩(wěn)定的增益量可以保證其負反饋回路的穩(wěn)定性，并且最好選用高阻值的電阻和多圈電位器。由2.2.1中稱重傳感器的稱量原理

26、可知，電阻應變片組成的傳感器是把機械應變轉換成R/R，而應變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應變片電阻值120，靈敏系數 K=2，彈性體在額定載荷作用下產生的應變?yōu)?000，應變電阻相對變化量為：R/R = K×= 2×1000×106 =0.002 （2-3）由式2-3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量，又不便直接處理。因此，必須采用轉換電路，把應變計的R/R變化轉換成電壓或電流變化，但是這個電壓或電流信號很小，需要增加增益放大電路來把這個電壓或電流信號轉換成可以被A/D轉換芯片接收的信號。在前級處理電

27、路部分，我們考慮可以采用以下幾種方案：方案一、利用普通低溫漂運算放大器構成前級處理電路；普通低溫漂運算放大器構成多級放大器會引入大量噪聲。由于A/D轉換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此種方案不宜采用。方案二、主要由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器，而構成的前級處理電路；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。其設計電路如圖2-3所示：方案（三）：采用專用儀表放大器，如：INA126，INA121等構成前級處理電路。下面舉例用INA128儀用儀表放大器來實現。 圖2-3利用普通運放設計的差動放大器一般

28、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)的電路設計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：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，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，這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時的共模抑制比不可能很高。有學者試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網絡）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進入飽和狀態(tài)，但由于信號源的內阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網絡）使等共模干擾轉變?yōu)椴钅８蓴_，結果適得其反，嚴重地損害了

29、放大器的性能。 為了實現信號的放大，設計電路如2-4所示： 圖2-4 采用INA128設計的放大電路1. 前級采用運放A1和A2組成并聯型差動放大器。理論上不難證明，在運算放大器為理想的情況下，并聯型差動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，在理論上并聯型差動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。 2 阻容耦合電路放在由并聯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，這樣可為后級儀器放大器提高增益，進而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，同時又采用共模驅動技術，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數不對稱

30、（匹配）導致的共模干擾轉換成差模干擾的情況發(fā)生。 3. 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，進而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： (2-4)式中：CMRTotal或CMRRTotal放大器的總共模抑制比；CMR1第一級放大器的共模抑制比；CMR2或CMRR2第二級放大器的共模抑制比；A1d、A1c、A2d和A2c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。 經過實際測量，圖2-4所示的電路采用圖中所給出的參數時，電路的共模抑制比在120dB以上。有以上分析以及基于電子秤

31、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。2.2.3 A/D轉換器的選擇 A/D轉換部分是整個設計的關鍵，這一部分處理不好，會使得整個設計毫無意義。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)缺點并能滿足不同的具體應用要求。目前， ADC集成電路主要有以下幾種類型：（1）并行比較A/D轉換器：如ADC0808、 ADC0809等 。并行比較ADC是現今速度最快的模/數轉換器，采樣速率在1GSPS以上，通常稱為“閃爍式”ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器

32、及編碼器四種分組成。這種結構的ADC所有位的轉換同時完成，其轉換時間主取決于比較器的開關速度、編碼器的傳輸時間延遲等。缺點是：并行比較式A/D轉換的抗干擾能力差，由于工藝限制，其分辨率一般不高于8位，因此并行比較式A/D只適合于數字示波器等轉換速度較快的儀器中，不適合本系統(tǒng)。(2） 逐次逼近型A/D轉換器：如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型ADC是應用非常廣泛的模/數轉換方法，這一類型ADC的優(yōu)點：高速，采樣速率可達 1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當低；在分辨率低于12位時，價格較低。缺點：在高于14位分辨率情況下，價格較高；傳感器產生的信號在進行模/數轉換之前需要進行調理

33、，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。(3）積分型A/D轉換器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，是應用比較廣泛的一類轉換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔內利用計數器對時鐘脈沖進行計數，從而實現A/D轉換。積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計數器來確定，因此所得到的表達式與時鐘頻率無關，其轉換精度只取決于參考電壓VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。若把積分器定時積分的時間取為工頻信號的整數倍，

34、可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而有效地抑制電網的工頻干擾。這類ADC主要應用于低速、精密測量等領域，如數字電壓表。其優(yōu)點是：分辨率高，可達22位；功耗低、成本低。缺點是：轉換速率低，轉換速率在12位時為100300SPS。     (4 ）壓頻變換型ADC：其優(yōu)點是：精度高、價格較低、功耗較低。缺點是：類似于積分型ADC，其轉換速率受到限制，12位時為100300SPS。 考慮到本系統(tǒng)中對物體重量的測量和使用的場合，精度要求不是很苛刻，轉換速率要求也不高，而雙積分型A/D轉換器精度高，具有精確的差分輸入，重要的是輸入阻抗高（大于），可自動調零，有

35、超量程信號輸出，全部輸出于TTL電平兼容。且雙積分型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較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。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(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。 根據系統(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A/D轉換器AD5742.2.4 鍵盤處理部分方案論證 由于電子秤需要設置單價（十個數字鍵），還具有確認、刪除等功能，總共需設置17個鍵（包括一個復位鍵）。鍵盤的擴展有使用以下方案：采用矩陣式鍵盤：矩陣式鍵盤的特點是把檢

36、測線分成兩組，一組為行線，一組列線，按鍵放在行線和列線的交叉點上。圖2-5給出了一個4×4的矩陣鍵盤結構的鍵盤接口電路，圖中的每一個按鍵都通過不同的行線和列線與主機相連這。4×4矩陣式鍵盤共可以安裝16個鍵，但只需要8條測試線。當鍵盤的數量大于8時，一般都采用矩陣式鍵盤。 圖2-5 矩陣式鍵盤結合本設計的實際要求，16個按鍵使用4×4矩陣式鍵盤，另外一個復位鍵使用獨立式按鍵實現。2.3顯示電路部分的選擇 數據顯示是電子秤的一項重要功能，是人機交換的主要組成部分，它可以將測量電路測得的數據經過微處理器處理后直觀的顯示出來。數據顯示部分可以有以下兩種方案供選擇。的組成

37、有以下兩種方案可供選擇：一是 LED數碼管顯示,二是LCD液晶顯示兩種選擇.第三章 硬件電路設計 3.1 總體規(guī)劃 該系統(tǒng)采用應變片式傳感器進行測量，得出模擬信號；再進行放大，然后送入單片機進行模數轉換處理和數據處理。由一塊MCS-51單片機、時鐘電路、蜂鳴器電路、復位電路、主機接口模塊、按鍵與顯示模塊組成。單片機16個按鍵輸入LCD顯示器位碼驅動電路時鐘電路復位電路LCD顯示器段碼驅動電路10位LCD顯示器電路蜂鳴器電路 圖3-1 硬件電路設計框圖 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會產生電信號，受到不同壓力或拉力是產生的電信號也隨著變化，

38、而且力與電信號的關系一般為線性關系。 由于稱重傳感器一般的輸出范圍為020mV，對A/D轉換或單片機的工作參數來說不能使A/D轉換和單片機正常工作，所以需要對輸出的信號進行放大。由于傳感器輸出的為模擬信號，所以需要對其進行A/D轉換為數字信號以便單片機接收。單片機根據稱重傳感器輸出的電信號和速度傳感器輸出的速度信號計算出物體的重量。在本系統(tǒng)中，硬件電路的構成主要有以下幾部分： MCS-51的最小系統(tǒng)構成、主控制電路、傳感器放大電路、顯示電路等。3.2 MCS-51的最小系統(tǒng)構成 MCS-51單片機的構成以及各個引腳的功能，各個引腳接口位置等，都將在本節(jié)中有所介紹。3.2.1單片機芯片MCS-5

39、1介紹單片機采用MCS-51系列單片機。由ATMEL公司生產的MCS-51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Philips 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得MCS-51為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。 MCS-51具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16 位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路?？臻e

40、模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。而且，它還具有一個看門狗（WDT）定時/計數器，如果程序沒有正常工作，就會強制整個系統(tǒng)復位，還可以在程序陷入死循環(huán)的時候，讓單片機復位而不用整個系統(tǒng)斷電，從而保護你的硬件電路。MCS-51有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可

41、反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。其芯片引腳圖如下圖3-2所示： 圖3-2 MCS-51引腳圖 3.2.2.單片機管腳說明 VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，

42、P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和

43、控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為MCS-51的一些特殊功能口，如下表3-1所示：表3-1 P3.0口引腳功能表P3口引腳第二功能P3.0RXD（串行口輸入）P3.1TXD（串行口輸出）P3.2INT0（外部中斷0輸入）P3.3INT1（外部中斷1輸入）P3.4T0（定時器0外部脈沖輸入）P3.5T1（定時器1外部脈沖輸入）P3.6WR（外部數據存儲器寫脈沖輸出）P3.7RD（外部數據存儲

44、器讀脈沖輸出）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理

45、器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.2.3 MCS-51的最小系統(tǒng)電路

46、構成MCS-51單片機的最小系統(tǒng)由時鐘電路、復位電路、電源電路及單片機構成。單片機的時鐘信號用來提供單片機片內各種操作的時間基準，復位操作則使單片機的片內電路初始化，使單片機從一種確定的初態(tài)開始運行。單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。當MCS-5l系列單片機的復位引腳RST(全稱RESET)出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)

47、復位狀態(tài)。根據應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現復位操作。上電或開關復位要求電源接通后，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)，其中包括使程序計數器PC0000H，這表明程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。系統(tǒng)復位是任何微機系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個控制芯片回到默認的硬件狀態(tài)下。51單片機的復位是由RESET引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個振蕩周期后，51單片機即進入芯片內部復位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到RESET引腳轉為低電平后，才檢查EA引腳是高電

48、平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。3.3 電源電路設計根據設計需要，本系統(tǒng)中需要設計兩種不同級別的電源，即傳感器需要+12V的電源，而系統(tǒng)其他芯片使用的是5V電源?？紤]本次設計的實際要求，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，提高產品的性價比，電源電路的 設計決定采用如下方案圖3-3： 圖3-3 電源電路圖220V的交流電經過變壓器后輸出15V的電壓，經整流濾波電路后， 通過LM7812和LM7905進行DC/DC變換得到12V和+5V、-5V供器和系統(tǒng)的其他芯片使用。在變壓器的原邊加入熔斷保護裝置和MFC網絡，使得系統(tǒng)獲得的電源更穩(wěn)定，效果更好，且電路短路時，熔斷裝置會迅

49、速切斷電源，保護其他電路元件不被損壞，供電電路如圖3-3所示。 3.4 數據采集部分電路設計數據采集部分電路包括傳感器輸出信號放大電路、A/D轉換器與單片機接口電路。3.4.1 傳感器放大電路傳感器放大電路由兩級組成，前級由兩個同相比例運算電路組成，后級是一個差動比例運算電路。傳感器信號首先進過前級進行初步放大，接著進入后級。由于前級的對稱性直接影響后級的共模抑制比，考慮到元件阻值的誤差，R2,R4選用多圈精密可調電阻。為了提高后級對共模信號的抑制，反饋電阻R3也采用精密多圈可調電阻。傳感器放大電路如圖3-4所示。圖3-4 傳感器放大電路3.4.2 顯示電路1602液晶模塊的引腳連線如圖3-5

50、。其中，第1、2腳為液晶的驅動電源；第三腳VL為液晶的對比度調節(jié)，通過在VCC和GND之間接一個10K多圈可調電阻，中間抽頭接VL，可實現液晶對比度的調節(jié)；液晶的控制線RS、R/W、E分別接單片機的P0.5、P0.6、P0.7；數據口接在單片機的P2口；BL+、BL-為液晶背光電源。圖3-5 1602液晶模塊的接線圖1602液晶模塊的初始化過程：延遲15ms寫指令38H（不檢測忙信號）延遲5ms寫指令38H（不檢測忙信號）延遲5ms寫指令38H（不檢測忙信號）（以后每次寫指令、讀/寫數據操作之前均需檢測忙信號）寫指令38H：顯示模式設置寫指令08H：顯示關閉寫指令01H：顯示清屏寫指令06H：

51、顯示光標移動設置寫指令0CH：顯示開及光標設置1602液晶模塊的讀操作時序如圖3-6所示: 圖3-6 1602液晶模塊的讀操作時序1602液晶模塊的寫操作時序如圖3-7所示: 圖3-7 1602液晶模塊的寫操作時序3.4.3 測量算法 A/D轉換結果D與被測量x存在以下關系： （3-1）式中：S傳感器及其測量電路的靈敏度（即被測量X轉換成電壓U的轉換系數） K放大器的放大倍數 A/D轉換器滿量程輸入電壓 A/D轉換器滿量程輸出數字而被測量X總是以其測量數字N和測量單位x1表示 （3-2）將式（3-2）代入（3-1）得 （3-3）由上式可見只要滿足以下條件 （3-4）就可以使A/D轉換結果D與被

52、測量x的數值N相等，即D=N，在這種情況下將A/D轉換結果作為被測量的數值傳送到顯示器顯示出來。3.5鍵盤電路與MCS-51單片機接口電路設計矩陣式鍵盤的結構與工作原理： 在鍵盤中按鍵數量較多時，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，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如P1口）就可以構成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成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，在需要的鍵數比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。矩陣式鍵盤的按鍵識

53、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 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別方法，如上圖所示鍵盤，介紹過程如下。判斷鍵盤中有無鍵按下 將全部行線Y0-Y3置低電平，然后檢測列線的狀態(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 在確認有鍵按下后，即可進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，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列

54、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、十個數字及確認和清除鍵。采用中斷工作方式提高了CPU的利用效率，沒鍵按下時沒有中斷請求，有鍵按下時，向CPU提出中斷請求，CPU響應后執(zhí)行中斷服務程序，在中斷程序中才對鍵盤進行掃描。下圖就是鍵盤電路與MCS-51單片機接口電路圖。圖3-8 鍵盤電路與MCS-51單片機接口電路圖 第四章 系統(tǒng)軟件設計 程序設計是一件復雜的工作，為了把復雜的工作條理化，就要有相應的步驟和方法。其步驟可概括為以下三點： 分析系統(tǒng)控制要求，確定算法：對復雜的問題進行具體的分析，找出合理的計算方法及適當的數據結構，從而確定編寫程序的步驟。