电子称重器 毕业设计论文.doc

i 摘要 称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工 农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。目前，商 用电子秤的使用非常普及，逐渐会取代传统的杆秤和机械案秤。电子秤是电子 衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、 内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各 业的现代化水平和社会经济效益的提高。因此，称重技术的研究和衡器工业的 发展各国都非常重视。 通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器 总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、 准确度高、 稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控 制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。 本文是基于 at89s51 单片机的一种电子称重设备的设计说明。论文首先简 要叙述了电子秤的主要背景以及总体的设计方式；然后详细阐述了数字电子秤 的设计流程，以及硬件系统和软件系统的设计，并给出了硬件电路的设计细节。 本系统主要分为四大部分，信号前级为称重传感器和放大滤波电路，电阻应变 式称重传感器，利用全桥测量原理，将重力信号转换成电信号来测量。单片机 为主要部件，完成数据处理和对各个部分的控制，通过对电路输出电压和标准 重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（v）改为重量纲（g） 。 人机界面部分由六位 led 管显示与 44 位矩阵键盘组成，可以由键盘控制显示 重量和价钱等信息。 关键字：电子秤；称重传感器；at89s51 单片机；a/d 转换器；led 数码管 ii abstract weighing technology from time immemorial attention, as a measurement method, widely used in industry, scientific research, transportation, and trade fields, and peoples lives are closely linked. at present, the use of electronic commercial very popular, and gradually will replace the traditional gancheng and machinery. electronic is a kind of electron weighing apparatus, instruments is the national legal measuring instruments, livelihood, national defense, science research, domestic and foreign trade indispensable measure equipment, instruments, product technical level will directly influence the from all walks of life and social modernization level economic benefit. therefore,weighing technology research and development of all industrial instruments very seriously. weighing in recent years through analysis of electronic products and the development of domestic and international market demand, electronic weighing the overall development trend is small and modular, integrated, intelligent; their technical performance trend rate is high, high accuracy, stability high, high reliability, its function is weighing measures tend to control information and non- control information both the “intelligent“ functions of its application performance tend to be comprehensive and combinations of. this article is based on at89s51 of an electronic weighing equipment design. it firstly briefly discusses the main background and electronic overall design,and then expounds the digital electronic design process, and the hardware and software design of the system is given, and the hardware circuit design details. this type of digital electronic weigher is keen, correct and convenient to use. its human-computer interface has a good interactive function and it can be used in vary circumstances, such as family and shopping mall, etc. key words: an electronic scale; weighing transducer; at89s51; a/d converter; led digital tube i 目 录 1 绪论 1 1.1 电子称重器背景介绍 .1 1.2 现状及其发展动态 .2 2 系统方案的设计 4 2.1 称重器的工作原理 4 2.2 电子称重器的设计思路 .5 2.3 系统总体设计方案论证与选择 .6 2.4 各模块功能的方案论证与选择 .8 2.4.1 称重传感器模块 .8 2.4.2 前置信号处理模块 11 2.4.3 a/d 转换器 15 2.4.4 键盘及显示模块 .15 2.5 本章小结 .16 3 硬件电路设计 18 3.1 系统主控电路的设计 .18 3.1.1 单片机芯片 at89s51 介绍 18 3.1.2 单片机引脚说明 19 3.1.3at89s51 的最小系统电路构成 .21 3.2 数据处理部分电路设计 23 3.2.1 传感器和外围放大电路设计 .23 3.2.2a/d 转换芯片与 at89s51 单片机接口电路设计 24 3.3 显示电路设计 26 3.4 键盘电路设计 28 3.5 硬件抗干扰措施 .28 3.6 本章小结 .29 4 系统软件设计 30 ii 4.1 主程序设计 .30 4.2 a/d 转换的实现 .32 4.3 数据信号处理 34 4.4 键盘扫描实现 .34 4.5 led 显示的实现 37 4.6 软件抗干扰 40 4.6 本章小结 .40 5 仪表可靠性及性能指标 41 5.1 仪表可靠性设计 .41 5.2 系统的性能指标 .41 5.3 本章小结 41 6 结束语 42 致谢 43 参考文献 44 附录 原理图 45 1 近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。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 售领域中不可缺少的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子 秤的发展奠定了其础，国外如美国、西欧等一些国家在 20 世纪 60 年代就出现 了 0 .1 %称量准确度的电子秤，并在 70 年代中期约对 75 %的机械秤进行了机 电结合式的电子化改造。 我国的衡器在能在恶劣环境下工作、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等特点，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。 1.2 现状及其发展动态 1、电子衡器的现状 电子衡器一般是指装有电子装置的衡器。因其种类繁多，且涉及到贸易结 艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳 定性和可靠性较差等。 2、电子衡器的发展动态 电子衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子秤到大 型的电子称重系统，薄型或超薄型的圆形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底 面与称重传感器外径相同的盲孔内，形成低外形的秤体结构，称重传感器的数 量和位置由秤的额定载荷和力学要求计算决定。对中等或较大容量的电子平台 秤、电子地上衡，已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢，并联排 队列焊接成一个整体的竹排式结构的秤体，4 个称重传感器分别安装在最外边 两根薄壁型钢两端的切口内，安装在称重传感器承力点上的固定支承就是秤体 的承计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重与称重显示控制器一体化。 综合性：电子称重技术和电子衡器产品的应用范围不断扩大，它已渗透到 2 一些学科和工业自动控制领破口，解决电子衡器中的工程化产品的定型设计。 生产工艺，质量保证，可靠性考核等规模生产中的关键技术与工艺，提高批量 生产能力，使我国的民族衡器工业走上健康持续发展的轨道。 2 系统方案的设计 2.1 称重器的工作原理 1、名词其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力电效 应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的 电信号。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（a/d）器进行转换， 数字信号再送到微处器的 cpu 处理，cpu 不断扫描键盘和各种功能开关，根 据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件 来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，cpu 发出指令，从内 存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、 a/d 转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。 电子秤原理图见图 2-1 所示。 图 2-1 电子秤工作原理 3、电子秤的基本结构 不管根据什器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。 （2）称重传感器 即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成 电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。 按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感 式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表 面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。 荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、 滤波、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。 2.2 电子称 3 软件部还是稳定性都是令人满意的，它具有较好的标定校准方法，性能稳 定，操作简单，价格低廉，满足各行各业对现代电子衡器的需求。 2.3 系统总体设计方案论证与选择 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 结构简图见图 2-2 所示： 数据采集 单片机 数码显示 图 2-2 数码管显示方案 此方案利，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。 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。其实现方案的原理图见图 2-5 所示。 图 2-5 单片机实现方案原理框图 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.态输出，要求很高的输出阻抗，需要低电容低噪声电缆，对外电路的 要求比较高。 方案二 电容式传感器 电容式传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化 转换为电容量的变化的传感器，它具有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可 等优点。电容式传感器不仅能测量荷重、位移、振动、加速度等机械量，还能 测量压力、液面、成分含量等热工量。 电边缘影响的条件下，平板电容器的电容量 c 为 4 (2-1)dacor 一个参数，则电容量就将产生变化。 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等优点，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，x 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2ou 干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。 （2）初始电容而发生变化的现象。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 电阻率的变化r/r 转换成电压或电流变化。其转换电路需要有专用的测量电 桥。下面介绍直流电桥。 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。直流供电的平衡电阻电桥见图 2-7 所示， 接直流电源 e：ine 图 2-7 传感器结构原理图 当电桥输出端接 )()()( 22rrreuo e (2-4)k 应变片式传感器有如下特点： （1）应用和测量范围广，应变和灵敏度高，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、额 定称重10kg 。本电子称重系统所采用的是电阻应变片式传感器 yzc-1b， 它的量程 10kg，输出灵敏度为 2.0mv/v，激励电压为 10v，非线性度为 0.02。 由于在量程范围内传感器的线性较好，可以在不影响精确度的情况下近似认为 5 重物质量与传感器输出信号线性对应。 2.4.2 前置信号使存储元件（通常是电容器）两端的电压 ub 随被采样 信号 ua 变化。当采样间隔终止时，d 变为高电平 ,模拟开关断开,ub 则保持在 断开瞬间的值不变。缓冲放大器的作用是放大采样信号，它在电路中的连接方 式有两种基本类型：一种是将信号先放大再存储，另一是先存储再放大。对理 想的采样保持电路，要求开关没有偏移并能随控制信号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。 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，见图 2-8 所示：c4r6a08+-79vo 6 图 2-8 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。 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，内部结构见图 2-9 所示： 图 2-9 ad620 的内部等效图 引脚图见图 2-10 所示： 图 2-10 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）rgviinig 设图上图中电阻 r1=r2=r，则 a1、a2 两输出端的电压差 u12 为)(2112iug （2-6）)(rgini 将式公式（2-6）代入公式（2-5）得 7 （2-7）)(21vuviniorg 放大器的增益 av 为 ainiov （2-8）)21(rg 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： （2-9） 49.13kgr 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 125 v；在 g=100 时频带宽度为 120khz。 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。 2.4.3 a/d 转换器 a/d 转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量的装 置，也就是说能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。 实现 a/d 转换器种类较多，常用的有计数法，双积分法和逐次逼近法 a/d 转 换器。因此常用的 a/d 转换器有计数器式、双积分式和逐次逼近式三种类型。 8 本次设计的电子秤量程为 10kg，精确到 0.05kg，在选择 a/d 转换芯片时，位数是重要的指标之一。常用的逐次逼 近式传感器有 adc0809 和 ad574。adc0809 是带有 8 位 a/d 1、键盘输入 键盘是一组按键的组合，它是常用的输入设备。操作员可以通过键盘向计 算机输入数据，实现简单的人机对话。键的多少根据设计功能所需而定。每一 个键相当于一个机械开关触点，按键未按下时，键的两个触点处于断开状态， 按键按下时，两个触点闭合。当单片机接收到按键的触点信号后作出相应的处 理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。 本文介绍的是非编码键盘，非编码键盘可分为独立式键盘和矩阵式键盘。 独立式键盘接口电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键接口必须占用一根 i/o 口线，在按键较多时，i/o 口线浪费较大。而矩阵式键盘适用于按键较多的 键盘。可采用了 44 矩阵式 2、输出显示 本模块实现了人与电子秤的交互功能，由 44 位键盘和 6 位共阴极 led 七段码二极管组成。当重物放在秤上时，由 led 直接显示重物的重量。使用 者可以按动键盘键 0-9 以及小数点位来设定重物单价，以 kg 为单位。当按动 显示模式按键时分别显示质量、单价或者总价。 显示部分采用了当今常用的 led 驱动芯片 max7219。max7219 是 maxim 公司推出的 8 位 led 串行显示驱动器，它采用 3 线串口传送数据，占 用资源少可以节省单片机的 i/o 口的使用且硬件简单，只需一个外部电阻即可 方便地调节 led 的亮度；可灵活地选择显示器的个数(18 个,级联可成倍增 加)；可进行译码或不译码显示，减少了编程量；内含硬件动态扫描控制，可 设置低功耗停机方式。故本电子秤最终采用了该芯片作为 led 驱动。 2.5 本章小结 本章主要介绍了系统总体设计的方案。先简单介绍了称重器的工作原理及 9 结构组成，它主要分承重、传力复位系统、称重传感器、键盘输入和显示输出 三大块。然后给出了四种系统总体设计方案，一一论证，最后选择了第三种设 计方案。包括压力传感器、信号处理电路、a/d 转换器、单片机、键盘和显示 电路几种模块。下面对各个模块进行介绍和选型。经过论证，称重传感器采用 电阻应变式传感器；信号处理部分采用专用仪表放大器 ad620，此芯片内部 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；a/d 转换模块采用我们熟悉的 ad574 转换器，利用不同的控 制信号可以实现高精度的 12 位转换和 8 位转换；键盘采用矩阵式键盘，显示 部分采用了当今常用的 led 驱动芯片 max7219。本章的方案及模块的确定为 第三章的硬件 10 3 硬件电路设计 根据设计要求以及系统所需要实现的功能，在设计系统时可以分成以下几 个部分：系统主控电路，前端信号采集、处理、转换模块，人机接口界面以及 系统电源部分。 3.1 系统主控电路的设计 3.1.1 单片机芯片 at89s51 介绍 1、芯片 at89s51 主控制器采用 at89s51 单片机作为微处理器，at89s51 是美国 atmel 公司 生产的低电压、高性能 cmos 8 位单片机。at89s51 是一种带 4k 字节闪烁可编 程可擦除只读存储器的单片机，其指令集和传统的 51 单片机指令集是一样的。 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 at89s51 是 一种高效微控制器，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。 at89s51 具有如下特点：40 个引脚，4k bytes flash 片内程序存储器， 128 bytes 的随机存取数据存储器（ram） ，32 个外部双向输入 /输出（i/o）口， 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串 行通信口，看门狗（wdt ）电路，片内时钟振荡器。 此外，at89s51 设计和配置了振荡频率可为 0hz 并可通过软件设置省电 模式。空闲模式下，cpu 暂停工作，而 ram 定时计数器，串行口，外中断系 统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 ram 的数据，停止芯片其它功能 直至外中断激活或硬件复位。 2、at89s51 的主要特性 片内程序存储器 4kb 的 flash 存储器，允许在线编程； 片内数据存储器内含 128 字节的 ram； io 具有 32 给可编程 io 线； 中断系统由 6 个中断源、五个中断矢量和 2 级中断优先级构成； 串行口是一个全双工的串行通信口； 11 具有两个数据指针 dptr0 和 dptr1； 低功耗节电模式有空闲模式和掉电模式； at89s51 的电源电压为 4.0-5.5v； 具有片内看门狗指令； 灵活在线编程方式； 具有掉电标志 pof； 与 89c51 单片机相比，at89s51 具有更突出的优点，主要表现在： 新增加了在线可编程功能 isp（insystem program）,在现场程序调 试和修改更加方便灵活； 数据指针增加到两个，方便了对片外 ram 的访问过程； 新增加了片内看门狗定时器 wdt，提高了系统的抗干扰能力； 增加了掉电标志； 增加了掉电状态下的中断恢复模式。 3.1.2 单片机引脚说明 单片机的引脚图见图 3-1 所示： 图 3-1 at89s51 的引脚图 引脚功能说明： at89s51 单片机芯片为 40 个引脚，下面简单叙述各引脚的功能。 vcc/gnd：电源/接地引脚； p0 口：p0 是一个 8 位漏极开路型双向 i/o 端口，端口置 1(对端口写 1)时 作高阻抗输入端；p0 还可以用作总线方式下的地址数据复用管脚，用来操作 外部存储器。在这种工作模式下，p0 口具有内部上拉作用。对内部 flash 程序 存储器编程时，接收指令字节、校验程序、输出指令字节时，要求外接上拉电 阻； p1 口：p1 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/0 端口，输出时可驱动 4 个 ttl。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用； 另外， p1.0、p1.1 可以分别被用作定时器 /计数器 2 的外部计数输入 (p1.0/t2)和触发输 12 入(p1.1/t2ex) ；对内部 flash 程序存储器编程时，接收低 8 位地址信息； p2 口：p2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/0 端口；输出时可驱动 4 个 ttl。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用； p2 口在 存取外部存储器时，可作为高位地址输出；内部 flash 程序存储器编程时，接 收高 8 位地址和控制信息； p3 口：p3 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/0 端口，输出时可驱动 4 个 ttl。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 p3 引脚功能复用见表 3-1 所示： 表 3-1 p3 引脚功能复用 rst： 在振荡器运行时，有两个机器周期(24 个振荡周期)以上的高电平出现在此 管脚时，将使单片机复位。只要这个管脚保持高电平，51 芯片便循环复位。复 位后 p0p3 口均置 1，管脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器 sfr 全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 rom 的 00h 处开始运行 程序； xtal1、xtal2： xtal1 是片内振荡器的反相放大器输入端，xtal2 则是输出端，使用外 部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 xtal1，而 xtal2 悬空。内部方式时， 时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 12mhz，时钟频率就为 6mhz。晶振 13 的频率可以在 1mhz 至 24mhz 内选择，电容取 30pf 左右。 ale/prog： 访问外部存储器时，ale(地址锁存允许)的输出用于锁存地址的低位字节， 即使不访问外部存储器，ale 端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器 频率的 1/6)，在访问外部数据存储器时，出现一个 ale 脉冲； psen： 外部程序存储器的选通信号输出端。当 at89s51 由外部程序存储器取指 令或常数时，每个机器周期输出 2 个脉冲，即两次有效。但访问外部数据存储 器时，将不会有脉冲输出； ea/vpp： 外部访问允许端。当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。要使 at89s51 只访问外部程序存储器(地址为 0000h-ffffh)， 这时该引脚必须保 持低电平。 3.1.3at89s51 的最小系统电路构成 单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机 可以工作的系统。对 51 系列单片机来说,最小系统包括:单片机、晶振电路、 复位电路。其中复位电路采用上电复位。其最小系统电路图见图 3-2 所示： 存器等进行复位，使各个寄存器的值设为预定状态才能顺利开始工作。复位电 路的好坏决定着单片机能否正常工作。复位电路基本功能是在系统上电时提供 复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还 要经过一定的延时才撤销复位信号，主要是防止由于电源开关或插头分合过程 中引起的抖动。复位电路可以使用专用复位芯片，也可以用电阻电容搭建。本 文从可靠性和成本考虑最终选用电阻电容来搭建复位电路。对于 51 内核的单 片机，rst 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期 (24 个时钟振荡周期) 的高电平时，可以完成复位操作。r2，c4 为上电复位电 路。当单片机加电时由于 rc 充电的效果，使得复位脚保持一会高电平使单片 机内部寄存器彻底复位。 14 3.2 数据处理部分电路设计 3.2.1 传感器 表 3-2 yzc 的相关参数 2、ad620 放大电路设计 如图 3-3 所示，为 ad620 放大电路图，其中 1、8 管脚要跨接一个电阻来 调整放大倍数，可得到 11000 范围内的任意增益。4、7 管脚提供正负相等的 工作电压，由 2、3 管脚输入的放大电压即可从管脚 6 输出放大后的电压值。 管脚 5 则是参考基准，如果接地则管脚 6 的输出即为与地之间的相对电压。 ad620 的放大增益关系式为 （3-1） （3-2）1-g k4.9rg ad620 简单的放大滤波电路见图 3-3 所示： 图 3-3 ad620 滤波放大电路图 上片机接口电路设计 ad574 是美国模拟数字公司（analog）推出的单片高速 12 位逐次比较 型 a/d 转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显示片，具有外 接元件少，功耗低，高精度等特点，并且具有自动校零和自动极性转换 功能，只能外接少量的阻容件 数据输出格式：12 位/8 位 15 芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式 1、ad574 a0：字节地址短周期控制端。与12/ 端用来控制启动转换的方式和数据输 8 出格式。须注意的是，12/ 端ttl 电平不能直接+5v 或0v 连接；8 r/error!：读转换数据控制端； ce：使能端； v+：正电源输入端，输入+15v电源； re输入端。 2、ad574的接口电路 8051 单片机与 ad574a 的接口电路见图 3-4 所示，其中还使用了三态锁存 器 74ls373 和 74ls00 与非门电路，逻辑控制信号由(error!、r/error! 和 a0) 由 8051 的数据口 p0 发出，并由三态锁存器 74ls373 锁存到输出端 q0、q1 和 q2 上，用于控制 ad574a 的工作过程。ad 转换器的数据输出也通过 p0 数 据总线连至 8051，由于我们只使用了 8 位数据口， 12 位数据分两次读进单片 机，所以 r/error!接地。当 8051 的 p3.0 查询到 sts 端转换结束信号后，先将 转换后的 12 位 a/d 数据的高 8 位读进 8051，然后再将低 4 位读进 8051。这里 不管 ad574a 是处在启动、转换和输出结果，使能端 ce 都必须为 1，因此将 8051 的写控制线error! 和读控制线error! 通过与非门 74ls00 与 ad574a 的使 能端 ce 相连。 图 3-4 单片机与 ad574 的接口电路 3.3 显示电路设计 本设计中显示部分采用了当今常用的led驱动芯片max7219。它连接微处 理器与8位数字的7段数字led显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的 led。其上包括一个片上的b型bcd编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而 且还有一个8*8的静态ram用来存储每一个数据。max7219采用24脚双列直插 式封装，其引脚见图3-5所示。 图 3-5 max7219 引脚图 16 管脚描述： din：串行数据输入端口。在时钟上升沿时数据被载入内部的16 位寄存器； dig0dig7：八个数据驱动线路置显示器共阴极为低电平。关闭时7219 此 管脚输出高电平； gnd：地线（4 脚和9 脚必须同时接地）； load：载入数据。连续数据的后 16 位在load 端的上升沿时被锁定； clk：时钟序列输入端。最大速率为10mhz.在时钟的上升沿，数据移入内部移 位寄存din 输入的数据在16.5 个时钟周期后在此端有效。当使用多个max7219 时用此端方便扩展。 在本系统中，将 max7219 的 din、load、clk 分别连接了单片机的 p2.5、 p2.6、p2.7 口，直接利用单片机的 i/o 口来进行数据的传输。7219 的 segasegg 作为 led 的数据线，dig0dig7 作为位选线。在 v+和 iset 之间加 一个 10k 外部电阻来调节 led 亮度。显示部分电路见图 3-6 所示。 图 3-6 max7219 接线图 3.4 键盘电路设计 本电子称重器的核心部件是 51 单片机，所以我们的抗干扰措施主要是针 对单片机。还用到称重传感器，所采用的应变式传感器是高阻抗器件，其绝缘 性能、机械结构的稳定性等，直接影响工作特性的稳定。因此，应变片传感器 的绝缘材料必须有很高的绝缘性能、足够的机械强度、高形状稳定性及良好的 抗湿性能。下面重点介绍单片机的抗干扰措施。 随着科学技术的迅速发展，人们对单片机测控系统的各种性能要求越来越 高。而系统的可靠性更倍受人们的关注，这是因为系统的可靠性决定了系统能 否达到所需要的精度。就单片机测控系统来讲，其主要干扰是来自电源和信号 传输通道的干扰。 1、电源的抗干扰措施 普通用电中含有多种高次谐波，它们很容易经电源进入单片机系统，还有 17 一些射频发射、电磁波等也会由电源线感应反馈进入单片机系统造成干扰。因 此，在电源电路中必需采取有效地滤波措施，来抑制这些高频干扰的侵入。电 源滤波的一般方法是在电源变压器初、次级分别设置低通滤波器和线间电容滤 波器，使 50hz 市电基波通过，而抑制掉高频信号。此外在变压器的初、次级 之间均采用屏蔽层隔离，其中初级屏蔽层接大地，次级屏蔽层接系统逻辑地， 以减少其分布电容，提高抗共模干扰的能力。 2、信号传输通道的抗干扰措施 信号传输通道包括系统的前向通道和后向通道，其主要干扰有：杂散电磁 场通过感应和辐射方式进入通道的干扰；由于地阻抗耦合、漏电流等因素产生 的加性干扰；以及因传输线衰减、阻抗失配等因素引起的乘性干扰。对于这三 类干扰，可以采用以下几种措施加以排除。 （1）光电隔离技术 光电耦合器对干扰信号具有良好的隔离性能，一是它的输入阻抗很小， 约为 100fl-lldl，而干扰源内阻则很大，通常为 105q108q ，因此能分压到光 电耦合器输入端的噪声很小；-是光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流 状态下工作的，即使干扰噪声有较高的电压幅度，但由于能量小，不能提供足 够的电流使发光二极管发光而被抑制掉；三是光电耦合器的输入回路与输出回 路之间分布电容极小，绝缘电阻很大，回路一边的干扰很难通过光电耦合器馈 送到另一边去。因此，采用光电耦合器可将单片机与前向通道、后向通道及其 他部分从电气上隔离开来，能有效地防止干扰信号的侵入。 （2）接地技术 本系统既有模拟电路又有数字电路，因此数字地与模拟地要分开，最后只 在一点相连，如果两者不分，则会互相干扰。 （3）输入输出信号线采用屏蔽双绞线 屏蔽双绞线对于静电干扰和电磁干扰有很好的抑制作用，有条件的话应尽 量采用。但使用中应注意： （1）线缆敷设时不要过分用力或使电缆打结、避免弯曲超过 900、避免过 紧地缠绕电缆，以保护双绞 47 线的扭绞状态； 18 （2）做线时，避免损坏线缆的外皮、不要切坏线缆内的导线； （3）接线时，双绞线的开绞长度尽量小，不要超过 20mm； （4）双绞线的屏蔽层采用设备端单端接地方式。 3.6 本章小结 本章主要介绍电子称重器的硬件设计。at89s51 的最小系统电路构成，数 据处理部分电路设计，显示电路设计，键盘电路设计以及硬件抗干扰措施。抗 干扰技术是一项复杂的工程，但又是单片机系统设计过程中必须考虑的环节， 有效运用硬件抗干扰技术，才能保证系统长期稳定、可靠运行。 4 系统软件设计 本系统程序使用模块化的程序设计思想，主程序通过调用子程序以实现各 部分功能。先进行软件的总体设计，然后进行各功能模块设计。 4.1 主程序设计 电子秤需要有数据采集、处理、存结果、送显示的运行过程。根据这一要 求，电子秤的信息测量与处理分三个阶段：在微处理器的控制下，经传感器转 换的电压信号通过输入电路送入 a/d 转换器处理，存入到数据存储器中；微处 理器对采集的测量数据进行必要的数据处理，把数据信号处理为显示所要求的 信号格式，通过输出接口电路输出并显示。主流程图见图 4-1 所示： 图 4-1 主流程图 图 4-2 max7219 初始化流程图 在程序中首先定义函数 void write_7219(uchar address,uchar dat)， 以 max7219 的各寄存器的地址作为其参数，完成对 max7219 进行送数据以及写 控制字命令。max7219 的流程图见图 4-2 所示。 在初始化子程序中,调用该函数依次往地址 0x0f,0x09,0x0a,0x0b,0x0c 写 入数 f 在单片机对采样数据进行处理后应该对数据进行显示。在主程序中定义全 19 局变量 char print_c，键盘子程序改变其值，当最低位为 1 时显示重量，当第 二位为 1 时显示总价，当第三位为 1 时显示单价。此时程序查询 print_c 的值， 以向 max7219 显示输出相应的数据。 4.2 a/d 转换的实现 为了实现数字滤波的功能，采取了由单片机控制 ad574 连续采样 5 次数 据，每隔 200ms 采样一次，并且将转换的数字信号传给单片机。为了提高 cpu 的效率和系统具有良好的时效性，采用中断方式控制 ad 转换的结束。 ad574a 的转换结束信号 sts 与单片机的 p3.3 相连，可作为中断申请号。本 系统的中断服务程序是 t0 采样中断服务程序，另外还有一个 ad574 申请 cpu 取数的外部中断服务程序。ad 转换主程序流程图见图 4-3 所示： 图 4-3 ad 转换流程图 t0 中断服务子程序见图 4-4 所示： 图 4-4 t0 中断服务程序流程图 系统响应 t0 定时中断后，cpu 执行了一条由中断系统提供的硬件 lcall 指令，转向 t0 中断服务程序入口，中断服务程序首先恢复 t0 计数器初值，随 后保护现场。现场保护完成以后进入信号采样阶段，即执行采样子程序，在采 样完毕后调用 a/d 转换程序 ad574 将数据进行转换，其中还包括 a/d 转换的 中断服务程序。采样和 a/d 转换循环三次后，进入数字滤波程序，将中值 作 为采集到的数据保存起来。 4.3 数据信号处理 数据经过 a/d 转换后还不是要显示的信息，还需进行处理才能得出所 要显示的数据，本次设计采用数字滤波的方法，可以对频率很低的信号滤波， 通过改变数字滤波程序就可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数，比修改模 拟滤波，先从 p2 口输出 0x0f，读入数据保存；再从 p2 口输出 0xf0，再次读 入数据，两次数据相加，即可从所得的数判断按下的键所在的位置。在键盘扫 描程序中使用了延时去抖动的办法，其流程图如 20 键盘两次使用反转法进行扫描键盘，中间延时 50ms，结束后判断两次扫描 所 得 到 的键值是否一致，若一致则返回键值，不一致则返回 0。 本程序中扫描键盘使用了函数为 图 4-5 去抖动键盘扫描流程图 当读入键值后，调用读键值函数读取各个键值。所读的键值应为按图 4-6 所示排列的值，在读键值函数中使用 swich 语句，根据不同值选择不同的操作。 当按键是置数键 set_price 时，调用函数 set_price()。其函数流程图如 4-8 所示，函数先将使用 for 循环调用 write_7219()将所有的 led 关闭。调用 read_key()函数从键盘中读取一位数据显示并存储，此时利用 while 语句判断 键值是否为释放，若释放则读取下一位数据显示并存储，最后将十进制数据转 化为十六进制数存储以备乘总价显示时使用。 图 4-6 键值分部图 当按键是显示模式设置时，调用 set_display_mode()函数，设定一个全局 变量 mode_display 数计数，初始值为 1，按下一次加 1，当加到 3 时重新值 1。当 mode_display 为 1 时表示显示重量，为 2 时表示显示总价，为 3 时表示 显示单价。设置单价的流程图见图 4-7 所示： 图 4-7 set_price()函数流程图 4.5 led 显示的实现 max7219 与单片机通信是串行通信，在 clk 的上升沿，一位数据被加载 到内部 16 位移位寄存器中。串行通信的格式如表 4-1 所示： 表 4-1 串行通信的格式 如表 4-1 所示，在单片机写入数据时，应在每个 clk 高电平时将数据写入 d14 d13 d12 d11 d10 d9 d8 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 d15 地址 msb 数据 lsb 21 din 口，高 8 位为地址低 8 位为数据共 16 个周期。所以在单片机向 max7219 写 数据的函数 void write_7219( uchar address,uchar data)中，以 8 位地址和 8 位数据为两个形参，按照通讯时序将 16 位数据一一写入 max7219。其流程图 见图 4-8 所示。 图 4-8 写 max 流程图 显示使用 switch 语句判断全局变量 mode_display，当值为 1 时调用 display_weight()显示重量，当值为 2 时调用 display_sum()显示总价，当值 为 3 时调用 display_price()显示单价。display_weight()将滤波后的到得重 量信号 sum 转化为十进制数，并逐位发送到 max7219 显示。 display_sum()将重量信号和单价信号相乘，并逐位发送到 max7219 显示。 display_price()将单价信号转化为十进制数，逐位发到 max7219 显示。其中， display_sum()函数应显示的位数最多，最复杂，流程图见图 4-9 所示： 图 4-9 display_sum()函数流程图 如图 4-9 所示，本系统的重量最大为 10.00kg，单价最大为 9.9 元，这样 相乘后总价最大为 99.000，考虑到实际情况，最后一位 0 不需要显示，可以舍 去。为了避免在单片机中进行浮点数运算，用整形运算模拟定点小数，这样， 可以取出各个位的值。 显示时，先将 led 全部关闭，再将 bit6 位置标志 e，表示此时显示的是总价 信息。然后将相乘后的各位取出，首先判断千位，如果为零的话，不显示，判 断百位；如果千位不为零，则以下所有位都要显示。当判断到十位时，将该数 与 0x80 相与，即将最高位置 1，表示显示小数点位。最后显示个位，这样就将 总价信息显示出来。 4.6 软件抗干扰 单片机抗干扰除了有硬件抗干扰措施，还须有软件抗干扰措施。其中软件 抗干扰措施设计灵活、不需增加硬件资源、成本低。下面简单介绍几种常用的 软件抗干扰方法。 （1）采用数字滤波消除传感器通道中的干扰信号 22 常用的数字滤波方法有：平均值法、中值法、一节递推数字滤波法等。 平均值法是对一点数据连续多次采样，计算其平均值以作为点的采样结果，这 样可以减少系统的随机干扰对采样结果的影响