(论文)电子称的硬件电路论文(2013年优秀毕业设计论文)

本科毕业设计（论文）题 目： 电子秤控制系统的硬件设计摘 要该设计以51系列单片机AT89S52为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步的设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为最小系统、数据采集、人机交互界面和系统电源四大部分。最小系统部分主要包括AT89S52和扩展的外部数据存储器；数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成，包括运算放大器AD620和A/D转换器ICL7135；人机交互界面为键盘输入和点阵式液晶显示，主要使用ZLG7289键盘控制芯片和OCM4x8C显示器，可以方便的输入数据和直观的显示中文。系统电源以LM317和LM337为核心设计电路以提供系统正常工作电源。软件部分应用单片机C语言进行编程，实现了该设计的全部控制功能。该电子秤可以实现基本的称重功能（称重范围为09.999Kg，重量误差不大于0.005Kg）,并发挥部分的显示购物清单的功能，可以设置日期和设定十种商品的单价， 还具有超量程和欠量程的报警功能。整个系统结构简单，使用方便，功能齐全，精度高，具有一定的开发价值。 关键词：单片机；采样电路；A/D转换器；液晶显示 III本科毕业设计（论文）ABSTRACTThe design is based on the microcontroller AT89S52 system as the core to carry out the basic control function of the electronics steelyard. While designing the system, I adopt the mold piece method to divide the hardware of the system into four parts: the minimum system, sampling circuit, I/O interface and the system power supply. The minimum system mainly includes the AT89S52 and the expanded exterior data memory. Sampling circuit is comprised of a pressure sensor, a differential measuring amplifier AD620 and a A/D converter ICL7135. With the usage of ZLG7289 keyboard control chip and OCM4*8C display, we complete the function of the key board input and the LCD manifestation. The power supply system selects the LM317 and LM337 to design the electric circuit to provide the needed power supply. The software part applies a machine C language to carry out all control function. The electronic steelyard can weigh the scope as 09.999Kgs, and the weigh error margin is no bigger than 0.005Kgs. It also has many other functions, such as displaying the shopping detailed list, setting the date and ten kinds of unit prices of merchandise and overweighing alarm. The whole system is simple, well-found, convenient to use and has high accuracy and certain development value.Key words： microcontroller; sampling circuit; A/D converter; LCD Manifestation目 录 第一章 绪论1 1.1 引言1 1.2选题背景与意义2 1.3 研究现状21.3.1 影响因素2 1.3.2产品质量31.3.3发展方向31.3.4电子秤的智能化31.4 本文的结构4第二章 系统方案的设计52.1 电子秤的设计要求52.1.1 基本要求52.1.2 发挥部分52.1.3 创新部分52.2 系统工作原理及设计基本思路52.2.1 系统工作原理52.2.2 系统设计基本思路62.3 系统总体设计方案比较与论证62.4 单片机的选型82.5 数据采集部分的方案确定92.5.1 传感器92.5.2 前级放大器部分122.5.3 A/D转换器152.6 人机交互部分172.6.1 键盘输入172.6.2 输出显示172.7 系统电源182.8 具体实施方案简介20第三章 系统硬件设计223.1 基于AT89S52的主控电路223.1.1 芯片介绍223.1.2 主控电路263.2 基于ICL7135的前端信号处理电路273.2.1 芯片介绍273.2.2 信号处理电路303.3 人机交互界面333.3.1 键盘控制电路333.3.2 液晶显示电路353.4 系统电源373.4.1 芯片介绍373.4.2 电源电路383.5 报警电路40第四章 软件流程414.1 主程序流程图414.2 主要中断程序流程图42第五章 结论44致谢46参考文献47附录A：英文资料48附录B：英文资料翻译55附录C：原理图62附录D：Pcb板图63附录E：元器件清单64本科毕业设计（论文）第一章 绪 论 1.1 引言质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计量。以后，又采用简单的秤来测定质量。据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。21世纪，电子产品变得越来越丰富，给人们带来了很多很多的方便，其中电子秤成了人们生活中不可缺少的一部分。大大小小的市场电子秤能够完成许多工作，为人们节省了时间，提高了工作效率。在超市里的一台电子秤，它能很精确的称出商品的重量，还能去除皮重，更主要的是，它其中预存了超市里商品的单价，当称出商品的重量后，电子秤马上就能算出价格，不管几种商品都能一一累加，最后列出清单，可以说非常的智能化，而且非常的精确。由此，顾客在购物的时候非常的放心，商家的效益也提高了，所以有了电子秤，顾客买的放心，商家也卖的开心了。本设计就是为了制作这样一种电子秤，它以单片机为核心在实际使用时达到以下要求：1、电子秤称重范围：09.999；重量误差不大于0.005；2、 液晶显示：所称物体重量、10重商品的购物清单等。本设计的控制功能包括基本的称重功能，显示购物清单功能，设置日期和重新设定10种商品的单价功能，还具有超重与欠量程报警功能。由于系统资源丰富，还可以方便的拓展其应用。 我相信通过这次对电子秤控制系统的硬件设计，一定能够学到丰富的知识并对电子产品有更深一层的了解。 1.2 选题背景与意义电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。电子秤的设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。 目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。 1.3 研究现状1.3.1 影响因素随着科技的进步, 对电子秤的要求也越来越高。影响其精度的因素主要有: 机械结构、传感器和数显仪表。在机械结构方面，因材料结构强度和刚度的限制, 会使力的传递出现误差，而传感器输出特性存在非线性, 加上信号放大、模数转换等环节存在的非线性，使得整个系统的非线性误差变得不容忽视。因此，在高精度的称重场合，迫切需要电子秤能在线自动校正系统的非线性。此外，为了保证准确、稳定地显示, 仪器内部分辨率(主要是ADC 的分辨率) 一般要比外部显示分辨率高4 倍以上, 这就要求所采用的ADC 具有足够的转换位数，而采用高精度的ADC，自然增加了系统的成本。1.3.2 产品质量目前市场上主流的电子秤根据使用功能的不同包括以下几个类型：电子天平、电子计数秤、电子计价秤、电子台秤、电子吊钩秤、定量包装秤以及条形码电子秤等。面对种类如此繁多的电子秤，目前市场上存在许多不合格的电子秤产品。不合格问题主要表现在以下三个方面： 1、温度试验项目不符合标准规定；2、湿热试验项目达不到标准要求； 3、抗电脉冲串试验和抗静电放电试验项目不合格。造成产品不合格的原因主要有以下几个方面： 1、 称重传感器的质量不达标，制约了电子秤产品整体质量的提高；2、关键元器件未进行筛选和通电老化，造成电子计价秤质量失控； 3、部分产品设计上抗干扰能力不强；4、产品检验把关不严。面对目前市场上电子秤产品的总体质量不高的局面，除了加强对电子秤产品的日常监督管理之外，还要从根本上推动技术的发展，促进电子秤产品质量的提高，更好地保护消费者的合法权益。1.3.3 发展方向电子秤不仅要向高精度、高可靠方向发展，而且更需向多种功能的方向发展。据悉, 目前电子秤的附加功能主要有以下几种：1、电子秤附加了计算机信息补偿处理装置，可以进行自诊断、自校正和多种补偿计算和处理；2、具有皮重、净重显示等特种功能。电子秤有些已具备了动态称量模式, 即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法, 消除上述的误差；3、 附加特殊的数据处理功能。目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能, 以满足多种使用的要求。今后, 随着电子高科技的飞速发展, 电子秤技术的发展定将日新月异。同时, 功能更加齐全的高精度的先进电子秤将会不断问世, 其应用范围也会更加拓宽。1.3.4 电子秤的智能化电子秤的称重功能是基于微电脑控制芯片处理器这一核心技术来实现的。由于目前在设计电子秤系统时大量地采用集成芯片，因此电子秤系统已经摆脱了以往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展。在此基础上可以实现系统功能的扩展，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。电子秤由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的电子秤有较高的性价比，在很多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。在具体开发电子秤的系统时应该根据用户的客观需要，再结合系统硬件和软件，从而可以开发出一套实际使用价值极大的电子秤系统。目前，随着电子技术的飞速发展，微处理器应用技术的日趋成熟，必将推进基于微处理器为核心的电子秤系统功能的日趋完善，因此多元化智能电子秤具有广泛的应用前景和开发价值！ 1.4 本文的结构 本文以电子秤的研发作为应用背景，对传感器、模数转换、单片机及其接口等技术进行了分析。全文共分为六章，各章的主要内容如下：第一章扼要地介绍了电子秤的概念、特点与相关研究背景； 第二章论证了系统方案，包括对原理的阐述，各种优缺点的比较，属于理论分析部分； 第三章通过对各种芯片的介绍以及对电路功能的分析，对系统硬件进行了描述，给出了单片机的的控制方案；第四章简单介绍了系统软件流程；第五章对整个设计做了总结，归纳了存在的问题和进一步研究的方向。第二章 系统方案的设计电子秤的应用系统是由硬件和软件所组成。硬件指单片机、扩展的存储器、扩展的输入输出设备等部分；软件是各种工作程序的总称。硬件和软件只有紧密配合、协调一致，才能提高系统的性能价格比。从一开始设计硬件时，就应考虑相应软件的设计方法，而软件设计是根据硬件原理和系统的功能要求进行的。2.1 电子秤的设计要求2.1.1 基本要求1、 电子秤称重范围：09.999Kg；重量误差不大于0.005Kg；2、 液晶显示：所称物体重量、10种商品的购物清单等。2.1.2 特色与创新1、使用单片机为控制核心，大大简化了系统的组成构造，且单片机可拓展性强，可以很方便的对系统进行拓展和应用。2、使用键盘输入数据，操作简单，方便。3、中文液晶显示所称量的物品重量，同时还可显示物品的名称，数量，单价，金额和所有物品的总金额。4、具有去皮功能和金额累加计算功能。5、当物品重量超过电子秤量程，即过载情况或者是物品重量小于A/D转换器所能转换的最小精度，即欠量程的时候，具有超重报警功能。 2.2 实验原理及设计基本思路2.2.1 系统工作原理电子秤的工作原理。首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，还需要在传感器与A/D芯片之间加上信号调整电路。2.2.2 系统设计基本思路按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。在扩展功能上，本设计增加了一个过载、欠量程报警提示。 2.3 系统总体设计方案比较与论证在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种：方案一 数码管显示方案结构简图如下图所示： 图2.1 数码管显示方案此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。缺点是：硬件部分简单，虽然可以实现电子秤基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。又因为采用了具有模数转换功能的单片机，系统电路过于简单，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。方案二 在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加外界对单片机内部的数据设定，使电子秤实现称重计价的功能。 结构简图如下图所示：图2.2 带有键盘输入的结构简图此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。方案三 前端信号处理时，选用放大、A/D转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。结构简图如下图所示： 图2.3 LCD显示的方案目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。由于系统需要的按键较多，因此要加一个键盘显示管理芯片（ZLG7289）。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。图2.4 单片机实现方案原理框图方案四 采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心，利用EDA软件编程，下载烧制实现。系统集成于一片Xilinx公司的Spartan系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。采用FPGA测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。从下图中可以看到系统的基本工作流程和各单元电路所用到的核心器件。其中控制器采用Xilinx公司可编程器件FPGA为核心，基于ISE软件平台，采用VHDL编程实现数据处理、LED和LCD驱动、时钟芯片的I2C通讯、键盘控制等模块。 图2.5 电子秤系统的组成结构图FPGA的逻辑容量密度大，集成度高，可大大减少印刷电路板的空间，减低系统功耗，同时还可以提高设计的工艺性和产品的可靠性。虽然以FPGA为核心的电子秤系统很优化，但只有在大规模和超大规模集成电路中其高集成度才能更好得以体现。其主要在PC机接口卡的总线接口、程控交换机的信号处理与接口、雷达声纳系统的成像控制与数字处理、数控机床的测试系统等方面有广泛应用。鉴于本电子秤的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第三种设计方案。2.4 单片机的选型选择单片机型号的出发点有以下几个方面：1、 市场货源系统设计者只能在市场上能够提供的单片机中选择，特别是作为产品大批量生产的应用系统，所选的单片机型号必须有稳定、充足的货源。2、 单片机性能应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标的型号，而且能达到较高的性能价格比。单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。影响性能价格比的因素除单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性能价格比。3、 研制周期在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。AT89S系列单片机是继AT89C系列之后推出的功能更强的新产品。AT89S系列与AT89C系列相比，运算速度有了较大的提高，它的静态工作频率为033MHz，片内集成有双数据指针DPTR、定时监视器(watchdog timer，又称看门狗)、低功耗休闲状态及关电方式、关电方式下的中断恢复等诸多功能，极大地满足了各种不同的应用要求。AT89S52单片机是AT89S系列中的增强型高档机产品，它片内存储器容量是AT89S51的一倍，即片内8KB的Flash程序存储器和256B的RAM。另外，它还增加了一个功能极强的、具有独特应用的16位定时计数器2等多种功能。在工程应用中AT89S52有一显著的优势：不需要烧写器，只借助PC 机的并口输出和极为简单的下载电路，便可将程序通过串行方式写入单片机。并且下载电路可设计在系统中，可以随时修改单片机的软件而不对硬件做任何改动。 由此，通过对目前主流型号的比较，我们最终选择了AT89S52通用的普通单片机来实现系统设计。AT89S52是一种兼容MCS51微控制器，工作电压4.0V到5.5V，全静态时钟0 Hz 到33 MHz，三级程序加密，32个可编程I/O口，2/3个16位定时/计数器，6/8个中断源，全双工串行通讯口，低功耗支持Idle和Power-down模式，Power down模式支持中断唤醒, 看门狗定时器，双数据指针，上电复位标志。我们在外面扩展了32K数据存储器，以满足系统要求。2.5 数据采集部分的方案确定2.5.1 传感器传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。方案一 压电传感器压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。 方案二 电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。 电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为 （2.1）式（2.1）中两极板间的距离； A两平行极板相互覆盖的有效面积；介质的相对介电常数；真空中介电常数。若被测量的变化使式中、A、三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素：（1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。因C太小，故容抗=1/C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率P=C ，C很小，则P也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 方案三 电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。下图为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源E： 图2.6 传感器结构原理图当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。当忽略电源的内阻时，由分压原理有： = （2.2）当满足条件R1R3=R2R4时，即（2.3）=0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡条件。应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。若差动工作，即R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（2.2），则电桥输出为 (2.4) 应变片式传感器有如下特点：（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。（3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。题目要求称重范围09.999Kg，重量误差不大于0.005Kg，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重9.999Kg 。我们选择的是L-PSIII型传感器，量程20Kg，精度为 0.01%，满量程时误差0.002Kg，完全满足本系统的精度要求。2.5.2 前级放大器部分经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求：1、输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。2、抗共模电压干扰能力强。3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。我们考虑了以下几种方案：方案一 利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。方案二 由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器，如下图所示： 图2.7 利用普通运放构成的放大器电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。缺点：此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大。方案三 采用专用仪表放大器，如：AD620，INA126等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。 以AD620为例，内部结构如下图所示：图2.8 AD620的内部等效图接口如下图所示：图2.9 AD620的接口图电路的工作原理：A1、A2工作在负反馈状态，其反向输入端的电压与同相输入端的电压相等。即Rg两端的电压分别为Vin+、Vin-。因此 （2.5）设图（2.8）中电阻R1=R2=R，则A1、A2两输出端的电压差U12为 （2.6）将式（2.6）代入式（2.5）得 放大器的增益Av为 （2.7）可见，仅需调整一个电阻Rg，就能方便的调整放大器的增益。由于整个电路对称，调整时不会造成共模抑制比的降低。在接口图（2.9）中，通过改变可变电阻R3的阻值大小来改变放大器的增益，放大器增益计算公式如下： （2.8）AD620 具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。其最大输入偏置电流为20nA，这一参数反映了它的高输入阻抗。AD620在外接电阻Rg时，可实现11000范围内的任意增益；工作电源范围为2.318V；最大电源电流为1.3mA；最大输入失调电压为125V；频带宽度为120kHz（在G=100时）。基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器AD620。2.5.3 A/D 转换器A/D转换器选用的原则：1、A/D 转换器的位数。A/D 转换器决定分辨率的高低。在系统中，A/D 转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。2、A/D 转换器的转换速率。不同类型的A/D 转换器的转换速率大不相同。积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速A/D 转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速A/D 转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。3、是否加采样/保持器。4、A/D 转换器的有关量程引脚。有的A/D 转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。5、A/D 转换器的启动转换和转换结束。一般A/D 转换器可由外部控制信号启动转换，这一启动信号可由CPU提供。转换结束后A/D 转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平。通知微处理器读取转换结果。6、A/D 转换器的晶闸管现象。其现象是在正常使用时，A/D 转换器芯片电流骤增，时间一长就会烧坏芯片。为防止这种现象，可采取如下措施：（1）加强抗干扰措施，尽量避免较大的干扰电流进入电路；（2）加强电源稳压滤波措施， 在A/D 转换器电源入口处加退耦滤波电路，为防止窄脉冲波窜入在电解电容上再接一高频滤波电容；（3）在A/D 转换器的电源端接一限流电阻，可在出现晶闸管现象时，有效地把电流限定在允许范围内，以防止烧坏器件。选择A/D 转换器除考虑上述要点外，为防止对A/D 转换器的技术指标的影响，还要注意以下几个问题：（1）工作电源电压是否稳定；（2）外接时钟信号的频率是否合适；（3）工作环境温度是否符合器件要求；（4）与其它器件是否匹配；（5）外接是否有强的电磁干扰；（6）印刷线路板布线是否合理。由上面对传感器量程和精度的分析可知：A/D转换器误差应在3g以下。12位A/D精度：10Kg/4096=2.44g；14位A/D精度：10Kg/16384=0.61g；考虑到其他部分所带来的干扰，12位A/D转换器无法满足系统精度要求。所以我们需要选择14位或者精度更高的A/D转换器。方案一 逐次逼近型A/D转换器，如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型A/D转换，一般具有采样/保持功能。采样频率高，功耗比较低，是理想的高速、高精度、省电型A/D转换器件。高精度逐次逼近型A/D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟，基于51系列单片机构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。但考虑到所转换的信号为一慢变信号，逐次逼近型A/D转换器的快速的优点不能很好的发挥，且根据系统的要求，14位AD足以满足精度要求，太高的精度就反而浪费了系统资源。所以此方案并不是理想的选择。方案二 双积分型A/D转换器：如：ICL7135、ICL7109等。双积分型ADC是间接型A/D转换器，其基本原理是首先对未知的输入电压进行固定时间的积分，然后转向对标准电压进行反相积分至积分输出电压为零（返回起始值）， 则标准电压积分的时间正比与输入电压。输入电压越大，反向积分时间越长。用高频率时钟脉冲来测量标准电压积分时间，即可得到输入电压对应的数字代码。 双积分型A/D转换器虽然速度较慢，但转换精度高(如：ICL7135)，具有精确的差分输入。其输入阻抗高，可自动调零，具有超量程信号，全部输出与TTL电平兼容。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力特强，对高于工频干扰（例如噪声电压）也具有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。作为电子秤，系统对AD的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。综合的分析其优点和缺点，我们最终选择了精度为10Kg/ 20000= 0.5g的ICL7135。2.6人机交互部分2.6.1 键盘输入键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。 方案一 Intel8279是一种为8位微处理器设计的比较成熟的通用键盘/显示器接口芯片，其功能有：接收来自键盘的输入数据，并作预处理；数据显示的管理和数据显示器的控制。但是在与单片机的连接时占用较多的接口资源。方案二 ZLG7289是周立功单片机公司设计的串行输入输出可编程键盘/显示芯片，有强大的键盘显示功能，支持64键控制，可以比较方便地扩展系统。另外ZLG7289内部有译码电路，大大简化了程序。因此，我们选择功能更好的专用键盘显示芯片ZLG7289作为键盘扫描显示芯片。2.6.2 输出显示方案一 全部采用数码管显示，数码能显示时钟，以及被测物体的重量等信息。此方案显示直观，而且编程简单，但若要同时显示单价，金额售货员编号等诸多信息则需要要大量的数码管，而且不能显示中文。由此增加了电路的复杂程度，也加大了编程的难度。方案二 采用可以设置显示单价，金额，中文，购物日期等的LCD，它具有低功耗、可视面大、画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已得到广泛应用。LCD 显示器的工作原理：液晶显示器的主要材料是液态晶体。它在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光照度等外界条件变化而变化。因此，用液晶做成显示器件，就可以把上诉外界条件的变化反映出来从而形成现实的效果。虽然ZLG7289具有控制数码管显示的功能，但考虑到本题目要求中文显示，数码管无法满足，只能考虑用带有中文字库的液晶显示器。由于可以分页显示，无需太大屏幕，我们选择了点阵式12864型LCDOCM4x8C。2.7系统电源系统需要多种电源，单片机需要5V电源，A/D转换器需要5V，+1V，传感器需要10V以上的线性电源（不能用开关电源，否则称重数据不稳定）。稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。方案一 采用三端固定稳压芯片7805和7812为系统提供稳定的电源。这个部分由整流电路、滤波电路、稳压电路等组成。如下图：图2.10 +5V电源电路图在这里只给出了5V电源电路，+12V电源电路与+5V相似，因此不再画出。78系列是输出电压固定的三端集成稳压器，输出为正电压，输出电流可达1A。方案二 以LM317和LM337型号的芯片为核心来设计电源电路。选用初级220V、次级18V，功率为10W的变压器两只提供交流电源，经过整流稳压滤波后，再分别由LM317和LM337提供系统所需的直流稳压电源。LM317是一种外接很少元件就能工作的三端可调式集成稳压器，它的三个接线端分别称为输入端、输出端和调整端。它的内部电路有比较放大器、偏置电路、恒流源电路和带隙基准电路等，它的公共端改接到输出端，器件本身无接地端。所以消耗的电流都从输出端流出，内部的基准电压（约1.2V）接至比较放大器的同相端和调整端之间。若接上外部的调整电阻R1、R2后，输出电压为 = (2.9)LM317的VREF =1.2V, I adj =50A，由于调整端电流I adjI1, 故可以忽略，式（2.9）可简化为 （2.10）图2.11 LM317结构图LM337稳压器是与LM317对应的负压三端可调集成稳压器，它的工作原理和电路结构与LM317相似。LM系列的特性有：可调整输出电压低到 1.25V；保证 1.5A 输出电流；典型线性调整率 0.01%；典型负载调整率 0.1%；80dB 纹波抑制比；输出短路保护；过流、过热保护；调整管安全工作区保护。系统的传感器部分，传感器电源的设计直接影响系统的稳定性和精确度。实践证明，若桥电源采用一级稳压，稳压器采用78系列，称重误差为10%，屏幕显示的称重数据变化较大，各部分之间协调性较差。若采用二级稳压，稳压器采用78系列，称重误差为3%左右，各部分之间协调性较好。由此可见电桥电压的重要性。经反复试验发现，采用差动式电源可将电源的波动部分中和掉，大大提高电桥输出精度及稳定性。另外，系统要求扩大输出电压的调节范围，故使用它很不方便。 所以，具体设计时考虑到运算放大器的放大能力与工作电压的大小关系，以及电源芯片的自身优势等因素，最终选用了性价比比较高的LM317和LM337来设计电源电路，给系统提供正、负电压，满足系统正常工作电源的要求。2.8 具体实施方案简介根据以上设计方案，硬件部分采用51系列单片机AT89S52为控制核心部件，实现电子秤的基本控制功能。AT89S52是一款8位的内带8K程序存储器的微控制器，考虑到用软件实现电子秤系统的各项功能时，所需的软件量并不是很大，不需要太大的程序存储空间，因此在对AT89S52实际设计时不需要在片外再扩展程序存储器，这样不仅节省了硬件资源，也优化了电路的设计。在实际使用电子秤的称重功能时考虑到涉及到大量的数据，而AT89S52片内的数据存储空间有限，因此在片外扩展一片32K的数据存储器，选用62256实现。系统的硬件部分不仅包括以单片机AT89S52为核心的最小系统部分，而且还包括数据采集、人机接口界面、系统电源部分。数据采集部分由压力传感器、信号的滤波放大处理和A/D转换部分组成。在具体选择传感器时，考虑到在称量物品时必要的精度、准确性要求，所称物品的重量误差必须要控制在一定的范围之内。另外由于秤台的自身重量、振动和冲击分量，以及还要避免物体超重时对传感器的损坏，所以在选择传感器时要保证有一定的承重裕量，所选的传感器量程应该比系统设计要求的要大。一般选择为实际要求量程的两倍，且需要满足精度要求，满量程时候的误差不能大于规定量。由于传感器的输出信号中含有一定的干扰噪声，所以必须要对传感器的输出信号进行滤波，在滤波电路的设计时利用普通小电容滤除高频干扰，利用大的电解电容滤除低频干扰。由于在选用的放大器中内带滤波电路环节，所以利用电容滤波可以根据实际情况进行取舍。传感器输出的电信号比较微弱，一般为毫伏级，必须采用适当的电路进行信号放大处理，这