基于c51单片机的智能电子称设计

毕业设计（论文） 设计（论文）题目： 基于C51单片机的智能电子称设计 班 级： 计算机 1021 学 生 学 号： 学 生 姓 名： 同 组 成 员: 指 导 教 师： 常州工程职业技术学院 二一三年一月 2 目录目录 目录目录2 摘摘 要要5 ABSTRACTABSTRACT6 第一章第一章 绪论绪论7 1.1 电子称的简介7 1.2 电子称的发展趋势 7 1.3 设计总体思路 8 第二章第二章 系统方案论证与选型系统方案论证与选型10 2.1 设计要求10 2.2 整体功能10 2.3 电子秤的工作原理10 2.4 控制器部分的选择11 2.5 数据采集部分的选择 13 2.5.1 传感器的选择.13 2.5.2 放大电路选择16 2.6 A/D 转换器的选择.19 2.7 键盘处理部分方案论证21 2.8 显示电路部分的选择 22 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计23 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 3 3.1 单片机 STC89C52 及其电路 23 3.2 称重传感器24 3.3 电子秤专用 24 位 AD 转换芯片 HX711 及其电路 24 3.4 液晶屏电路24 3.5 矩阵键盘电路 25 3.6 声光报警电路 25 3.7 电源电路25 3.8 硬件的调试25 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计27 4.1 系统的主程序设计27 4.2 A/D 转换启动及数据读取程序设计.27 4.3 键盘模块的设计 28 4.3、声光报警模块 .29 4.4、显示模块的设计 .29 第五章第五章 系统集成系统集成30 5.1 编译与链接30 5.2 软件运行与调试30 5.2.1USB 转串口驱动安装30 5.2.2 程序下载运行31 4 5.2.4、程序上电运行.33 5.3、软件操作说明 .34 5.3.1 键盘定义说明.34 5.3.2 软件常用使用步骤35 5.4 调试故障及原因分析 35 结束语结束语36 致谢致谢37 参考文献参考文献38 附录一：系统仿真效果图附录一：系统仿真效果图39 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 5 摘摘 要要 电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综 合一体的现代新型称重仪器。它与我们日常生活紧密结合成为一种方便、快捷、 称量精确的工具，广泛应用于商业、工厂生厂、集贸市场、超市、大型商场、 及零售业等公共场所的信息显示和重量计算。 电子称主要以单片机作为中心控制单元，通过称重传感器进行模数转换单 元，在配以键盘、显示电路及强大软件来组成。电子称不但计量准确、快速方 便，更重要的自动称重、数字显示，对人们生活的影响越来越大，广受欢迎。 本系统针对电子称的自动称重、数据处理等进行了设计和制作。为了阐明 用单片机是如何对采样数据进行处理，对数据的采集和转换、计算问题进行了 研究，讨论了单片机控制系统中关键的计算问题。本文在给出智能电子称硬件 设计的基础上，详细分析了电子称的软件控制方法。单片机控制的电子称结构 简单，成本低廉，深受人们的喜爱，本文将对此进行详细讨论。 称重装置不仪是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业 管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到 了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及 加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到围民 经济各领域，取得了显著的经济效益。 本课题设计的电子秤以 STC89C52 单片机为主要部件, 通过对硬件和软件进 行设计而成。硬件由电阻应变式称重传感器、STC89C52 单片机、INA156 和 LCD 液晶组成电子秤(测量范围 015Kg)。 设计结果证明，该系统显示误差小，性能稳定，结构合理，扩展能力强。 关键词关键词：89C52 单片机；A/D 转换；矩阵键盘；12864 液晶 6 AbstractAbstract Electronic scale is the detection of integration and conversion technology, computer technology, information processing, digital technology and modern new weighing instrument. It is closely integrated with our daily lives into a convenient, fast, precision weighing instrument, widely used in commercial, factory factory, country markets, supermarkets, shopping malls, and retail and other public places, information display and weight. Electronic known mainly as a central control unit MCU, analog to digital conversion unit, through the weighing sensor, with the keyboard, display circuit and powerful software to form. Electronic said not only accurate measurement, impact on peoples lives is more and more big, the popular. The system design and production is known for the electronic automatic weighing, data processing. In order to illustrate how to use the MCU is sampling data processing, data acquisition and conversion, computational problems studied, discusses the calculation of key SCM system. In this paper the intelligent electronic scale based on the design of hardware, a detailed analysis of the software control method of electronic name. Microprocessor controlled electronics that has simple structure, low cost, loved by the people, this will be discussed in detail. Weighing device is provided not only single instrument weight data, but also as a part of the control system of industrial and commercial management system, push the automation of industrial production and modernization of management, it is up to the shortening of operation time, improve operating condition, reduce energy and material consumption, improve product quality and strengthen the enterprise management, improve the operation and management etc Application of weighing device has spread to the surrounding areas of national economy, has achieved remarkable economic benefits. Electronic scale of this project is to design to STC89C52 microcontroller as the main component, and the design of hardware and software. The hardware is composed of resistance strain weighing sensor, STC89C52 MCU, INA156 and LCD LCD electronic scale ( range: 0 15Kg ). Keywords: 89C52; A/D transformation; matrix keyboard; LCD 12864 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 7 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 电子称的简介电子称的简介 称重仪是电子衡器的一种，电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要 手段,对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究 都起到了重要作用。电子衡器具有反应速度快、测量范围广、应用面广、结构 简单、使用操作方便、信号远传便于计算机控制等特点，被广泛应用于煤炭、 石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口建筑机械制造和国防 等各个领域。 在工业现场和环境中干扰源是各种各样的，如噪音干扰、工频干 扰等，抗工频干扰能力成为衡量电子衡器性能的重要指标。为了具备这一性能， 市场上的电子衡器的电路普遍较复杂，相对地，成本也较高。而本产品电路简 单，成本低，抗工频干扰强，具有很好的推广价值。 1.21.2 电子称的发展趋势电子称的发展趋势 电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由粗糙到精 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。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。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。 50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60年代初期出现机 电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初 的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备 和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平,少数产品的技术已处于国际领 先水平。国内的电子秤市场中,1009左右量程的电子秤精度一般为0.019即 10mg。在研究方法上,电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量 8 或力的大小,通过压力传感器转换为电信号,并通过控制电路来处理该电信号。 电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重 发展：计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数 测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。 在国际上,一些发达 国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平。特别是在准确度和可靠性等方 面有了很大的提高。在称重传感器方面,国外电子秤产品的品种和结构又有创新,技 术功能和应用范围不断扩大,成果举例如下: (l)美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重 传感器,用于高准确度检验平台,称重平台,准确度可达5000d。 (2)德国HBM公司研制成功C2A、 C16A两种不同结构的1-100t具有耐压外壳 保护的防爆称重传感器,其防爆性能符合欧洲EN50014和EN50018d级标准。 (3) 美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢F6Ox系列5-5000kg称重传感器,准 确度6000d。用于湿度大,腐蚀性强的环境中,而且防水。 (4)德国塞特内尔公司 研制出以被青铜为弹性体材料,快速称重用200型称重传感器。其特点是线性好, 固有频率高,动态响应快。独创油阻尼装置与过载保护装置一体化,保证称量时 速度快,工作寿命长。组装3一30kg电子平台秤,准确度可达4000d。 但就总体而 言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主 要差距是技术与工艺不够先进、工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。 1.31.3 设计总体思路设计总体思路 目前,台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍,但存在较大的局限性： 体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。现 有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤,居民用户使用的基 本是杆秤。弹簧盘秤制造工艺要求较高,弹簧的疲劳问题无法彻底解决,一旦超过 弹簧弹性限度,弹簧秤就会产生很大误差,以至损坏,影响到称重的准确性和可靠 性,只是一种暂时的代用品,也被列入逐渐取消的行列。 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，还增加了打印和通讯功能，可以实现和其他机器或设备（包括上位 PC 机和数据存储设备）交换数据.除此之外，系统的微控制器部分选择了兼容 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 9 性比较好的 AT89 系列单片机，在系统更新换代的时候，只需要增加很少的硬 件电路，甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。 另外由于实际应用当中，称可以有一定量的过载，但不能超出要求的范围， 为此我们还设计了过载提示和声光报警功能。 综上所述,本课题的主要设计思路是：利用压力传感器采集因压力变化产生 的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号， 最后把数字信号送入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的 重量及总额，然后再显示出来。此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。主 要技术指标为：称量范围 05kg;分度值 0.01kg;精度等级级;电源 DC1.5V（一节 5 号电池供电） 。 这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便,集质量称量功能与价 格计算功能于一体,能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。 10 第二章第二章 系统方案论证与选型系统方案论证与选型 2.12.1 设计要求设计要求 1）参数要求 量程：10kg 感量（分辨率）：5g 数字显示：重量3 1/2位 2）设计要求 (1) 采用STC89C52单片机控制，要求设计出硬件系统和软件系统。 (2) 合理选择传感器、转换电路和显示输出电路等。 其它要求 能实现转换、显示和调校等多种功能，具有准确度高、实时性好等特点。 2.22.2 整体功能整体功能 1、采用高精度电阻应变式压力传感器，测量量程0-10kg，测量精度可达 5g。 2、采用电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片hx711对传感器信号进行 调理转换，HX711 采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子 秤而设计的24 位A/D 转换器芯片。 3、采用STC89C52单片机作为主控芯片，实现称重、计算价格等主控功能。 4、采用128*64汉字液晶屏显示称重重量、单价、总价等信息。 5、采用4*4矩阵键盘进行人机交互，键盘容量大，操作便捷。 6、具有超量程报警功能，可以通过蜂鸣器和LED灯报警。 7、系统通过USB电源供电，单片机程序也可通过USB线串行下载。 2.32.3 电子秤的工作原理电子秤的工作原理 当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器， 传感器随之产生力一电效应，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（电压或电流等） 。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， 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 11 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。 按照本设计功能的要求，系统由 6 个部分组成：控制器部分、测量部分、 报警部分、数据显示部分、键盘部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框 图如图 2-1 所示： 压力传感器 A/D 转换器放大电路 STC89C52 单片机键盘 LCD 显示 语音显示 图 2-1 设计思路框图 测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为 电压信号） ，而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路， ）处理后，送 A/D 转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自 A/D 转换器输出的 数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其 存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展 I/O 的控制，对键盘进行扫描， 而后通过键盘散转程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显 示功能。 12 2.42.4 控制器部分控制器部分的选择的选择 本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控 制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型 的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统” 。这种新型的 智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都 取得了巨大的进展。 再则由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比较大，根 据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带 EPROM 的单 片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器， 这样电路也可简化。INTEL 公司的 8051 和 8751 都可使用，在这里选用增强型 MCS-51 系列单片机。增强型 MCS-51 单片机芯片有一下特征： 第一，芯片内存储器容量大，规格多，程序存储器类型也趋于多样化； 第二，指令执行时间短，一方面最高时钟频率从 12MHz 提高到 16MHz，24MHz，33MHz,40MHz,甚至 60MHz;另一方面减少了每机器周期的时钟数； 第三，扩展了接口电路功能； 第四，内置了单片机应用系统前、后向通道所需的某些模拟电路； 第五，内置了 RC 振荡电路、抚慰电路； 第六，可选择性 I/O 引脚可定义为准双向输出、互补推挽、漏极开路、高 阻输入 4 中方式之一，简化了外部接口电路的设计； 第七，增加了 CPU 始终分频器，可实事调整 CPU 的始终频率； 第八，系统功耗低； 第九，强化了电磁兼容性设计； 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 13 第十，内置定时复位（Watchdog）监控电路及电源电压监控电路，提高了 应用系统的可靠性； 第十一，封装形式多样化。 由于其功能齐全， ，片内数据存储器容量大，带有可编程阵列，使用灵活，电磁 兼容性好，能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。 最后我选择了 MCS-51 这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。MCS- 51 内部带有 8KB 的程序存储器，基本上已经能够满足我们的需要。 2.52.5 数据采集部分数据采集部分的选择的选择 电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路电路，因此对于这 部分的论证主要分两方面。 2.5.12.5.1 传感器的选择传感器的选择 在设计中,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,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以 程度和设计性价比等等. 传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自 重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的 量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用 时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及 振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感 器的安全和寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素 后，经过大量的实验而确定的。其公式如下： CK0K1K2K3(WmaxW)/N （2.1） C单个传感器的额定量程；W秤体自重；Wmax被称物体净重的最大 14 值；N秤体所采用支撑点的数量；K0保险系数，一般取值在 1.21.3 之间； K1冲击系数；K2秤体的重心偏移系数；K3风压系数。本设计要求称重范 围 05kg，重量误差不大于 0.01kg，根据传感器量程计算公式（2.1）可知： C1.2511.031（201.9）1 (2-1) 9.01205 为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。 传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。在实际工作中，要求称重传感 器的有效量程在 20%80%之间，线性好，精度高。重量误差应控制在 0.01Kg，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，根 据式 2.1 的计算结果，所以我们确定传感器的额定载荷为 7.5Kg，允许过载为 150%F.S，精度为 0.05%，最大量程时误差0.01kg，可以满足本系统的精度要 求. 综合考虑,本设计采用 SP20C-G501 电阻应变式传感器,其最大量程为 7.5 Kg.称 重传感器由组合式 S 型梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置。由 于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，所以 该传感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点，广泛用于各种结构的动、 静态测量及各种电子秤的一次仪表。该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片 电缆线等组成，其工作原理如图 2-2 所示： 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 15 图 2-2 称重传感器原理图 表 2-1 压力传感器主要技术指标 准确度等级 Accuracy class C3 0.02 0.03 额定载荷 Rated load kg 1、2.5、5、7.5、10、15 灵敏度 Sensitivity mV/V 1.80.08 非线性 Nonlinearity 0.02 滞后 Hysteresis 0.02 重复性 Repeatability %F.S. 0.02 蠕变 Creep 蠕变恢复 creep recovery %F.S./30min 0.02 零点输出 Zero balance %F.S. 1 零点温度系数 Zero temperature coefficient 额定输出温度系数 Rated output temperature coefficient %F.S./10 0.02 输入电阻 Input resistance 415445 输出电阻 Output resistance 349355 绝缘电阻 Insulation resistance M 5000 供桥电压 Supply voltage V 12（DC/AC） 温度补偿范围 Temperature compensation range -10+50 允许温度范围 Safe temperature range -20+60 允许过负荷 Safe overload %F.S. 120 极限过负荷 Ultimate overload %F.S. 200 四角误差 Four corner error %F.S. 0.03 连接电缆 Connect cable mm 3.8300 其测量原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时， 应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电 压或电流的变化。由于内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形 时，输出信号电压可由下式给出： （2-2） Ein R4 R4 R3 R3 R2 R2 R1 R1 )42( 42 E RR RR out 上式说明电桥的输出电压 V 和四个桥臂的应变片感受的应变量的代数和成正比。 16 2.5.22.5.2 放大电路选择放大电路选择 称重传感器输出电压振幅范围 020mV。而 A/D 转换的输入电压要求为 02V，因此放大环节要有 100 倍左右的增益。对放大环节的要求是增益可调的 （70150 倍） ，根据本设计的实际情况增益设为 100 倍即可，零点和增益的温 度漂移和时间漂移极小。按照输入电压 20mV，分辨率 20000 码的情况，漂移要 小于 1V。由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（1V） ，从而保证了放 大环节对零点漂移的要求。残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解 决。稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好选用高阻值的电 阻和多圈电位器。 由 2.2.1 中称重传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械 应变转换成 R/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻 值 120，灵敏系数 K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为 1000，应变 电阻相对变化量为： R/R = K= 21000106 =0.002 （2-3） 由式 2-3 可以看出电阻变化只有 0.24，其电阻变化率只有 0.2%。这样小 的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路， 把应变计的 R/R 变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小， 需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被 A/D 转换芯片接 收的信号。在前级处理电路部分，我们考虑可以采用以下几种方案： 方案一、利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路； 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、主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级 处理电路；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 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 17 OP07)做成一个差动放大器。其设计电路如图 2-3 所示： 方案（三）：采用专用仪表放大器，如：INA126，INA121 等构成前级处 理电路。下面举例用 INA128 仪用仪表放大器来实现。 + - - + - + A1 A2 A3 R1 1.1K R3 10K R4 20K R3 10K R2 10K R4 4K R2 20K R4 20K U1 + - U2 U0 图 2-3 利用普通运放设计的差动放大器 一般说来，集成化仪用放大器具有很高的共模抑制比和输入阻抗，因而 在传统的电路设计中都是把集成化仪器放大器作为前置放大器。然而，绝大多 数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大器，它们的共模抑制比与增益 相关：增益越高，共模抑制比越大。而集成化仪器放大器作为心电前置放大器 时，由于极化电压的存在，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就使得集 成化仪器放大器作为前置放大器时的共模抑制比不可能很高。有学者试图在前 置放大器的输入端加上隔直电容（高通网络）来避免极化电压使高增益的前置 放大器进入饱和状态，但由于信号源的内阻高，且两输入端不平衡，隔直电容 （高通网络）使等共模干扰转变为差模干扰，结果适得其反，严重地损害了放 大器的性能。 为了实现信号的放大，设计电路如 2-4 所示： 18 图 2-4 采用 INA128 设计的放大电路 1. 前级采用运放 A1 和 A2 组成并联型差动放大器。理论上不难证明，在运算 放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比 也为无穷大。更值得一提的是，在理论上并联型差动放大器的共模抑制比与电 路的外围电阻的精度和阻值无关。 2 阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器 构成的后级放大器之间，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而提高电路的 共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用 共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称（匹配）导致 的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。 3. 后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻 容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很 高的共模抑制比。 从理论上计算整个电路的共模抑制比为： (2-4) 式中：CMRTotal或 CMRRTotal放大器的总共模抑制比；CMR1第一级放大器 的共模抑制比；CMR2 或 CMRR2第二级放大器的共模抑制比； A1d、A1c、A2d 和 A2c分别为第一 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 19 级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。 经过实际测量，图 2-4 所示的电路采用图中所给出的参数时，电路的共模 抑制比在 120dB 以上。 有以上分析以及基于电子秤的要求精确度不是很高，所以选择由普通放大 器所组成的差动放大器作为本设计的信号放大电路。 2.62.6 A/DA/D 转换器的选择转换器的选择 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- 型和流水线型 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。目前， ADC 集成电路主要有以 下几种类型： （1）并行比较 A/D 转换器：如 ADC0808、 ADC0809 等 。并行比较 ADC 是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在 1GSPS 以上，通常称为“闪烁 式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的 ADC 所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器 的传输时间延迟等。缺点是：并行比较式 A/D 转换的抗干扰能力差，由于工艺 限制，其分辨率一般不高于 8 位，因此并行比较式 A/D 只适合于数字示波器等 转换速度较快的仪器中，不适合本系统。 (2） 逐次逼近型 A/D 转换器：如：ADS7805、ADS7804 等。逐次逼近型 ADC 是应用非常广泛的模/数转换方法，这一类型 ADC 的优点：高速，采样速 率可达 1MSPS；与其它 ADC 相比，功耗相当低；在分辨率低于 12 位时，价 格较低。缺点：在高于 14 位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进 行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。 (3）积分型 A/D 转换器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433 等。 积分型 ADC 又称为双斜率或多斜率 ADC，是应用比较广泛的一类转换器。它的 20 基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间 隔。与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现 A/D 转换。积分型 ADC 两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来 确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压 VR。此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能 力。若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起 的误差减小到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。这类 ADC 主要应用于低 速、精密测量等领域，如数字电压表。其优点是：分辨率高，可达 22 位；功耗 低、成本低。缺点是：转换速率低，转换速率在 12 位时为 100300SPS。 (4 ）压频变换型 ADC：其优点是：精度高、价格较低、功耗较低。缺点是： 类似于积分型 ADC，其转换速率受到限制，12 位时为 100300SPS。 考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合，精度要求不是很苛刻， 转换速率要求也不高，而双积分型 A/D 转换器精度高，具有精确的差分输入， 重要的是输入阻抗高（大于） ，可自动调零，有超量程信号输出，全部 M 3 10 输出于 TTL 电平兼容。且双积分型 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较强，对高于 工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。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。 根据系统的精度要求以及综合的分析其优点和缺点，本设计采用了 12 位 A/D 转换器 AD574 2.72.7 键盘处理部分方案论证键盘处理部分方案论证 由于电子秤需要设置单价（十个数字键） ，还具有确认、删除等功能，总共 需设置 17 个键（包括一个复位键） 。键盘的扩展有使用以下方案： 采用矩阵式键盘：矩阵式键盘的特点是把检测线分成两组，一组为行线， 一组列线，按键放在行线和列线的交叉点上。图 2-5 给出了一个 44 的矩阵键 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 21 盘结构的键盘接口电路，图中的每一个按键都通过不同的行线和列线与主机相 连这。44 矩阵式键盘共可以安装 16 个键，但只需要 8 条测试线。当键盘的 数量大于 8 时，一般都采用矩阵式键盘。 图 2-5 矩阵式键盘 结合本设计的实际要求，16 个按键使用 44 矩阵式键盘，另外一个复位 键使用独立式按键实现。 2.82.8 显示电路部分的选择显示电路部分的选择 数据显示是电子秤的一项重要功能，是人机交换的主要组成部分，它可以 将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。数据显示部分可 以有以下两种方案供选择。的组成有以下两种方案可供选择：一是 LED 数码管 显示,二是 LCD 液晶显示两种选择. 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 22 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 单片机单片机 STC89C52STC89C52 及其电路及其电路 (1) STC89C52 单片机概述 STC89C52系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是 高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但 速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。 (2) STC89C52 单片机特点 增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051； 工作电压： 5.5V - 3.5V（5V单片机） ； 工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的 080MHz； 用户应用程序空间 4K/8K/16k/32K/64K字节； 片上集成1280字节 RAM； 通用I/O口（32/36个） ，复位后为准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口） ； ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编程器/仿真器。 每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA； 可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片； 有EEPROM功能； 看门狗； 内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻 到地） ； 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器； 用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时 钟； 常温下内部R/C 振荡器频率为：5.0V 单片机为： 11MHz 17MHz； 共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和 T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2 路PCA模块可再实现2个16位定时器； 外部中断I/O口4路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升 沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒； 23 通用全双工异步串行口(UART) ； 工作温度范围：-40 +85(工业级) / 0 75(商业级) ； 封装：PDIP-40, PLCC-44。 (3) STC89C52 单片机管脚及封装 STC89C52单片机有多种封装形式，本设计中选用40DIP封装 3.23.2 称重传感器称重传感器 传感器是测量机构最重要的部件。称重传感器本身具有单调性，其主要参 数指标是灵敏度、总误差和温度漂移。 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，不平 衡电压与作用在传感器上的载菏P成正比，从而将非电量转化成电量输出。 3.33.3 电子秤专用电子秤专用 2424 位位 ADAD 转换芯片转换芯片 HX711HX711 及其电路及其电路 HX711 采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设 计的24 位A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电 源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响 应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能 和可靠性。 该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动， 无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A 或通道B，与其 内部的低噪声可编程放大器相连。通道A 的可编程增益为128 或64，对应的满 额度差分输入信号幅值分别为20mV或40mV。通道B 则为固定的32 增益，用 于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D 转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要 任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。 HX711内部方框 图如图3-6所示。其外部管脚如图8所示。 3.43.4 液晶屏电路液晶屏电路 液晶屏电路如图11所示。LCD_CS、LCD_RES、LCD_RS、LCD_SDA、LCD_SCK为 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 24 液晶模块与单片机接口的控制线。CS_ZK、SCK_ZK、SO_ZK和SI_ZK为字库和单片 机接口的控制线。 该液晶为晶讯联公司的128*64汉字屏JLX12864G-086-PC显示信息。该显示 模块既可以当成普通的图像型液晶显示模块使用（即显示普通图像型的单色图 片功能） ，又含有JLX-GB2312 字库IC，可以从字库IC 中读出内置的字库的点阵 数据写入到LCD 驱动IC 中，以达到显示汉字的目的。其接口引脚功能介绍： 3.53.5 矩阵键盘电路矩阵键盘电路 矩阵键盘可以显示0-9数字、小数点和五个功能键。键盘行扫描信号为 ROW1ROW4，列扫描信号为COL1COL4。行信号为输入信号，低电平有效；列 信号为输出信号。当没有键按下时，即使行扫描输入低电平信号，列信号仍为 高电平；当行扫描为低电平并且有键按下时，相应的列输出低电平。该低电平 信号可以定位至按下键的位置。 3.63.6 声光报警电路声光报警电路 当测量重量超过量程时，beep和alert给出低电平信号，驱动蜂鸣器鸣响， 报警灯亮。 3.73.7 电源电路电源电路 本设计采用 USB 接口供电，电源电压 5V。同时，USB 接口通过内含 PL2303 芯片 的转换电路对单片机进行程序编写。 3.83.8 硬件的调试硬件的调试 调试包括硬件调试、软件调试和样机调试。 软件的调试和硬件的调试都是独立进行的，软件部分包括数据采集子程序、 数据处理子程序、显示子程序、键盘扫描子程序。软件调试中需要用到的测量 信号可以用仿真实验台上的电压信号进行模拟，而不需要进行硬件的连接。同 样硬件部分的调试也是不需要软件连接而独立进行的。 当软件调试和硬件调试都正确无误的时候，就可以进行连接调试，在调试 25 中继续找出单独调试中无法指出的故障，反复进行修改软件、修改硬件设计的 工作，直到所设计的电子秤显示数据与理想数据误差不大。 我们所做的是仿真图经过我们组员的一致讨论我们选用了protues与keil两 款软件相结合进行调试。通过keil将程序写入芯片，再用protues仿真。第四章 已经对keil软件进行了介绍，本章不再重复。 常州工程职业技术学院 2013 届毕业设计 基于 51 单片机的智能电子称设计 26 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 4.14.1 系统的主程序设计系统的主程序设计 主程序模块主要完成编程芯片的初始化及按需要调用各模块（子程序） ，在 系统初始化过程中，将系统设置成5Kg量程，并写5Kg量程标志。主程序软件流 程如图4-1 所示。 端口初始化 显示初始化 进入后台while循环 键盘扫描 称重并计算总价 数据初始化 定时器初始化 有称重标志吗？ 有 显示重量和总价 无 图 4-1 主流程图 4.24.2 A/DA/D 转换启动及数据读取程序设计转换启动及数据读取程序设计 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4-2 所示。