智能式水果销售过程管理硬件终端实现 毕业论文

智能式水果销售过程管理硬件终端实现摘要电子称重具有称重速度快、准确度高、方便灵活的特点，电子称重设备在国民经济各领域的应用越来越广泛，并受到了极大的关注和重视。只具备称重、计价、显示功能还远远不够现代化商业系统要求。如何称重时能将数据上传计算机，实现称重、打印、数据上传及身份识别功能，代替传统的索票索证交易模式，建立智能式水果销售过程管理硬件终端。就此问题，作者查阅了大量工程、文献资料，对上述问题进行详细的研究和探讨。本设计以AT89C51单片机为核心，通过电阻应变式称重传感器将重量转化为模拟电压信号，较小的电压信号通过仪表放大器进行准确、线性放大，以满足模/数转换器对输入信号电平的要求。放大后的模拟电压信号经过AD转换电路将模拟量转变成数字量，然后由单片机控制系统经过数据转换处理后把数字信号存入寄存器。通过单片机将数字信号送入显示电路，由LCD液晶显示屏显示出测量结果，再通过键盘按键输入数字单价，得到总价格等数字显示，而且可以将显示信息上传至微机实现串口通讯功能。通过实验，实现了称重功能和串口通讯，达到了预期目标。关键词单片机；电阻应变式称重传感器；仪表放大器LCDINTELLIGENTTYPEFRUITSALESPROCESSMANAGEMENTHARDWARETERMINALABSTRACTELECTRONICWEIGHINGWITHTHEWEIGHINGSPEED,HIGHACCURACY,CONVENIENTANDFLEXIBLECHARACTERISTICS,ELECTRONICWEIGHINGEQUIPMENTINNATIONALECONOMYINVARIOUSFIELDSMOREANDMOREWIDELY,ANDHASBEENOFGREATCONCERNANDATTENTIONONLYHAVEWEIGHING,VALUATION,DISPLAYFUNCTIONISFARFROMENOUGHMODERNBUSINESSSYSTEMREQUIREMENTSHOWCANUPLOADDATACOMPUTERWEIGHING,WEIGHINGISREALIZED,PRINTING,DATAUPLOADANDIDENTITYRECOGNITIONFUNCTION,INSTEADOFTHETRADITIONALVOTECABLECARDTRANSACTIONMODE,ESTABLISHMENTOFINTELLIGENTTYPEFRUITSALESPROCESSMANAGEMENTHARDWARETERMINALINTHISPAPER,THEAUTHORGIVESAPROJECT,LITERATUREDATA,THEABOVEPROBLEMSAREDETAILEDRESEARCHANDDISCUSSIONTHEDESIGNFORAT89C51CORE,WITHRESISTANCESTRAINTYPEWEIGHINGSENSORWILLWEIGHTISCONVERTEDTOANALOGVOLTAGESIGNAL,SMALLVOLTAGESIGNALTHROUGHTHEINSTRUMENTATIONAMPLIFIERISACCURATE,LINEARAMPLIFIER,ADCONVERTERTOMEETTHEREQUIREMENTSONTHEINPUTSIGNALLEVELTHEAMPLIFIEDANALOGVOLTAGESIGNALAFTERADCONVERSIONCIRCUITANALOGINTODIGITALQUANTITY,ANDTHENBYTHEMCUCONTROLSYSTEMTHROUGHADATACONVERSIONPROCESSINGAFTERTHEDIGITALSIGNALINAREGISTERTHROUGHTHESINGLECHIPDIGITALSIGNALISSENTTOTHEDISPLAYCIRCUIT,THELCDLIQUIDCRYSTALDISPLAYMEASUREMENTRESULTS,THROUGHTHEKEYBOARDINPUTDIGITALUNITPRICE,TOTALPRICE,DIGITALDISPLAY,ANDTHEDISPLAYEDINFORMATIONCANBEUPLOADEDTOTHECOMPUTERSERIALCOMMUNICATIONTHROUGHTHEEXPERIMENT,ACHIEVETHEFUNCTIONOFWEIGHINGANDSERIALCOMMUNICATIONS,TOACHIEVETHEEXPECTEDGOALKEYWORDSSINGLECHIPMICROCOMPUTERRESISTANCESTRAINWEIGHINGSENSORINSTRUMENTATIONAMPLIFIERLCD目录目录第1章绪论111课题研究背景与意义112电子秤的研究发展及成果1121国内外发展情况1122电子秤的发展方向213研究的内容及结构安排2第2章系统总体方案设计421电子秤的设计要求422电子秤原理及基本思路4221系统工作原理4222系统设计基本思路423系统总体设计方案424传感器的选型525放大器的选型826A/D转换器选型927单片机的选型1028人机交互部分11281键盘输入11282输出显示1229系统电源13210总体实施方案总结14第3章系统硬件设计1631数据采集部分16311称重传感器16312信号放大处理17313信号转换1732单片机控制部分1733人机交互部分20331键盘20332LCD21333串口通讯电路22第4章系统软件设计2341编程语言的选择2342主程序流程图2443子程序流程图24431LCD显示子程序24432A/D转换子程序25第5章系统的调试运行2651系统的开发平台26511KEILC软件集成开发环境26512PROTEUSISIS软件2652系统的调试26总结28致谢29参考文献30附录31附录A原文31附录B译文34附录C系统总图36附录D程序清单37第1章绪论11课题研究背景与意义智能式水果销售过程管理终端实质是超市的称重及标签、发票打印商品价钱累计于一体的东西。随着我国经济的快速增长,人民生活水平的显著提高以及加入世界贸易组织多年后我国水果市场面向世界市场开放程度的深化,在我国居民水果消费需求稳步增长的同时,消费者对水果的需求有了更多的选择余地,也提出了更高的要求。加强水果供应链管理、优化果品流通与销售体系、完善水果销售市场的组织形式、提升水果产业化经营水平以及产业附加值等已成为我国水果产业发展必须解决的关键性问题。随着自动化测试技术的发展，传统的称重系统在功能、精度、性价比等方面已难以满足人们的需要，尤其在智能化、便捷式、对微小质量的测量方面更显得力不从心。采用以AT89C51单片机为控制核心，结合高敏度的电阻式应变式压力传感器和高精度的A/D转换器，设计称重系统的总体结构及软件、硬件，同时在称重时能将数据上传计算机，实现称重、打印、无线数据上传及身份识别等功能于一体，代替传统的索证索票的交易模式，建立面向批发商和零售商的可操作的水果销售过程管理终端。实现物体质量、控制及显示报告的电气化与智能化。12电子秤的发展及研究成果121国内外发展情况从国际上看，随着二十世纪经济繁荣，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术渗入衡器制造业。在1954年使用了带新式打印机的倾斜式称，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与人工操作的按键与办公机器联用。在1960年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。当时带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。电子称的发展过程与其他事物一样，也经历了由简单到复杂、又粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程2。特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。近年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和控制过程中。现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可或缺的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子称的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了01称量准确度的电子称，并在70年代中期约对75的机械进行了机电结合式改造。回首国内，我国的衡器在20世纪40年代以前还全是机械式的，40年代开始发展了机电结合式的衡器。50年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。80年代以来，我国通过自行研究引进消化吸收和技术改造3。已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术与一体化的电子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣条件下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门、随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。122电子秤的发展方向电子秤技术的发展加快了衡器数字化的进程，数字称重是电子称重技术发展的必然趋势。数字称重系统与模拟称重的根本区别是（1）模拟称重系统用标准砝码校准，而数字称重系统用标准力源校准。（2）数字称重系统提高了系统的自动控制能力。数字称重技术克服了模拟称重系统固有的缺点，使称重计量技术跟上了现代工业生产过程自动化、智能化的发展潮流。所以，数字称重传感器技术是现代称重计量与控制系统工程的重要发展方向。综合看来，数字称重技术使电子衡器向高精度和高稳定性、小型化、模块化、智能化、与PC技术的信息融合处理等几个方向发展1高精度和高稳定性随着材料科学、传感器的制造工艺的不断发展，随着传感器的灵敏度、高分辨率高速的A/D的出现、传感器数据误差的处理方法的提高，数字称重传感器的精度和稳定将会越来越高。2小型化指称重传感器总体结构体积小、高度低、重量轻，即薄、小、轻。3模块化随着微电子技术发展，电子电路的集成度越来越高，使系统中各部分电路只需要很少的期间就可以完成，与传感器信号相关的放大、滤波、相关、A/D转换等预处理及数据自动采集都可以用单独的一个或几个简单的器件来实现，这样就大大促进系统的模块化设计。4智能化及综合化随着计算机技术的快速发展，不仅智能传感器具有了自动调零、自动平衡、自动补偿、自选量程等信息处理功能；而且能随机标定，自适应，还具有一定程度的记忆与处理，特别是多信息数据融合处理及自诊断功能，以及输出数字信号和远程通信能力。5与PC技术的信息融合随着PC技术以及称重技术的不断发展，数字称重技术不再仅仅体现其称重功能，而是称重控制器通过串口通信、现场总线、以太网以及无线传输等与PC机以及近几年高速发展的嵌入式处理器进行数字通信和信息融合，结合灵活的称重管理软件，实现采样控制、自动校准、数据存贮、数据处理及分析、报表生成及打印等称重管理功能，同时还可以实现实时的控制与分析。电子秤的称重显示控制器与电子计算机组合,利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。使电子秤在原有功能的基础上,增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能,这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子秤与采用智能化称重显示控制器的电子秤的根本区别。13研究内容及结构安排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，并送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，并且通过串口电路对显示信息上传计算机，实现称重、打印、无线数据上传及身份识别等功能于一体，代替传统的索证索票的交易模式，建立面向批发商和零售商的可操作的水果销售过程管理终端。本文的结构安排如下第一章绪论，介绍了本课题的研究背景和意义、电子秤的发展及成果以及本论文的研究内容和结构安排。第二章系统总体方案设计，本章主要内容是电子秤的方案设计，首先是对整体的方案进行选择与设计，再针对各个模块（传感器、放大模块、信号转换模块、电源模块、人机交互模块）进行具体的方案论证及设计。第三章系统硬件设计，在选定各个模块的方案中，对各方案的用到的主要芯片进行简单功能介绍及应用，并且给出了本次电路设计的具体电路图。第四章系统软件设计，本章主要是介绍电子秤的软件设计，给出了本次设计的主程序流程图及一些模块的子程序图。最后，对本次的研究课题的主要工作及结果做出了总结与讨论，并且指出了本次研究工作中存在的不足和发现的一些问题。第2章系统总体方案设计21电子秤的设计要求研究电子称重的基本原理，选取合适的压力传感器及外围电路，采用单片机控制，设计一种具有语音及LCD液晶显示的电子称重系统。（1）掌握单片机系统设计等相关知识。（2）熟悉本课题的设计指标、设计原理，选取合适的压力传感器、A/D转换方法、模拟放大电路及显示电路。（3）灵活应用C语言等开发环境完成系统软件的设计。（4）完成系统各部分组成，包括软件和硬件部分，并对其功能进行验证。22电子秤原理及基本思路221系统工作原理电子秤的工作原理是通过称重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，需要通过前端信号放大，再通过A/D转换成数字量送入到主控电路的单片机中处理，再经过单片机控制显示器，从而显示出被测物体的重量WEIGHT，通过键盘按键输入商品单价PRICE，运算得出总价TOTAL。通过51单片机和串口输出显示内容，实现称重、打印、无线数据上传及身份识别等功能于一体。222系统设计基本思路微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。本系统在设计过程中，除了能实现系统的基本功能外，还增加了打印功能。按照设计的基本要求，系统可由单片机最小系统、数据采集、人机交互、系统电源、串口几部分组成。其中数据采集模块由称重传感器、前端信号放大器件、A/D转换组成。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。在扩展功能上，采用RS232串口将数据上传计算机，实现称重、打印、无线数据上传及身份识别等功能于一体，代替传统的索证索票的交易模式，建立面向批发商和零售商的可操作的水果销售过程管理终端。23系统总体设计方案通过以上思路分析，在设计该课题时，实现电子称功能的方案有以下两种方案一使用称重传感器测量物体重量后，产生的模拟信号要经过放大，再经过A/D转换成数字信号，在这个环节中可以使用内部集成放大的HX711型A/D转换器件，在显示方面采用LED显示器。在电源的方面，HX711需要稳压电源，这样才能保证测量数据的稳定性。如图21所示。该设计方案对设计者的焊制能力要求较高，HX711上多为贴片器件，容易出现错误。在显示方面，LED显示的内容相对没有LCD显示详细。图21方案一原理框图方案二同样选用称重传感器测量物体后，选用前置放大、A/D转换等措施，在这个环节中使用信号放大和AD转换之间独立的器件，在显示方面采用LCD显示器，增加了键盘控制。如图22所示。该设计方案不仅加强了人机交换的能力，而且设计简单，不容易出错，满足设计要求。采用LCD显示,它经过合理的设置可以完成显示被测物质量等信息，并且经济耐用,同时LCD价格相对便宜。图22方案二原理框图鉴于该电子秤设计的功能要求，在具体设计时采用了第二种设计方案。24传感器的选型传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。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，因此，传感器的地位与作用特别重要。在本设计中，传感器是一个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显的特别的重要，不仅要注意其量程和参数，还要考虑到与其相配置的各种电路的设计的难易程度和键盘LCD显示器称重传感器AT89C51LED显示器称重传感器HX711通讯接口ADC0832AT89C51LM358放大电路设计性价比等等。所谓传感器就是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。通过以上系统总体方案设计，确立了以下两种传感器方案方案一光电称重传感器光电式称重传感器又包括光栅式和码盘式两种。光栅式称重传感器的原理是利用一个装在表盘轴上可移动的光栅和另一块固定光栅形成的莫尔条纹把角位移转换为电信号。秤台加载重物后，杠杆带动使表盘旋转从而带动移动光栅运动，莫尔条纹也跟着变化。通过计算移过条纹的数量，测出光栅转动角的大小，进而计算被测物体的质量。码盘式传感器的码盘（符号板）是一块装在表盘轴上的透明玻璃，上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的条码。加在承重台上的被测物通过杠杆使表盘轴旋转时，码盘也随之转过一定角度。光电池透过码盘接收光信号并转换成电信号，由电路进行处理并得到测量结果。由于光纤光栅传感器抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘，具有长期稳定性好、易组网等优点，主要用在机电结合秤上，用于条件恶劣工业环境中；但是精度相对比较低、大多是围绕大吨位的应用，且一般尺寸比较大，对于小量程的应用还很少；运行速度比较低，不满足高速称重的要求。方案二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。图23为一直流供电的平衡电阻电桥，EIN接直流电源E4321RE43213421R22RRREUOE图23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ADBDOUU（21）当满足条件R1R3R2R4时，即（22）0，即电桥平衡。式（22）称平衡条件。OU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，按式（21），则电4321,桥输出为23K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，最终选择了第二种方案。本系统选择的是PM23型称重传感器，量程5KG，完全满足本系统的精度要求。25放大器的选型称重传感器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。综上分析，该设计在放大电路选用了LM358，该放大器件内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组，音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。器件资料如图24、25、26所示。图24DIP塑封引脚图引脚功能图25圆形金属壳封装管脚图图26内部电路原理图特性（1）内部频率补偿。（2）直流电压增益高约100DB。（3）单位增益频带宽约1MHZ。（4）电源电压范围宽单电源330V；双电源1515V。（5）低功耗电流，适合于电池供电。（6）低输入偏流。（7）低输入失调电压和失调电流。（8）共模输入电压范围宽，包括接地。（9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。（10）输出电压摆幅大（0至VCC15V。参数（1）输入偏置电流45NA（2）输入失调电流50NA（3）输入失调电压29MV（4）输入共模电压最大值VCC15V（5）共模抑制比80DB（6）电源抑制比100DB26A/D转换器选型A/D转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。目前，世界上有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC，也有近年来新发展起来的流水线型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。在选择A/D转换器的时候应该遵循以下原则（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，转换时间从几毫秒到几十毫秒，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）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。（4）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。在AD转换模块选用了ADC0832，该器件是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。引脚图如图27所示图27ADC0832引脚ADC0832的特点（1）8位分辨率；（2）双通道A/D转换；（3）输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；（4）5V电源供电时输入电压在05V之间；（5）工作频率为250KHZ，转换时间为32US；（6）一般功耗仅为15MW；（7）8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装；（8）商用级芯片温宽为0C到70C，工业级芯片温宽为40C到85C；其芯片接口说明为（1）CS_片选使能，低电平芯片使能。（2）CH0模拟输入通道0，或作为IN/使用。（3）CH1模拟输入通道1，或作为IN/使用。（4）GND芯片参考0电位（地）。（5）DI数据信号输入，选择通道控制。（6）DO数据信号输出，转换数据输出。（7）CLK芯片时钟输入。（8）VCC/REF电源输入及参考电压输入（复用）。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间为32US，具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。27单片机的选型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；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。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AT89C51的一倍，即片内8KB的FLASH程序存储器和256B的RAM。AT89S52是一种兼容MCS51微控制器，工作电压40V到55V，全静态时钟0HZ到33MHZ，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POWERDOWN模式，POWERDOWN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。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AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51单片机特点能与MCS51兼容，有4K字节可编程闪烁存储器，寿命能够达到1000写/擦循环，数据可以保留时间长达10年，全静态工作0HZ24MHZ，三级程序存储器锁定，1288位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。由此，通过对目前主流型号的比较，我们最终选择了AT89C51通用的普通单片机来实现系统设计。28人机交互部分281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。这里的键盘选取KEYPADSMALLCALC,它是一个矩阵的小键盘，横列和竖列，竖列A、B、C、D四端口可以接高4位，横列1、2、3、4四端口可以接低4位。如图28所示图28KEYPAD_SMALLCALC键盘282输出显示采用LCD液晶显示，能显示被测物体的重量、价格、总和等信息。此方案显示直观。如图29所示，选用LM016L。图29LED数码管LM016L主要技术参数显示容量162个字符芯片工作电压4555V工作电流20MA50V模块最佳工作电压50V字符尺寸295435WHMM引脚功能说明LM016L采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表210所示表210编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据引脚接口说明第1脚VSS为地电源。第2脚VDD接5V正电源。第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向数据线。29系统电源在设计该系统时各个器件需要多种电源，单片机和A/D转换器件需要5V电源，放大器件和传感器则需要12V的电源。电源必须提供稳定的电源，不能有太大的纹波，电源须提供恒定电压和足够的电流。另外系统里面既有数字电路也有模拟电路，所以如果电源性能不佳，造成的后果不堪设想。为了滤除电源的纹波，采用多级电容滤波，并且在最后并联了104滤除电源中的高频杂波，采用7805稳压，得到稳定的5V电。在本设计中采用LM7805稳压电源，它有一系列固定的电压输出，应用非常的广泛。由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护使它基本上不会损坏，如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于15A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。LM7805的特点有（1）最大输出电流为15A，输出电压为5V；（2）热过载保护，短路保护；（3）输出晶体管安全工作区保护；LM7805的内部框图如图211所示图211LM7805内部框图LM7805的电参数如表212所示表2127805电参数采用7805组成稳压电源的方案，其电路原理图如图213所示图213LM7805组成电路210总体实施方案总结根据以上设计方案，控制模块部分采用单片机AT89C51为控制核心部件，实现电子称的基本控制功能。数据采集部分由PM23型称重传感器、LM358放大器件、A/D转换芯片ADC0832等部分组成。显示部分采用LCD数码管，显示信息详细。键盘部分采用KEYPAD_SMALLCALC，实现数的输入和运算，得出所需结果。系统硬件的结构框图如图214所示PM23型称重传感器LM358放大电路ADC0832AT89C51单片机键盘LCD显示信息打印数据采集部分单片机控制模块人机交互界面图214系统硬件结构框图第3章系统硬件设计31数据采集部分311称重传感器PM23电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。内部结构如图31所示图31PM23内部结构图当垂直正压力P作用于梁上时，梁产生形变，电阻应变片R1，R3受压弯拉伸，阻值增加；R2，R4受压缩，阻值减小；电桥失去平衡，产生不平衡电压，与作用在传感器上载荷P成正比，从而将非电量转化成为电量输出。工作原理如图32所示图32PM23工作原理PM23型称重传感器尺寸如图33所示图33PM23尺寸312信号放大处理采用LM358放大电路，3、4端接收PM23型称重传感器的正负信号，经过358的放大电路处理放大后传输到ADC0832。原理图如图34所示图34LM358放大电路图313信号转换通过以上信号放大处理，采用ADC0832将传感器信号进行转换，转换后形成数字信号，再经过单片机进行数据处理。由于ADC0832为双通道A/D转换，采用CH0通道输入，CS端片选使能，接单片机的P35端，VCC接电源正，GND接地，CLK为芯片时钟输入，接单片机的P36端，DI、DO共同接P37端。原理图如图35所示图35ADC0832原理图32单片机控制部分AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFALSHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。引脚封装如图36所示图36AT89C51的引脚图引脚功能说明VCC供电电压。GND接地。P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示。P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32/INT0（外部中断0）P33/INT1（外部中断1）P34T0（记时器0外部输入）P35T1（记时器1外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。单片机控制部分原理图如图37所示图37单片机控制部分原理图P00P07端接LCD液晶显示器；P10P17端接键盘A、B、C、D端；P20P22端分别接液晶显示RS、RW、E端口；P30P31分别接串行输入口和串行输出口；P32接发声器口；P33接与门元件端口P35P37端接ADC0832的CS、CLK、DIO端；XTAL1、XTAL2端接晶振。33人机交互部分331键盘在该课题设计中简单运用了KEYPAD_SMALLCALC键盘按钮的功能。它就是一个矩阵的小键盘嘛，横列和数列，ABCD可以接高4位，1234可以接低4位，通过按键得到所需结果，原理图如图38所示图38键盘按钮原理图332LCD在显示方面，采用了LCD液晶显示显示，简洁明了。第1脚VSS为地电源。第2脚VDD接5V正电源。第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向数据线。原理图如下图39所示图39LCD原理图333串口通讯电路图310串口通讯电路由于单片机串口输出电平为TTL电平幅值比较小，容易受到干扰，因此传输距离比较短，一般不超过1M，而且常用的PC机系统的串口都是RS232电平。为了增强信号的抗干扰性且达到电平匹配，必须把单片机输出的TTL电平转换为抗干扰能力更强，传输距离可达几十米的RS232电平。本设计中使用了集成电平转换芯片MAX232为RS232和单片机电平转换芯片，它只使用单5V为其工作，配接4个01U的电容即可完成RS232电平与单片机电平之间的转换。其原理图如图310所示，转换完毕的串口信号TXD、RXD直接和单片机的串行口连接，而RS232可以通过三芯屏蔽电缆连接到各种应用系统。串口通讯主要完成向远程系统实时的发送当前被称量物体的重量数据、当前的状态信息。第4章系统软件设计在系统软件的设计中，一般工作量较大，特别是对那些控制系统比较复杂的情况。如果是机电一体化的设计人员，往往需要同时考虑单片机的软硬件资源分配。程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法。其步骤可概括为以下三点（1）分析系统控制要求，确定算法对复杂的问题进行具体的分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的步骤。这是能否编制出高质量程序的关键。（2）根据算法画流程图画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。（3）编写程序根据程序框图所表示的算法和步骤，选用适当的指令排列起来，构成一个有机的整体，即程序。程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法。结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，特别是限制转向语句或指令的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、下文顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错误和易于修改、调试。根据系统的控制任务，本系统的软件设计主要由主函数程序、按键子程序、LCD显示子程序、A/D转换子程序。41编程语言的选择C语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上非常流行。它既可以用来编写计算机的系统程序，也可以用来编写一般的应用程序。以前计算机的系统软件主要用汇编语言编写，单片机应用系统更是如此。C语言是当前最流行的程序设计语言，它像其它高级语言一样，面向用户，编程者不必熟悉具体的计算机内部结构和指令；C语言又像汇编语言一样，可以对机器硬件进行操作。如进行端口I，0操作、位操作、地址操作，并可内嵌汇编指令，将汇编指令当作它的语句一样。我们知道，汇编语言将涉及计算机硬件，所以C语言又像低级语言一样，可以对计算机硬件进行控制，因此人们把它称为介于高级语言与低级语言之间的一种中级语言。正是因为C语言具有这样的特性，所以很适合编写要对硬件进行操作的软件程序。42主程序流程图图41主函数流程图43子程序流程图系统子程序主要包括LCD显示、A/D转换。431LCD显示子程序LCD显示子程序主要是显示所称物体重量，是十分重要的程序之一。而显示子程序是其他程序所需要调用的程序之一，因此，显示子程序的设计非常重要。设计显示子程序的流程图如图42所示数值处理计算进行A/D转换打开定时器中断开始定时器初始化液晶显示屏显示打印单片机读取转换后的值信息是否输出打印是否图42显示子程序流程图432A/D转换子程序A/D转换子程序主要是指在系统开始运行时，把称重传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机所涉及到的程序设计。设计流程图如图43所示开始CS置0片选功能初始化读取A/D转换的值A/D转换是否完成CS1置高电平片选无效返回读取的数据返回主程序否是图43A/D转换子程序流程图开始显示单价、总价返回主程序显示重量部分第5章系统的调试运行本章采用KEILC51单片机开发工具，编写编译了各部分软件，并通过AT89C51单片机对系统进行了在线仿真调试，实现了预期的各种功能，确定其精确度以及误差。51系统开发平台系统的调试主要有KEILC软件和PROTEUSISIS软件联合调试。511KEILC软件集成开发环境KEILC51集成开发环境主要由菜单栏、工具栏、源文件编辑窗口、工程窗口和输出窗口五部分组成。工具栏为一组快捷工具图标，主要包括基本文件工具栏、建造工具栏和调试工具栏，基本文件工具栏包括新建、打开、拷贝、粘贴等基本操作。建造工具栏主要包括文件编译、目标文件编译连接、所有目标文件编译连接、目标选项和一个目标选择窗口。调试工具栏位于最后，主要包括一些仿真调试源程序的基本操作，如单步、复位、全速运行等。在工具栏下面，默认有三个窗口。左边的工程窗口包含一个工程的目标（TARGET）、组（GROUP）和项目文件。右边为源文件编辑窗口，编辑窗口实质上就是一个文件编辑器，我们可以在这里对源文件进行编辑、修改、粘贴等。下边的为输出窗口，源文件编译之后的结果显示在输出窗口中，会出现通过或错误（包括错误类型及行号）的提示。如果通过则会生成“HEX”格式的目标文件，用于仿真或烧录芯片。单片机软件KEILC51开发过程为1建立一个工程项目，选择芯片，确定选项。2建立汇编源文件或C源文件。3用项目管理器生成各种应用文件。4检查并修改源文件中的错误。5编译连接通过后进行软件模拟仿真或硬件在线仿真。6编程操作。7应用。512PROTEUSISIS软件PROTEUS具有和其他EDA工具一样的原理图编辑、印刷电路板PCB设计及电路仿真功能，最大的特色是其电路仿真的交互化和可