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毕业设计（论文） 基于 51 单片机的双精度电子称设计 系 别自动化工程系 专业名称测控技术与仪器 班级学号 学生姓名 指导教师 2012 年 6 月 15 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 i 页 基于 51 单片机的双精度电子称设计 摘 要 随着数字化技术的快速发展和应用，电子衡器称重技术同样也得到了广泛的发展 和应用，各种数字化智能化的电子衡器逐渐问世，但商用电子称作为电子衡器的重要 一部分，在中小型市场的智能化并没有得到普及，依然以杆秤、台秤和简易电子称为 主的商用电子秤，存在着精度差、易损坏、难维修等缺陷，尤其是在进行轻微物体如 茶叶、药材等的测量时误差更明显。 本文设计的双精度电子称主要以 at89s52 单片机为核心，通过 proteus 软件和 keil 软件实现了对电子称的功能仿真设计。主要分为五个模块：双精度的物体重量采 集模块、单片机处理模块、键盘控制模块、数据显示模块以及软件驱动模块。以不同 压力传感器采集压力参数，经过信号处理和 a/d 转换送给单片机，单片机通过重量参 数自动选择 12 位精度值或 8 位精度值进行运算处理，最终将键盘输入的单价值和总价 值在 lcd12864 液晶上进行实时显示。整个电子称系统能够智能化的实现双精度自动 测量、自动报警、直观显示等功能，具有操作方便，双精度测量准确，成本低、稳定 性可靠性高等特点，可以更好的应用于不同的应用场合，适应了中小型市场的需求。 关键词：关键词：双精度电子称，单片机 at89s52，称重传感器，a/d 转换，液晶显示器 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 ii 页 said design based on 51 single-chip double-precision electronic author：jin shan tutor：qi shiqing abstract with the rapid development and application of digital technology, electronic weighing technology has been developed and applied extensively .and a variety of intelligent digital electronic weighing is emerging progressively, but in small and middle market, the commercial electronics, which is an important part of the electronic weighing, is still limited to the simple electronics said such as steelyard, platform scales and simple electronics. all these are known as the main commercial electronic scales, but the existence of accuracy, easily damage, and difficult to repair defects also affect itself. especially during weighing some minor objects such as tea, medicinal herbs, mistakes is easy to appearance through measuring. this paper, the design of the double-precision electronic using microcontroller at89s52 as the core, achieve the simulation capabilities of electronic design by using proteus software and keil software. now dividing this paper into five main modules: how to collect the weight of the object with this double-precision electronic said module, how to deal with the data through single-chip machine, how to control keyboard module, the display module and how to drive software module. fristly, use different pressure sensor to acquire pressure parameters. secondly the signal processor and a / d conversion work out the data, finally given to the mcu. thridly according to the data above the mcu will automatically select whether the 12 precision values or 8 precision value computing processor. ultimately the input through the keyboard will be showed on the lcd12864 real-time display. the entire electronic system can intelligently accomplish double-precision measurement automatically, automatic alarm, visual display, at the same time, its easy to operate, accurate measurement, low cost, stability and high reliability. based on the introduction above ,it can be used in different applications occasions, and it can adapt to the needs of small and medium-sized market. key words: double-precision electronic, at89s52, load sensor, a/d converter, lcd display 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页 目 录 1 绪论3 1.1 课题研究背景 3 1.2 电子衡器的研究现状 4 1.2.1 国内外发展情况4 1.2.2 电子称的发展方向5 1.3 课题的研究意义 5 1.4 本文的设计思路 5 2 系统方案论证与硬件选型8 2.1 系统总体设计方案的比较与论证 8 2.2 硬件方案设计与论证 10 2.2.1 cpu 的选择方案.10 2.2.2 传感器的选择11 2.2.3 放大电路的选择方案13 2.2.4 a/d 转换器的选择15 2.5 键盘处理部分方案的论证 18 2.6 显示器部分的选择 20 2.7 超量程报警部分的选择 20 3 硬件电路设计21 3.1 at89s52 单片机介绍21 3.1.1 at89s52 单片机综述.21 3.1.2 at89s52 的最小系统电路构成.22 3.2 a/d 转换器与 at89s52 单片机接口电路.23 3.3 显示电路与 at89s52 单片机的接口电路.26 3.3.112864 点阵型 lcd 简介.26 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页 3.3.2 点阵 lcd 的显示原理27 3.3.112864lcd 指令系统.28 3.4 键盘电路与 at89s52 的接口电路设计.30 4 系统软件设计33 4.1 主程序设计 33 4.1.1 c 语言在单片机中的应用33 4.1.2 电子称的软件设计与实现34 4.2 系统主程序流程图 34 4.3 系统子程序设计 35 4.3.1 a/d 转换启动及数据读取程序设计35 4.3.2 显示程序设计37 4.3.3 键盘输入控制程序设计38 5 系统调试40 5.1 软件调试 40 5.2 故障分析与解决方案 40 5.2.1 故障出现情况40 5.2.2 解决方案41 5.3 功能测试.41 结论42 致 谢43 参考文献44 附 录45 附录 a.45 附录 b.52 附录 c.53 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 4 页 1 绪论 1.1 课题研究背景 电子衡器称重技术是现代称重技术和控制系统工程的重要基础之一，自 50 年代中 期电子技术渗入到衡器的辅助测量装置，60 年代初期出现机电结合式电子衡器以来， 经过 40 多年的不断改进和完善，从最初的机电结合型发展到现在全电子型和数字化智 能型，电子衡器称重技术经历了长远的发展，其便于与电子计算机结合而实现称重计 量与过程控制自动化的特点，在工商贸易、能源交通、冶金矿山、轻工食品、医药卫 生、航天航空等部门得到了广泛的应用。而衡器作为国家法定计量器具，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，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。电子衡器作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，不仅 是提供重量数据的单体仪表，而且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。因此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。 商用电子称作为电子衡器产品的一部分，随着电子衡器技术的发展，也同样在技 术装备和检测试验手段上达到了国际 90 年代中期的水平，从机械称到机电称再到电子 称在称重装置智能化的道路上取得长足的进步，但就总体而言，我国商用电子称产品 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、价格昂 贵、稳定性和可靠性较差等。这些缺陷在中小市场上尤显不足，因此大部分产品还都 是相对比较简易的杆秤或是操作简便的电子秤，这些称重仪器在进行粗精度测量时还 可以满足要求，但要进行高精度的称量，比如药材、茶叶等微量商品时，往往无法满 足要求，因此研发一种多精度简易的电子商用称将具有很大的研究意义和研究价值。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页 1.2 电子衡器的研究现状 1.2.1 国内外发展情况 从国际上看，随着二十世纪战后的经济繁华，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重工作是机械式的，但与称重有关 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、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。特别是近 30 年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重 以及产品质量的检测等工作，都离不开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盒检验功能，从 而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。近年来电子称已成为工艺技术、储运 技术、顶包装技术、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。已由传统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，但商用电子称在国内的发展，并没有像其他功用的电子秤一样取得飞速的发 展，只有在部分大型超市可以看到多功能电子称的运用，但其造价高操作复杂，无法 在中小市场得到广泛的推广应用，中小市场仍然依赖于传统的杆秤和简易的低精度电 子称，但随着电子技术的不断发展，以及衡器工艺技术的不断完善，更多品种的的电 子称研发必然会推动中小市场电子秤的改进。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页 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；其应用性趋向于综合性、组合性；而且更需要向多种功 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、语音播报等功能呢。电子称部分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额处理功能，以 满足多种使用的要求。 1.3 课题的研究意义 今后，随着电子高科技的快速发展，电子称重技术也定将日新月异。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广阔。从实际情况看来， 目前中小型市场上使用的称量工具，主要还是以杆秤、台秤、小型简易电子称为主， 操作简单但精度比较低，而且调整时间长，运行不可靠，易损件多，维修困难，能源 消耗大，生产成本比较高。这些特点导致了中小型市场上电子称产品的整体水平偏低， 产品质量在低水平徘徊。在这些中小型市场，称重仪器选择的局限性，已逐渐无法满 足越来越走向现代化的需求，对电子称的要求不仅仅要简便而且要更公平更合理，对 精度不仅有要求，对功能也有更多的期望，电子称不仅要称量较重物体，还能够更精 确的称量较轻的物体，比如茶叶和药材等，要求精度更高，称量更准确。双精度电子 称便是基于此而提出的研发课题，不仅能够自动切换精度进行测量不同物体，还能够 克服上述诸多缺点，实现操作简易、维修容易、调整时间短、不易损坏等特点，还具 有较大的实用价值。 1.4 本文的设计思路 随着微控制器技术、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， 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页 设计两个称重电路以对应不同精度、不同承重范围的物品，还增加了超重提示功能， 在连接电路图时，选用尽量少的管脚来实现设计的全部功能，这样方便以后的功能拓 展，比如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。 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这些方面：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；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；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。另外由于实际应用当中，称重器可以有一定量的过载， 但不能超出要求的范围，系统自动零显示，提示出错。 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。本文主要主要以下几个方面 的工作： (1)详细讲解了称重器工作原理。 (2)对称重器系统进行总体方案的设计。 (3)对于称重器的硬件系统，重点介绍关于精度、转换速率的压力传感器和a/d转 换模块器件的选取。 (4)对于称重器的软件系统，通过解说lcd液晶显示的使用及键盘的工作原理，对 于主程序的编写与调试提供重要的依据。 (5)依据称重系统的总电路，通过keil软件c语言编程和proteus仿真，实现模拟的称 重显示。 (6)对称重系统的测量值与显示值的差值，进行系统的调试与误差校正。 主要技术指标为：称量范围010kg;分度值0.01kg;精度等级级;电源dc1.5v（一 节5号电池供电） 。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页 这种高精度智能电子秤体积小、计量准确、携带方便,集重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。 图 1.1 设计思路框图 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页 2 系统方案论证与硬件选型 2.1 系统总体设计方案的比较与论证 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。结构如图 2.1 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。此设计的硬件部分简单，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 称基本的称重功能，但是不能实现外部数据的输入，无法实时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，使电子称实现称重计价的功能。结构简图如图 2.2 所示： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页 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、信号转换等措施，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。结构简图如图 2.3 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。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。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页 方案四 采用以现场可编程门阵列(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。结构简图如图 2.4 所示： 图 2.4 电子称系统的组成结构图 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 为核心的电子称系统很优化，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。鉴于本电子称的设计并不太复杂，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。 2.2 硬件方案设计与论证 2.2.1 cpu 的选择方案 本文基于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 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页 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 atmenl 生产的 at89sxx 系列单片机。at89sxx 系列与 mcs-51 相比有两大优势： 第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的 芯片，使整个硬件电路体积更小。此外价格低廉、性能比较稳定的 mcpu，具有 8k8rom、2568ram、2 个 16 位定时计数器、4 个 8 位 i/o 接口。这些配置能够 很好地实现本仪器的测量和控制要求。 最后我们最终选择了 at89s52 这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。 at89s52 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。 2.2.2 传感器的选择 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。 称重传感器是力传感器当中一个重要的品种,实际应用及其广泛.称重传感器中最多 的是电阻应变式称重,应变片是称重传感器的核心单元,弹性体是基础组成部分.称重传感 器按结构类型分主要有 s 行双连孔式传感器,柱式传感器,轮辐式与桥式传感,柱环式传 感器,剪切梁式传感器和单 s 梁式传感器.s 行双连孔式传感器量程范围一般在 2kg 到 500kg,这种类型称重传感器抗偏，抗侧能力较强。柱式传感器的测量范围都很大，一 般最大可以达到几百吨，它刚性好，抗过载能力强，加工也简单，重量也比较轻。轮 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页 辐式传感器由于结构的对称性，所以能够承受大的侧向力，由于它有较大的滞后误差， 很多场合都被桥式传感器所取代。桥式传感器的弹性体形状象桥，因此得得名。桥式 传感器精度高，标定方便，普遍应用于汽车秤跟平台秤等多个场合。柱环式传感器由 于本身的结构特性目前大多仅用于测量拉力，其精度一般在 0.03 到 0.05 之间。剪切梁 式传感器运用剪切原理制作而成，精度跟稳定性都很高，一般都不需要要线性补偿都 能达到要求。它不受测力点变化的影响。测量范围在几十千克的场合一般选用单 s 梁 式传感器，它不适合在振动大的时候使用。 称重传感器在选用过程中一般要考虑以下问题： (1)安装要求，有些场合就直适合某种特定的称重传感器。 (2)使用环境条件，如需密封、防爆等。 (3)传感器的精度等级。精度等级通常由弹性体结构决定，以及处理过程中是否有 线性补偿。 (4)传感器的量程范围。估算被测物体的最大重量在多少，要想获得较准备的测量 数值一般选择的量程是被测体最大重量的 2 到 2.5 倍。 (5)传感器使用过程受温度影响的特性和蠕变特性 经过查询资料对比，适合本设计的可以用 l-psiii 型传感器，最大量程为 20kg， 精度为 0.01%，满量程时误差为 0.002kg；也可以采用 sp20c-g501 电阻应变式传感器, 其最大量程为 7.5 kg，精度为 0.05%，满量程时误差为 0.01kg。在称重 02kg 的物体 时，选用 l-psiii 型传感器组成点称重电路，由于 l-psiii 型传感器精度高，具有过载 保护装置。在称重 2kg10kg 的物体时，选用 sp20c-g501 电阻应变传感器组成的称 重电路，由于 sp20c-g501 由组合式 s 型梁结构及金属箔式应变计构成，同样具有过 载保护装置。考虑到惠斯登电桥具有诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便 等优点，两种电路中的传感器电路均采用惠斯登电桥设计，所以两种传感器在测量不 同重量的物体时，均使得测量达到精度高、温度特性好、工作稳定等优势，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。sp20c-g501 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 2.5 所示： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页 图 2.5 传感器工作原理图 其工作原理：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 变片的的敏感栅也随之变形，其阻值发生相应的变化，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（2.1）给出： （2.1）ein r4 r4 r3 r3 r2 r2 r1 r1 )42( 42 e rr rr out 2.2.3 放大电路的选择方案 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。由于信号转换器需要很 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，如图 2.6 所示： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 15 页 图 2.6 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 ina126 为例,接口如下图所示： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 16 页 图 2.7 ina126 仪表放大结构图 放大器增益 ，通过改变 rg 的大小来改变放大器的增益。ina126 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。ina126 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，我决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器 ina126。 2.2.4 a/d 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 17 页 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。 a/d 转换器选用的原则： 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。 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。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 18 页 是否加采样/保持器。 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。 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。 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，可采取的措施：加强抗干扰措施，尽量避免 较大的干扰电流进入电路；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；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， 还要注意几个问题：工作电源电压是否稳定；外接时钟信号的频率是否合适；工作环 境温度是否符合器件要求；与其它器件是否匹配；外接是否有强的电磁干扰；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：12 位 a/d 精度：称重 02kg 范围 2kg/4096=0.488g；而 8 位 a/d 精度：称重 2kg10kg 范围，8kg/256=31.25g； 考虑到其他部分所带来的干扰，12 位 a/d 转换器可以满足系统精度要求。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 19 页 图 2.8 传感器与 adc0832 连接图 图 2.9 a/d574 电路设计 ad574 是单片高速 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 成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极 性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的 a/d 转换器。其性能指标为： 其精度为 5/2048=0.002，远远小于误差0.005。且其价格明显低于其他同类产品（如 max197），因此，我们选用了此芯片，作为模数转换器。 考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合，精度要求不是太苛刻，转换速 率要求不高，根据系统的精度要求以及综合的分析，本设计采用了 8 位串行 adc0832 转换器及 12 位逐次逼近型 a/d 转换器 ad574 双精度称重系统。 通过查阅资料，还发现了 adi 公司推出的一款高分变率的 a/d 转换器 ad7730。其 具有双通道差分模拟输入、24 位无失码、21 位有效分辨率、0.0018%线性误差等特点。 由于采用转换技术，量化噪声被移至 a/d 转换的频带以外，因此 ad7730 特别适 合用于宽动态范围内的低频信号 a/d 转换，具有优良的抗噪声性能。输入信号分别为有 极性与无极性两种选择。无极性输入时，输入信号 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 20 页 0mv20mv、0mv40mv、0mv60mv、0mv80mv 可选；有极性输入时，输入信 号 0mv10mv、0mv20mv、0mv30mv、0mv40mv 可选。ad7730 主要 特点：分辨率 50000；失调温漂1ppm/c；增益温漂 2 ppm/c；电源抑制比150db；缓 冲差动输入：工作基准电压为 15v；两通道可编程增益前端；ac 或 dc 激励；单电源 工作。 传感器输出的差分信号经过前端放大器处理后，送到 ad7730,待转换结束后 rdy 端 将输出持续低电平信号，此端与单片机 i/o 口相连，以便检测其状态。通过设计低通滤波 电路对差分信号进行滤波。 当使用场合要求精度严格时，采用高精度的 ad7730 用于扩展称重系统。 2.5 键盘处理部分方案的论证 目前，微机系统中最常用的是触电式开关按键。在编写单片机程序时，键盘作为 一种人机接口的方式实现，是很常用的。而一般的实现方法包括： 外接键盘扫描芯片（列如 8279,7279 等） ，然后由该芯片来完成去抖、键值读取、中 断请求等功能。最后单片机响应中断并读取键值，有时也可以采用轮训的方式。 如果按键数较少，那么可以直接将按键接到单片机的 i/o 口，然后各按键取逻辑或 送到单片机的中断管脚（对于 51 体系） ，单片机响应中断后再去读取 i/o 口的数据。 如果单片机的中断向量比较少（列如 avr 系列单片机，每个 i/o 口都可以作为中断） ， 也可以直接把各个键盘接到每个具有中断功能的 i/o 上面。在中断处理程序中，往往 需要执行这样一个操作序列：延时一定的时间去抖，如果按键有效，那么等待按键释 放。 上述两种方法都存在比较明显的缺陷：第一种方法需要专门的外围芯片，增加成 本，且一般不容易检测按键的按下、释放及长按键等事件。第二种方法同样不容易检 测按键的按下、释放及长按键等事件。且采用软件延时的方式，浪费 cpu 资源，很不 可取。 鉴于上述两种方法的缺点，我们可以采用扫描式的方法来判断按键事件。扫描方 法即 cpu 在一定的节奏下，去扫描按键数据线上的信号，然后分析并确定按键事件。 由于本设计的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 16 个键（包括一个复位键） 。采用键盘的扩展使用方案：即采用矩阵式键盘。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 21 页 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 2.7 给出了一个 44 的矩阵键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。结合本设计 的实际要求，16 个按键使用 44 矩阵式键盘。 图 2.10 44 矩阵键盘 2.6 显示器部分的选择 显示器是人机交换的主要部分，它可以将测量电路测得的数据经过 cpu 处理后直 观的显示出来。数据显示有两种方案：led（全称：light emitting diode）数码显示和 lcd（全称：liquid crystal display）液晶显示。lcd 液晶显示器是一种极低功耗显示 器，从电子表到计算器，从袖珍仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都用到 了液晶显示器。lcd 液晶显示具有显示质量高，数字式接口，体积小，重量轻，功耗 低等优点。 因此，本次设计选择了 lcd 液晶显示器。这里我们采用 ampire 12864 lcd 液 晶显示器，主要用于显示数字、专用符号和图形。 2.7 超量程报警部分的选择 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 22 页 智能仪器一般都具有报警和通讯功能，报警主要用于系统运行出错、当测量的数 据超过仪表量程或者是超过用户设置的上下限时为提醒用户而设置。在本系统中，设 置报警的目的就是在超出电子秤测量范围时，发出声光报警信号，提示用户，防止损 坏仪器。 超限报警电路是由单片机的 i/o 口来控制的，当称重物体重量超过系统设计所允 许的重量时，通过程序使单片机的 i/o 值为高电平，报警灯 d2 发光。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 23 页 3 硬件电路设计 3.1 at89s52 单片机介绍 3.1.1 at89s52 单片机综述 单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个 分支。通用计算机系统主要用于海量高速数值运算，不必兼顾控制功能，其数据总线 的宽度不断更新，而且不断提高运算速度和完善通用操作系统。以突出其高速海量数 值运算能力，在数据处理、模拟仿真、人工智能、图象处理、多媒体、网络通信中得 到了广泛的应用；单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和低廉的成本， 广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信 产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。因此，单片机的出现大大促进了 现代计算机技术的飞速发展，成为近代计算机技术发展史上一个重要里程碑5。 单片机的典型代表是 intel 公司在 20 世纪 80 年代初设计生产的 mcs-51 单片机。 后来 intel 公司把 mcs-51 的核心技术授权给了很多其它的公司，所以有很多公司在做 以 8051 为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变以满足不同的需求，其中的 89s52 就是这几年在我国非常流行的单片机，这是由美国 atmel 公司开发生产的。 at89s52 是一种低功耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 8k 在系统可编程 flash 存储器。使用 atmel 公司高密度 非 易失性存储器技术制造，与工业 80c51 产 品指令和引脚完全兼容。片上 flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程 flash，使得 at89s52 为众多嵌入 式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。at89s5 具有以下标准功能：8k 字 节 flash，256 字节 ram，32 位 i/o 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另 外，at89s52 可降至 0hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式 下，cpu 停止工作，允许 ram、定时器/计数器、串口 、中断继续工作。掉电保 护方式下，ram 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论