數(shù)字式電子秤.doc

西華大學課程設(shè)計說明書 1前言稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個領(lǐng)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(shè)、科學研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的提高。稱重裝置不僅是提供重量數(shù)據(jù)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(chǎn)的自動化和管理的現(xiàn)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(chǎn)品質(zhì)量以及加強企業(yè)管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。稱重裝置的應用已遍及到國民經(jīng)濟各領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟效益。因此，稱重技術(shù)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(shù)的滲入推動了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現(xiàn)機電結(jié)合式電子衡器以來，經(jīng)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(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型?，F(xiàn)今電子衡器制造技術(shù)及應用得到了新發(fā)展。電子稱重技術(shù)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(shù)字測量發(fā)展；測量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)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(chǎn)品的發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)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。2整體方案設(shè)計2.1方案設(shè)計本設(shè)計整體思路：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重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力電效應，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系(一般成正比關(guān)系)的電信號。然后通過系列轉(zhuǎn)換，輸出顯示結(jié)果方案一：利用單片機，實現(xiàn)稱重、顯示、報警等功能。傳感器 放大電路A/D轉(zhuǎn)換器 單片機顯 示鍵盤報警圖2.1方案一框圖方案二：直接使用放大系統(tǒng)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器顯示。傳感器放大系統(tǒng)A/D顯示切換量程 圖2.2方案二框圖 2.2 方案比較方案一中利用電阻應變片式傳感器采集因壓力變化產(chǎn)生的電壓信號，經(jīng)過電壓放大電路放大，濾波，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后把數(shù)字信號送入單片機，單片機經(jīng)過相應的處理后，得出當前所稱物品的重量及總額，然后再顯示出來。方案二中較為簡單，但實現(xiàn)功能較差，不容易達到設(shè)計精度要求。2.3 方案選擇綜上所述,本課題的主要設(shè)計思路是：利用電阻應變片式傳感器采集因壓力變化產(chǎn)生的電壓信號，經(jīng)過電壓放大電路放大，濾波，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后把數(shù)字信號送入單片機，單片機經(jīng)過相應的處理后，得出當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)定所稱物品的價格。這種高精度智能電子秤體積小、計量準確、攜帶方便,集重量稱量功能與價格計算功能于一體,能夠滿足商業(yè)貿(mào)易和居民家庭的使用需求，因此選用方案一作為本設(shè)計的設(shè)計方案。3 系統(tǒng)方案設(shè)計 3.1傳感器的選擇在本設(shè)計中，傳感器是個十分重要的元件，因此對傳感器的選擇也顯得十分重要。不僅要注意其量程和參數(shù)，還要考慮與其相配置的各種電路的設(shè)計的難易程度和設(shè)計性價比等等。3.1.1 稱重傳感器的主要性能指標（1）傳感器的輸出靈敏度 傳感器在額定載荷作用下，供橋電壓為1V時的輸出電壓，單位為（mV/V）。在任一載荷下，傳感器的輸出電壓 =所加載荷 * 供橋電壓 * 輸出靈敏度/額定載荷。（2）非線性傳感器承受載荷與其相應輸出電壓之間并非成完全的線性關(guān)系，由此而造成的誤差稱為傳感器的非線性誤差。（3）不重復性在同一環(huán)境條件下，對傳感器反復施加某載荷時，其每次輸出的電壓值不盡相同，這種現(xiàn)象稱為傳感器的不重復性。（4）零點不平衡輸出在傳感器不受任何載荷條件下，傳感器輸入端以額定的供橋電壓時的輸出電壓，稱為零點不平衡輸出。3.1.2 稱重傳感器的選擇主要從以下幾個方面考慮（1）要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境情況傳感器所處的工作環(huán)境情況對如何選用傳感器是至關(guān)重要的，它關(guān)系到傳感器能否正常的工作，關(guān)系到傳感器的安全和使用壽命，乃至關(guān)系到整個電子秤的可靠性和安全性。（2）對傳感器數(shù)量和量程的選擇傳感器數(shù)量的選擇是根據(jù)電子秤的用途、秤體需要支撐的點數(shù)（支撐點數(shù)應根據(jù)使秤體幾何重心和實際重心重合的原則而確定）而定。一般來說，秤體有幾個支撐點就選用幾只傳感器。 （3）傳感器準確度等級的選擇傳感器的準確度等級概括了傳感器的非線性、蠕變、蠕變恢復、滯后、重復性、靈敏度等技術(shù)指標。稱重傳感器已按準確度等級劃分，且已考慮了0.7倍誤差因子，非自動衡器稱重傳感器的準確度等級要選擇與電子秤相對應的準確度等級。稱重傳感器按綜合性能分為A、B、C、D四個準確度等級，分別對應于衡器、四個準確度等級。 綜合考慮,本設(shè)計采用電阻應變式傳感器,其最大量程為5 Kg.稱重傳感器由組合式S型懸梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應變計構(gòu)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(jié)構(gòu)的動、靜態(tài)測量。該稱重傳感器主要由彈性體、電阻應變片電纜線等組成。電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，把電阻應變片粘貼在彈性敏感元件上，以適當方式組成的將力轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。電阻應變效應，即金屬絲在受到應力作用時，其電阻隨著所發(fā)生機械變形(拉伸或壓縮)的大小而發(fā)生相應的變化。電阻應變效應的理論公式如下: R=L/S （式3.1.1）式中：為電阻率，L為金屬絲的長度，S金屬絲的截面積由上式可知，金屬絲在承受應力而發(fā)生機械變形的過程中，、L、S三者都要發(fā)生變化，從而必然會引起金屬絲電阻值的變化。當受外力伸張時，長度增加，截面積減小，電阻值增加；當受壓力縮短時，長度減小，截面積增大，電阻值減小。因此，只要能測出電阻值的變化，便可知金屬絲的應變情況。這種轉(zhuǎn)換關(guān)系為：R/R=K （式3.1.2）式中: R/R為金屬絲電阻值的變化量，K為金屬材料的應變靈敏系數(shù),它主要由試驗方法確定,且在彈性極限內(nèi)基本為常數(shù)值，為金屬材料的軸向應變值,即=L/L,因此又稱為長度應變值,對金屬絲而言。在實際應用中，將金屬電阻應變片粘貼在傳感器彈性元件或被測機械零件的表面。當傳感器中的彈性元件或被測機械零件受作用力產(chǎn)生應變時，粘貼在其上的應變片也隨之發(fā)生相同的機械變形，引起應變片電阻發(fā)生相應的變化。電阻應變片式傳感器主要有兩部分組成：彈性敏感元件，利用它將被測的重量轉(zhuǎn)換為彈性體的應變值；另一個是電阻應變片，它作為傳感器元件將彈性體應變同步的轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。電阻應變片是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(jié)合彈性元件構(gòu)成力學量傳感器。電阻應變片把機械應變信號轉(zhuǎn)換為R/R后，由于應變量及相應電阻變化一般都很微小，常規(guī)的電阻應變片K值很小，約為2，機械應變度約為0.0000010.001，所以，電阻應變片的電阻變化范圍為0.00050.1歐姆。所以測量電路應當能精確測量出很小的電阻變化，在電阻應變傳感器中做常用的是橋式測量電路。橋式測量電路有四個電阻，其中任何一個都可以是電阻應變片電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓e，另一個對角線為輸出電壓V。其特點是：當四個橋臂電阻達到相應的關(guān)系時，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計來測量，所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。圖 3.1 電阻應變式傳感器圖3.2 電阻式應變稱重傳感器結(jié)構(gòu)圖圖 3.3 橋式測量電路如圖3.3 R3、R5、R6、R7為4個應變片電阻，組成了橋式測量電路，R3,R4為溫度補償電阻，e為激勵電壓，V為輸出電壓。若不考慮R3,R4，在應變片電阻變化以前，電橋的輸出電壓為：V=R1/(R1+R2)-R4/(R3+R4)e （式3.1.3）由于橋臂的起始電阻全等，即R3=R5=R6=R7=R,所以V=0。當應變片的電阻變成R+R3、R+R5、R+R6、R+R7時，電橋的輸出電壓為:V=(R+R3)/(R+R3+R+R6)-(R+R5)/(R+R5+R+R7)e（式3.1.4）也就是說，電橋的輸出電壓與每個橋臂電阻變化率的代數(shù)和成正比。如果四個橋臂應變片的靈敏系數(shù)相同，且R/R=K，則上式又可寫為：V=eK/4（3 5 +6 7） （式3.1.5）上式表明，電橋的輸出電壓和四個轎臂的應變片所感受的應變量的代數(shù)和成正比。在電阻應變式稱重傳感器中，4個應變片分別貼在彈性梁的4個敏感部位，傳感器受力作用后發(fā)生變形。在力的作用下，R3、R6被拉伸，阻值增大，R3、R6正值，R5、R7被壓縮，阻值減小，R5、R7為負值。再加之應變片阻值變化的絕對值相同。因此，V=（Ek/4）*4=eK。若考慮R3，則電橋的輸出電壓為：V=（R+R）/2R-(R-R)/2R R/(R+2R3) e =R/（R+2R3）（R/R）e =R/(R+2R3)( R/R )e =R/(R+2R3)Ke令Su=V/e，則Su=R/(R+2R3)K （式3.1.6）Su稱為傳感器系數(shù)或傳感器輸出靈敏度。電阻應變片也會有誤差，產(chǎn)生的因素很多，所以測量時我們一定要注意，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：A. 電阻絲溫度系數(shù)引起的。B. 電阻絲與被測元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。對于因溫度變化對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應變片，也會因應變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進行溫度補償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當溫度系數(shù)的自動補償電阻，并從外部對它加以適當?shù)难a償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計決定，通過線性補償，也可得到改善。 滯后和蠕變是關(guān)于應變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。3.2放大電路的選擇經(jīng)由傳感器轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行信號轉(zhuǎn)換。為此，測量電路中常設(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(nèi)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(nèi)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(nèi)有穩(wěn)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(diào)整、方便準確的量程切換、極性自動變換等。3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路的選擇 在實際的測量和控制系統(tǒng)中檢測到的常是時間、數(shù)值都連續(xù)變化的物理量，這種連續(xù)變化的物理量稱之為模擬量，與此對應的電信號是模擬電信號。模擬量要輸入到單片機中進行處理，首先要經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，單片機才能接收、處理。實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的部件稱A/D轉(zhuǎn)換器。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和電子計算機技術(shù)在工程領(lǐng)域的廣泛應用，為滿足各種不同的檢測及控制任務(wù)的需要，大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換電路不斷產(chǎn)生。目前世界上有多種類型的ADC，有傳統(tǒng)的積分型、并行、逐次逼近型ADC，壓頻變換型ADC，也有近年來發(fā)展起來的型和流水線型。多種類型的ADC各有其優(yōu)缺點并能滿足不同的具體要求。3.3.1 ADC集成電路幾種類型 （1）并行比較A/D轉(zhuǎn)換器：如ADC0808、 ADC0809等 。并行比較ADC是現(xiàn)今速度最快的模/數(shù)轉(zhuǎn)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、緩沖器及編碼器四種分組成。這種結(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換同時完成，其轉(zhuǎn)換時間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時間延遲等。缺點是：并行比較式A/D轉(zhuǎn)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(shù)字示波器等轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器：如：ADS7805、ADS7804、ADC0832等。逐次逼近型ADC是應用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)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?shù)?；在分辨率低?2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(chǎn)生的信號在進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要進行調(diào)理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。(3）積分型A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)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(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)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(shù)器來確定，因此所得到的表達式與時鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)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(shù)倍，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(wǎng)的工頻干擾。這類ADC主要應用于低速、精密測量等領(lǐng)域，如數(shù)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(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率受到限制，12位時為100300SPS。3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標性能指標是選用ADC芯片型號的依據(jù)，也是衡量芯片質(zhì)量的重要參數(shù)，ADC的主要性能指標主要有以下幾個：（1）分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。定義為滿刻度電壓與2 （n ）之比值，其中n為ADC的位數(shù)。例如，A/D轉(zhuǎn)換器AD574的分辨率為12位，即該轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)可以用2 （12） 個二進制數(shù)進行量化，其分辨率為1LSB。用百分數(shù)來表示分辨率為：1/2 （12） 100 % = （1/4096）100 % 0.024414 % 0.0244 %。當轉(zhuǎn)換位數(shù)相同、而輸入電壓的滿量程值VFS不同時，可分辯的最小電壓值不同。例如，分辨率為12位，VFS = 5V時，可分辨的最小電壓是1.22 mV；而VFS = 10V時 ，可分辨的最小電壓是2.44 mV，當輸入電壓的變化低于此值時，轉(zhuǎn)換器不能分辨。例如，4.999 5V所轉(zhuǎn)換的數(shù)字量均為4095。輸出為BCD碼的A/D轉(zhuǎn)換器一般用位數(shù)表示分辨率，例如MC14433雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為3（1/2）位。滿度字位為1999，用百分數(shù)表示分辨率為：（1/1999）100 % =0.05 %（2）量化誤差在不計其它誤差的情況下，一個分辨率有限的ADC的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉(zhuǎn)移特性曲線之間的最大偏差，稱為量化誤差。（3）偏移誤差輸入信號為零時，輸出信號不為零的值。（4）滿刻度誤差是指滿刻度輸出數(shù)碼所對應的實際輸入電壓與理想輸入電壓之差。（5）線性度有時又稱為非線性度，是指轉(zhuǎn)換器實際的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。（6）絕對精度在一個變換器中，任何數(shù)碼所對應的實際模擬電壓與其理想的電壓值之差并非是一個常數(shù)，把這個差的最大值定義為絕對精度。（7）相對精度把絕對精度中的最大偏差表示為滿刻度模擬電壓的百分數(shù)。3.3.3 電子秤A/D轉(zhuǎn)換器的選用電子秤作為法定的計量器具，其技術(shù)指標、穩(wěn)定性、可靠性都有嚴格的要求，必須符合國家的標準，因此，在設(shè)計時對于器件的選擇不僅要考慮成本，更要的還要考慮電路的穩(wěn)定性、實用性?？紤]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(zhuǎn)換速率要求也不高，根據(jù)系統(tǒng)的精度要求以及綜合的分析，本設(shè)計采用了ADC0832。ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辯可達256級，可適應一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32us，具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。芯片接口說明： CS 片選使能，低電平芯片使能。 CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。 CHI 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。 GND 芯片參考0電位（地）。DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。 DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。 CLK 芯片時鐘輸入。 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用）。 圖 3.4 ADC0832 引腳圖3.4 單片機的選擇在眾多的51系列單片機中，要算 ATMEL 公司的AT89C51、AT89S51更實用，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為 ATMEL AT89xx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機內(nèi)的程序還可以進行加密，這又很好地保護了我們的勞動成果。 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51單片機特點能與MCS-51 兼容，有 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命能夠達到1000寫/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)可以保留時間長達10年，全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz，三級程序存儲器鎖定，128*8位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，兩個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。所以AT89C51符合本次設(shè)計的主控芯片。AT89C51單片機引腳功能：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門電流。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(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/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(nèi)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(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)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(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)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(nèi)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AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0RXD（串行輸入口） P3.1TXD（串行輸出口） P3.2/INT0（外部中斷0） P3.3/INT1（外部中斷1） P3.4T0（記時器0外部輸入） P3.5T1（記時器1外部輸入） P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 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(shù)據(jù)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。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 圖 3.5 AT89C51 引腳圖 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(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /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(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)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(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.5 鍵盤的選擇鍵盤輸入是人機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。操作者通過鍵盤向系統(tǒng)發(fā)送各種指令或置入必要的數(shù)據(jù)信息。鍵盤是由若干個按鍵開關(guān)組成，鍵的多少根據(jù)單片機應用系統(tǒng)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(guān)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(tǒng)來說鍵盤接口信號是輸入信號。 矩陣式鍵盤又叫行列式鍵盤。用I/O口線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。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，一個端口就可以構(gòu)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(shù)越多，區(qū)別越明顯，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，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。因此，在按鍵數(shù)量較多時，可以節(jié)省I/O口線。相對于專用芯片式可以節(jié)省成本，且更為靈活。 3.6 顯示器的選擇LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。在單片機系統(tǒng)中應用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：1、顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。2、數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。3、體積小、重量輕、功耗低：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。由于本次設(shè)計的顯示模塊需要顯示多位數(shù)字，如果采用數(shù)碼管顯示的話將會占用多個單片機I/O口,使得電路變得更為復雜。所以選用液晶顯示。圖3.6 LCD顯示3.7 報警系統(tǒng)的選擇智能儀器一般都具有報警和通訊功能，報警主要用于系統(tǒng)運行出錯、當測量的數(shù)據(jù)超過儀表量程或者是超過用戶設(shè)置的上下限時為提醒用戶而設(shè)置。在本系統(tǒng)中，設(shè)置報警的目的就是在超出電子秤測量范圍時，發(fā)出聲光報警信號，提示用戶，防止損壞儀器。超限報警電路是由單片機的I/O口來控制的，當稱重物體重量超過系統(tǒng)設(shè)計所允許的重量時，通過程序使單片機的I/O值為高電平，從而三極管導通，使蜂鳴器SPEAKER發(fā)出報警聲，同時使報警燈D1發(fā)光。 4硬件電路的設(shè)計在本系統(tǒng)中用于稱量的主要器件是電阻應變片式傳感器，傳感器在受到壓力或拉力時會產(chǎn)生電信號，受到不同壓力或拉力時產(chǎn)生的電信號也隨著變化，而且力與電信號的關(guān)系一般為線性關(guān)系。由于稱重傳感器一般的輸出范圍為020mV，對A/D轉(zhuǎn)換或單片機的工作參數(shù)來說不能使A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便單片機接收。單片機根據(jù)傳感器輸出的電信號計算出物體的重量。在本系統(tǒng)中，硬件電路的構(gòu)成主要有以下幾部分： AT89C51的最小系統(tǒng)構(gòu)成、數(shù)據(jù)采集、人-機交換電路等。單 片 機復位電路時鐘電路按鍵接口電路A/D轉(zhuǎn)換接口電路LCD顯示電路報警電路橋式電路放大電路圖4.1 電子秤硬件電路構(gòu)成圖AT89C51的最小系統(tǒng)電路構(gòu)成：AT89C51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(gòu)成。單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種操作的時間基準，復位操作則使單片機的片內(nèi)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(nèi)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)，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。當單片機的復位引腳RST出現(xiàn)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)復位狀態(tài)。上電或開關(guān)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(guān)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(shù)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(nèi)部復位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到RESET引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。4.1 橋式電路與放大電路接口設(shè)計圖4.2 橋式電路與放大電路的接口電路當放物品時，RV3，RV6同時增加，RV5，RV7同時減小，R3，R4為溫度補償電阻，R9接信號的負輸入端，形成負反饋電路，RV4調(diào)節(jié)反饋系數(shù)，VOLTS為電壓檢測表，可用于檢測電路的調(diào)零。4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路與AT89C51單片機接口電路的設(shè)計根據(jù)芯片管腳的原理，無論啟動、轉(zhuǎn)換還是結(jié)果輸出，都要保證D0，D1端為高電平，所以可以將單片機的/RD引腳和/WR端通過與非門與ADC0832的D0，D1端連接起來。轉(zhuǎn)換結(jié)果分高8位、低4位與P0口相連，分兩次讀入，所以12/-8端接地。同時，為了使CS、A0、R/-C在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時保持相應的電平，可以將來自單片機的控制信號經(jīng)鎖存后再接入。CPU可采用中斷、查詢或者程序延時等方式讀取AD0832的轉(zhuǎn)換結(jié)果，本設(shè)計采用中斷方式，則將轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)STS端接到P3.2（外部中斷/INT0）。其工作過程如下：A.當單片機執(zhí)行對外部數(shù)據(jù)存儲器的寫指令，并使CE=1，/CS=0，R/-C=0，A0時，進行12位A/D轉(zhuǎn)換啟動。B.CPU等待STS狀態(tài)信號送P3.2口，當STS由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，就表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機通過分兩次讀外部數(shù)據(jù)存儲器操作，讀取12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。C.當CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=0時，讀取高8位；當CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=1時，讀取低4位。圖4.3 A/D 轉(zhuǎn)換與單片機的接口電路4.3 顯示電路與單片機接口的設(shè)計圖3.4 顯示電路與單片機的接口電路在LCD驅(qū)動時，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，液晶本身發(fā)生劣化。液晶驅(qū)動方式包括靜態(tài)驅(qū)動、動態(tài)驅(qū)動等驅(qū)動方式。LCD復位信號通過反相器接到單片機的RESET上，上電復位時將隨單片機同時復位。由于復位后并行口輸出高電平，LCD處于選中狀態(tài)，此時LCD將輸出內(nèi)部狀態(tài)字，將會影響數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)傳輸。4.4 鍵盤電路與單片機接口電路的設(shè)計矩陣式鍵盤的按鍵識別方法 ：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，如下圖所示鍵盤，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，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。圖4.5 鍵盤與單片機的接口電路在本系統(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(shù)字及清除鍵。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(wù)程序，在中斷程序中才對鍵盤進行掃描。A、B、C、D接高4位，1、2、3、4接低4位。4.5 報警電路的設(shè)計圖4.6 報警電路與單片機的接口電路當電路檢測到稱重的物體超過儀器的測量限制時，將產(chǎn)生一個信號給報警電路。使報警電路報警從而提醒工作人員注意，它是由AT89C51的P3.1口來控制的，當超過設(shè)置的重量時（5Kg），通過程序使P3.1口值為高電平，從而使三極管導通，報警電路接通，使蜂鳴器SPEAKER發(fā)出報警聲，同時使報警燈LED發(fā)光。這一任務(wù)的實現(xiàn)主要靠程序來完成。5軟件部分程序設(shè)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?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而確定編寫程序的步驟。這是能否編制出高質(zhì)量程序的關(guān)鍵。 根據(jù)算法畫流程圖：畫程序框圖可以把算法和解題步驟逐步具體化，以減少出錯的可能性。編寫程序：根據(jù)程序框圖所表示的算法和步驟，選用適當?shù)闹噶钆帕衅饋?，?gòu)成一個有機的整體，即程序。程序數(shù)據(jù)的一種理想方法是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計是對利用到的控制結(jié)構(gòu)類程序做適當?shù)南拗?，特別是限制轉(zhuǎn)向語句的使用，從而控制了程序的復雜性，力求程序的上、下文順序與執(zhí)行流程保持一致性，使程序易讀易理解，減少邏輯錯誤和易于修改、調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)的控制任務(wù)，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由主程序、初始化程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)采集子程序和延時程序等組成。這里采用C語言編輯。5.1 主程序設(shè)計系統(tǒng)上電后，初始化程序?qū)?RAM內(nèi)存單元清零，P3.1引腳置成高電平，防止誤報警。主程序模塊主要完成編程芯片的初始化及按需要調(diào)用各模塊（子程序），在系統(tǒng)初始化過程中，將系統(tǒng)設(shè)置成5Kg量程。設(shè)計流程圖如圖4.1所示。5.2子程序設(shè)計系統(tǒng)子程序主要包括A/D轉(zhuǎn)換啟動及數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計、鍵盤輸入控制程序設(shè)計、顯示程序設(shè)計、以及中斷程序設(shè)計等。5.2.1 A/D轉(zhuǎn)換啟動及數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換子程序主要是指在系統(tǒng)開始運行時，把稱重傳感器傳遞過來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞到單片機所涉及到的程序設(shè)計。設(shè)計流程圖如圖5-2所示。5.2.2顯示子程序設(shè)計 顯示子程序主要是來判斷是否需要顯示,以及如何去顯示,也是十分重要的程序之一。而顯示子程序是其他程序所需要調(diào)用的程序之一，因此，顯示子程序的設(shè)計就顯得舉足輕重，設(shè)計的時候也要十的小心。設(shè)計顯示子程序的流程圖4.3所示：開始標志寄存器R0，R1,R2及顯示計算RAM清零T0，T1，INT0看門狗初始化T1定時，INT0中段報警檢測調(diào)用雙字節(jié)乘法程序（單價*重量）LCD顯示初始化T0開始計數(shù)調(diào)用正常顯示W(wǎng)hileYN送總價顯示RAM中圖5.1 主程序流程圖開 始A/D0832初始化啟動A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)存儲圖5.2 A/D轉(zhuǎn)換啟動及數(shù)據(jù)讀取程序流程圖5.2.3鍵盤掃描子程序的設(shè)計鍵盤電路設(shè)計成4*4矩陣式，由鍵盤編碼方式可以得出0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，+，-，*，/，.，ON/C。在程序中可以先判斷按鍵編碼，然后根據(jù)編碼將鍵盤代表的數(shù)值送到相應的存儲單元，再進行功能選擇或數(shù)據(jù)處理。這種方法是每隔一個時間周期檢測一次按鍵，要連續(xù)兩次都掃描到同一按鍵才能確認這個按鍵被按下。如圖5.4所示。鍵盤輸入LCD初始化字符顯示界面字符顯示調(diào)用LCD顯示原地跳轉(zhuǎn)原地跳轉(zhuǎn)有功能鍵按下輸入完畢有ON/C鍵按下NYNNY圖5.4 鍵盤掃描子程序設(shè)計流程圖顯示總價信息開 始返 回顯示功能按鍵顯示歡迎界面檢測重物有無按鍵NN圖5.3 顯示子程序流程圖5.2.4報警子程序設(shè)計由于要求要鍵盤設(shè)定閾值，所以要求有報警電路，報警電路可以有聲報警也可有光報警，將設(shè)定的閾值與實時顯示的值進行比較，如果設(shè)定值小于實時顯示的值，則將P3.1置為1，將發(fā)光二極管點亮，或使蜂鳴器發(fā)出聲音。這就需要一段比較程序以及一小段置1清0程序。如圖5.5所示。報 警返 回開 始閾值相等？A/D低位大？與閾值相等？A/D高位大？NNNNNYYY圖5.5 報警子程序流程圖6 仿真與調(diào)試調(diào)節(jié)電橋中應變片的阻值大小，顯示器中顯示重量為2.508Kg，鍵盤設(shè)置單價為5元/Kg，按下確認鍵，顯示價格為12.54元。按下ON/C鍵，單價和價格均清零。如圖6.1所示。圖6.1 測量范圍內(nèi)顯示情況當單價為5元不變時，調(diào)節(jié)應變片大小，使重量過大，按下確認鍵時，蜂鳴器發(fā)生持續(xù)報警，同時D1變亮。按下ON/C鍵時，報警結(jié)束，D1變暗。如圖6.2所示圖6.2 超重報警7設(shè)計總結(jié)通過長時間的努力，我基本完成了本次的課程的設(shè)計。通過這次系統(tǒng)的設(shè)計我們收獲很大并且認識了單片機的重要性，是將來搞設(shè)計工作者的容易忽略但是確實很重要的必備技能。所以我們要好好學習它，并能掌握它。課程設(shè)計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時，設(shè)計讓我感觸很深。使我對抽象的理論有了具體的認識。通過這次課程設(shè)計，我掌握了常用元件的識別和測試;熟悉了常用儀器、儀表;了解了電路的連線方法;以及如何提高電路的性能等等。通過這次設(shè)計我更加認識到了學科基礎(chǔ)的重要性。參考文獻【1】 程德福：智能儀器，機械工業(yè)出版社，2009.08【2】 黃正瑾：電子設(shè)計競賽賽題解析，東南大學出版社，2003.05【3】 西華大學：電子技術(shù)實驗指導書，電工電子實驗中心，2007【4】 康華光：電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分） 高等教育出版社，2005【5】 康華光：電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分） 高等教育出版社，2005【6】 謝自美：電子線路設(shè)計 華中科技大學出版社，2006 【7】 陳賾 ：CPLD/FPGA與ASIC設(shè)計實踐教程 科學出版社，2009附錄 1 程序清單#include#include#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define BUSY 0x80 /常量定義#define DATAPORT P0/ADC0832的引腳sbit ADCS =P35; /ADC0832 chip seclectsbit ADDI =P37; /ADC0832 k insbit ADDO =P37; /ADC0832 k outsbit ADCLK =P36; /ADC0832 clock signalsbit LCM_RS=P20;sbit LCM_RW=P21;sbit LCM_EN=P22;uchar ad_data,key;uchar rrr=0xff;uchar alldata12=0;uchar love14;uchar exit=0,yes=0,kind=0,fu=0,pfu=0,position1=0,position2=0;unsigned long data1=0,data2=0,data3=0,ddata=0; /采樣值存儲sbit Alarm_led_red =P30; /超過重量表量程最大值紅色led報警定義sbit Alarm_led_green=P31; /低于零表量程最小值綠色led報警定義/adc采樣值存儲單元char press_data; /標度變換存儲單元unsigned char ad_alarm; /報警值存儲單元unsigned char press_ge=0; /顯示值百位unsigned char press_shifen=0; /顯示值十位unsigned char press_baifen=0; /顯示值個位unsigned char press_qianfen=0; /顯示值十分位uchar code str0=Weight: . 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