基于AT89C51单片机的电子称设计.docVIP

徐州工程学院毕业设计(论文)图书分类号：密 级：摘要随着自动称量技术的不断发展，传统的模拟称重系统在测量精度、测量功能及性价比都不能满足人们的要求，单片机及集成电路的发展为实现具有良好性能的电子称重系统提供了条件，该课题设计一种由单片机控制的电子称系统，通过压力传感器感应物品重量，并由信号放大处理电路及A/D装换电路转换为电信号，由单片机进行信号的处理与控制，并通过LED进行重量的显示，同时由语音电路实现语音播报。该电子称设计由称重传感器，前端放大电路，A/D转换电路，单片机控制电路，显示电路，稳压电源等各部分组成。本设计采用单片机作为最小系统实现电子称的基本控制功能，LM358放大器件、A/D转换芯片ADC0832以及相关称重传感器作为该设计的数据采集部分。语音部分采用ISD1420语音电路（已烧录），可语音播报所称重量等语音内容。软件部分采用单片机C语言进行编程，实现了该设计的全部控制功能。该电子称可以实现基本的称重功能（称重范围为03Kg），最小分辨率为0.01Kg，并扩展了语音报数的功能。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 称重传感器 放大电路 A/D转换 LED 语音播报AbstractWith the continuous development of automatic weighing technology,traditional analog weighing system in measuring precision,measurement function and price cannot satisfy the requirement of people,microcontroller and the development of integrated circuits with good performance for the realization of electronic weighing system provided a condition,the subject by a single-chip microcomputer control design of electronic scale system,through the pressure sensors,and article weight by amplification processing circuit and A/D conversion into electrical signal installed rewiring by MCU,on signal processing and control,and the weight by LED display,but also achieve speech broadcast by voice circuits.The design of electronic scale is composed by weighing sensor,front-end amplifying circuit,A/D circuit,single-chip microcomputer control circuit,display circuit,manostat and so on various parts. This design uses the monolithic integrated circuit as the smallest system realize electronic scale the basic control function,LM358 amplification device,A/D conversion chip ADC0832 and related weighing transducer as the design of data acquisition parts. Speech part adopts ISD1420 voice circuits (has record),can burn as the weight speech broadcast speech content. Software part adopts single-chip microcomputer C programming language,realize the design of all control function. The electronic scale can realize basic weighing function (weighing the range of 0 3Kg),minimum resolution is 0.01 Kg,and expanded the voice sound off function. The whole system structure is simple,easy to use,the function is all ready,high precision,has some of the development value.Keywords： MCU weighting sensor amplifier circuit A / D conversion LED Voice BroadcastI徐州工程学院毕业设计(论文)目 录1 绪论11.1 本课题的研究背景及意义11.2 电子称的发展及研究成果11.2.1 国内外发展情况11.2.2 电子称的发展方向21.3 研究内容及结构安排22 系统总体方案设计42.1 电子称的设计要求42.2 电子称原理及基本思路42.2.1 系统工作原理42.2.2 系统设计基本思路42.3 系统总体设计方案42.4 传感器的选型52.5 放大器的选型82.6 A/D转换器选型102.7 单片机的选型122.8 人机交互部分122.8.1 键盘输入122.8.2 输出显示132.8.3 语音播报132.9 系统电源152.10 总体实施方案总结173 系统硬件设计183.1 数据采集部分183.1.1 称重传感器183.1.2 信号放大处理193.1.3 信号转换193.2 单片机控制部分193.3 人机交互部分233.3.1 键盘233.3.2 LED233.3.3 语音播报234 系统软件设计254.1 编程语言的选择254.2 主程序流程图254.3 子程序流程图264.3.1 按键子程序264.3.2 LED显示子程序274.3.3 A/D转换子程序274.3.4 语音播报子程序285 电子称称重调试30结论32致谢33参考文献34附录35附录135附录243I徐州工程学院毕业设计(论文)1 绪论1.1 本课题的研究背景及意义在当前社会，物品称重是市场交易中很基本的活动， 是商业领域最基本的衡具。在日常生活中，到处必须用到称。尤其是现代超市和一些其他交易市场上，称是必不可少的测重工具。随着人们生活水平的不断提高，商业行为也越来越现代化，人们对商品度量的速度和精度也提出了新的要求。电子称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，电子称具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点。今后，随着电子高科技的飞速发展，电子称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称将会不断问世，其应用范围也会更加拓宽。从实际情况看来，目前市场上使用的称量工具，结构复杂，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称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称系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子称系统在应用中的不足之处，具有现实意义1。1.2 电子称的发展及研究成果1.2.1 国内外发展情况从国际上看，随着二十世纪初战后的经济繁荣，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0.1%称量准确度的电子称，并在70年代中期约对75%的机械称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。1.2.2 电子称的发展方向电子称的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向综合性、组合性；而且更需向多种功能的方向发展。目前电子称的附加功能主要有以下几种：（1）具有皮重、净重显示、语音播报等功能。电子称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；（2）电子称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；（3）附加单价总额计算功能。目前的电子称有附加多种计算和数据处理功能， 以满足多种使用的要求。电子称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称系统时大量地采用集成芯片，因此电子称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。电子称由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的电子称有较高的性价比，在很多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。在具体开发电子称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称系统4。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称系统功能的日趋完善，因此多元化智能电子称具有广泛的应用前景和开发价值！1.3 研究内容及结构安排电子称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，并且通过语音电路对数字量进行处理进行语音播报。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、电子称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称的方案设计，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原理电路图。第四章系统软件设计，本章主要是介绍电子称的软件设计，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。2 系统总体方案设计2.1 电子称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LED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和语音芯片的选择和设计。（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，并进行功能验证。2.2 电子称原理及基本思路2.2.1 系统工作原理电子称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，语音播报模块通过51单片机对语音芯片地址的访问，实现语音播报的功能。2.2.2 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，还增加了语音播报功能。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、语音播报几部分组成。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ISD1420语音电路，通过单片机对其寻址访问实现语音播报功能。2.3 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，在显示方面采用液晶LCD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2-1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。在编程方面，采用液晶显示加大了编程难度，给设计本课题带来不必要的麻烦。MCU LCD液晶显示器称重传感器HX711图2-1 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LED显示器，增加了键盘控制和语音播报电路。如图2-2所示。键盘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LED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LED具有高亮度，高刷新率的优点，能提供宽达160的视角，可以在较远的距离上看清楚。LED数码管显示器称重传感器MCU ADC0832LM358放大电路语音播报电路图2-2 方案二原理框图鉴于该电子称设计的功能要求，在具体设计时采用了第二种设计方案。2.4 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5。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 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2-3为一直流供电的平衡电阻电桥，Ein接直流电源E：图2-3 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： = 式（2.1）当满足条件R1R3=R2R4时，即 式（2.2）=0，即电桥平衡。式（2.2）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，按式（2.1），则电桥输出为 式 (2.3) 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PM-23型称重传感器，量程3Kg，完全满足本系统的精度要求。PM-23型称重传感器主要技术参数如下表2-1所示：表2-1 PM-23技术参数CERTIFICATE OF CALIBRATIONModelPM-23Rated Load3 KgNonlinearity0.02 %F.S.Hysteresis0.02 %F.S.Repeatability0.02 %F.S. 续表2-1Greep(30min)0.02 %F.S.Zero Balance2.0 %F.S.Zero Temperature Drift0.02 %F.S./10Rated Output Temperature Drift0.02 %F.S./10Input Resistance41030Output Resistance3502Insulation Resistance5000MSupply Voltage6-15V(DC)Compensated Temperature Range-10 to 40Operating Temperature Range-20 to 60Safe Overload150%Protection ClassIP65Color CodeInput: Red(+) Black(-)Output: Green(+) White(-)2.5 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2-4、2-5、2-6所示。 图2-4 DIP塑封引脚图引脚功能 图2-5 圆形金属壳封装管脚图 图2-6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(1.5一15V) 。 （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Vcc-1.5V) 。 参数： （1）输入偏置电流45 nA（2）输入失调电流50 nA（3）输入失调电压2.9mV（4）输入共模电压最大值VCC1.5 V（5）共模抑制比80dB（6）电源抑制比100dB 2.6 A/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6。 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）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7。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。学习并使用ADC0832 可使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们使用单片机的技术水平提高。引脚图如图2-7所示。图2-7 ADC0832ADC0832 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32S； （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 to +70C，工业级芯片温宽为40C to +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。芯片转换时间仅为32S，据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。2.7 单片机的选型在选用单片机型号时，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；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；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8。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8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MCS-51 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：0Hz-24MHz，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9。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。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10。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。2.8 人机交互部分2.8.1 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。 2.8.2 输出显示采用数码管显示，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。如图2-8所示。 图2-8 LED数码管2.8.3 语音播报ISD1420为美国ISD公司出品的优质单片语音录放电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。电路外形图及引出端功能说明如下图2-9和表2-2所示：图2-9 ISD1420表2-2 引出端功能说明该语音芯片的特点有：（1）使用方便的单片录放系统，外部元件最少； （2）重现优质原声，没有常见的背景噪音；（3）放音可由边沿或电平触发； （4）无耗电信息存储，省掉备用电池； （5）信息可保存100年，可反复录放10万次； （6）无需专用编程或开发系统；（7）较强的分段选址能力可处理多达160段信息； （8）具有自动节电模式； （9）录或放后立即进入维持状态，仅需0.5A电流； （10）单一5伏电源供电。 电特性：（1）工作电压：5V （2）静态电流：典型值0.5A，最大值2A （3）工作电流：典型值15mA，最大值30mA（16欧姆） 操作模式：地址输入有双重功能，根据地址中的A6，A7的电平状态决定A0A7的功能。如果A6，A7有一个是低电平，A0A7输入全解释为地址位，作为起始地址用。地址位仅作为输入端，在操作过程中不能输出内部地址信息。根据PLAYL、PLAYE 或REC的下降沿信号，地址输入被锁定。如果A6，A7同为高电平时，它们即为模式位。 使用操作模式有两点要注意：（1）所有初始操作都是从0地址开始，0地址是1420存储空间的起始端，以后的操作可根据模式的不同，而从不同的地址开始工作。当电路中录放音转换或进入省电状态时，地址计数器复位为0。 （2）当 PLAYL、PLAYE 或REC 变为低电平，同时A6，A7为高电平时，执行对应操作模式。这种操作模式一直执行到下一个低电平控制输入信号出现为止，这一刻现行的地址/模式信号被取样并执行。 操作模式可以与微控制器一起使用，也可用硬件连线得到所需系统操作。 A0-信息检索(PLAYE或 PLAYL only)不知道每个信息的实际地址，A0可使操作者快速检索每条信息，A0每输入一个低脉冲，可使得内部地址计数器跳到下一个信息。这种模式仅用于放音，通常与A4操作同时应用。 A1- 删除EOM标志(REC only)可使录入的分段信息成为连续的信息，用A1可删除掉每段中间信息后的EOM标志，仅在所有信息后留一个EOM标志。当这个操作模式完成时，录入的所有信息就作为一个连续的信息放出。 A3- 循环重放信息(PLAYE或PLAYL only)可使存于存储空间始端的信息自动地连续重放。一条信息可以完全占满存储空间，那么循环就可以从头至尾进行工作，并由始至终反复重放。 A4- 连续寻址：在正常操作中， 当一个信息放出， 遇到一个EOM标志时，地址计数器会复位，A4可防止地址计数器复位，使得信息连续不断地放出。 A2、A5- 未用。ISD1420地址功能表如下表2-3所示：表2-3 地址功能表2.9 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。为了使电子称的使用不局限于场合限制，故采用了八节1.5V电池串联成12V电源的方案。实物图如图2-10所示。图2-10 电池串联12V电源在本设计中采用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1.5A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1.5A，输出电压为5V；（2）热过载保护，短路保护；（3）输出晶休管安全工作区保护；LM7805的内部框图如图2-11所示：图2-11 LM7805内部框图LM7805的电参数如表2-4所示：表2-4 7805电参数采用7805组成稳压电源的方案，其电路原理图如图2-12所示：图2-12 LM7805组成电路2.10 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AT89S52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PM-23型称重传感器、LM358放大器件、A/D转换芯片ADC0832等部分组成。人机交互部分中语音部分采用ISD1420语音电路，组成的最小语音系统仅由喇叭、按钮、语音芯片和少量电阻电容组成，电子称播报的录音内容已存入永久存储单元，提供零功率信息存储。显示部分采用LED数码管，简洁明了。键盘部分采用若干按钮，实现系统所需的复位和播报功能。系统硬件的结构框图如下图2-13所示：PM-23型称重传感器LM358放大电路ADC0832AT89S52单片机键盘LED显示语音ISD1420数据采集部分单片机控制模块人机交互界面图2-13 系统硬件结构框图433 系统硬件设计3.1 数据采集部分3.1.1 称重传感器PM-23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3-1所示：图3-1 PM-23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。工作原理如下图3-2所示。图3-2 PM-23工作原理PM-23型称重传感器尺寸如下图3-3所示：图3-3 PM-23尺寸3.1.2 信号放大处理采用LM358放大电路，3、4端接收PM-23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3-4所示：图3-4 LM358放大电路原理图3.1.3 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P24端，VCC接电源正，GND接地，CLK为芯片时钟输入，接单片机的P25端，DI、DO共同接P26端。原理图如图3-5所示：图3-5 ADC0832原理图3.2 单片机控制部分AT89S52单片机是ATMEL公司新近推出的高档型AT89S系列单片机中的增强型产品。ATMEL公司是美国20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司。该公司的技术优势在于推出Flash存储器技术和高质量、高可靠性的生产技术，它率先将独特的Flash存储技术注入于单片机产品中。其推出的AT89系列单片机，在世界电子技术行业中引起了极大的反响，在国内也受到广大用户欢迎11。 AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 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，3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。主要功能特性见下表3-1所示：表3-1 AT89S52功能 兼容MCS-51指令系统8k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM 32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压 3个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz 全双工UART串行中断口线256x8bit内部RAM 2个外部中断源低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式3级加密位 看门狗（WDT）电路软件设置空闲和省电功能 灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针引脚封装如下图3-6所示：图3-6 AT89S52的引脚图引脚功能说明：VCC/GND：电源/接地引脚；Port 0：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；Port 1：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；Port 2：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； Port 3： 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引脚功能复用见下表3-2所示：表3-2 P3引脚功能复用P3.0 串行通讯输入(RXD) P3.1串行通讯输出(TXD) P3.2外部中断0( INT0) P3.3外部中断1(INT1) P3.4 定时器0输入(T0) P3.5定时器1输入(T1)P3.6 外部数据存储器写选通WR P3.7外部数据存储器写选通RD 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；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：该引脚是外部程序存储器的选通信号输出端。当AT89S52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