多功能电子计价秤的设计 电气工程及其自动化专业毕业设计 毕业论.doc

学士学位毕业设计（论文） 多功能电子计价秤的设计 学生姓名：学生姓名：陈勇 指导教师：指导教师：高飞 所在学院：所在学院：信息技术学院 专专 业：业：电气工程及其自动化 中国大庆 2011 年 5 月 黑龙江八一农垦大学黑龙江八一农垦大学 本科毕业设计（论文）任务书本科毕业设计（论文）任务书 学生姓名陈勇所在班级导师姓名高飞导师职称讲师 论文题目多功能电子计价秤的设计 题目分类 1应用与非应用类：工程 科研 教学建设 理论分析 模拟 2软件与软硬结合类：软件硬件软硬结合非软硬件 主要研究内容及指标： 本设计利用单片机及压力传感器。用压力传感器检测压力信号，通过单片机结合输入的单价， 进行计算，显示总量及总价，画出完整的电路原理图（包含电源部分）和 PCB 板图。 主要参考文献： 1 赵茂泰 智能仪器原理及应用M.北京：电子工业出版社,2004 2 张毅刚 MCS-51 单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2003 3 贾伯年,俞朴.传感器技术M.东南大学出版社,2000 4 单成祥 传感器理论设计基础及其应用M.北京：国防工业出版社,1999 5 李道华,李玲，朱艳 传感器电路分析与M.武汉：武汉大学出版社,2000 阶段规划： 2010 年 12 月 13 日 至 2010 年 12 月 28 日 系统分析准备 2010 年 12 月 29 日 至 2010 年 01 月 12 日 系统设计分析 2011 年 03 月 01 日 至 2011 年 04 月 13 日 整理论文材料及论文撰写 2011 年 04 月 14 日 至 2011 年 05 月 21 日 答辩准备 开题时间2010 年 12 月 28 日完成论文时间2011 年 5 月 10 日 专业审定意见： 系主任签字： 年 月 日 摘要 - I - 摘要 随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要 求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、 人性化用在了电子秤重的控制系统中。本系统主要由单片机来控制，测量物体重 量部分由称重传感器及 A/D 转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、 性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自 动化程度高等特点。本系统以 AT89S52 单片机为主控芯片，外围附以称重电路、 显示电路、报警电路、键盘电路等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重 系统的各种控制功能。可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。 关键词：关键词： SP20C-G501 AT89S52 A/D 转换器 ABSTRACT - II - ABSTRACT With the application of micro-electronics technology, tradition ponderation instrument used in market has been not satisfaction with hunman requirements already. In order to make up for the traditional apparatus shortcoming, we improve the apparatuss control system with intelligence and automation. This system is mainly controlled by microcontroller, the section of height measurement accomplish by supersonic sensor, the section of weight measurement accomplish by weight sensor and A/D transformer, this apparatus have many characteristic such as having more function, consume less energy, small and move easily, low price, measure precisely, the speed is quick, automatic work without people and so on.The system is mainly controlled by the microcontroller AT89S52, the periphery is consist of the circuit of clock and calendar, the circuit of measure height and weight, the circuit of display and print, all of these comprise the circuit board of the intelligent apparatus of height and weight. It can achieve all function of the apparatus. Keywords: SP20C-G501 AT89S52 A / D converter 前言 - III - 目录 摘要I ABSTRACT.II 前言.IV 1 绪论1 1.1 称重技术和衡器的发展 1 1.2 电子秤的组成 1 1.3 设计思路 3 2 系统方案论证与选型4 2.1 控制器部分 4 2.2 数据采集部分 5 2.3 显示电路部分的选择 .11 2.4 超量程报警部分选择 .11 3 硬件电路设计.12 3.1 AT89S52 的最小系统电路12 3.2 电源电路设计 .15 3.3 数据采集部分电路设计 .16 3.4 显示电路与 AT89S52 单片机接口电路设计 .21 3.5 键盘电路与 AT89S52 单片机接口电路设计 .23 3.6 报警电路的设计 .24 4 系统软件设计.25 4.1 主程序设计 .26 4.2 子程序设计 .27 总结.33 参考文献.34 致谢.35 附录 A：系统总图 .36 附录： 电源电路37 附录 C：程序清单 .38 附录 D： 系统总图 PCB 板图 49 前言 - IV - 前言 随着科学技术和经济的发展，出售商品品种的增加，需要称量物品的设备也 需要更新换代，人们对称重装置的要求也越，电子称重装置推广，从而进入到传 感器，电子学和微处理机领域、使得称重装置变成为电子仪器。它的特点是：精 确、智能、方便、明了、可靠，克服了传统的杆秤、盘秤不精确、速度慢、不能 计价、易作弊等缺点，在商业领域应用越来越多。 称重技术的突破是微处理机的应用。称重技术的这种发展是由于不仅要求获 得静态称重数据，而且进一步要求称重工作的自动化，实现快速称量，以及测量 各种动态参数，提高测量精度和各种数据的及时处理。这些精度、速度、性能和 功能方面的要求是传统的机械测量系统无法满足的。也就是说、这种技术发展中 的突破是必然的结果。 电子称重装置出现于 80 年代初，随着电子元器件集成化的迅速发展，随着微 处理机，单片机的发展和计算机软件的开发，产品价格的下降、电子称重装置在 技术上的优势；多功能、高精度、操作方便等，使得不仅实验室的传统称量装置 已被电子称重装置所取代，这种趋势已经扩展到工业和其他领域。 本系统是针对自动称重、计算价格进行了研究的。讲述了用单片机控制A/D转换、 键盘输入和数据显示，对如何实现键盘中断、A/D采样进行研究。着重讨论了数据 处理问题，结果表明利用软件实现一系列功能使的性能价格比达最优。设计特别 适用于测量精度要求较高的场合, 具有较高的实用价值和推广价值。 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 1 - 1 绪论 1.1 称重技术和衡器的发展 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。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。称重装置不仅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 的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。因此，称重技术的研 究和衡器工业的发展各国都非常重视。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。现今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。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。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。 1.2 电子秤的组成 1.2.1 电子秤的基本结构 电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用 来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子 秤均由以下三部分组成： （1）承重、传力复位系统 它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体， 一般包括接受被称物体载荷的承载器、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。 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 2 - 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。 对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好 的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作 条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。 (3)测量显示和数据输出的载荷测量装置 即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压 源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和 存贮器件等）。这部分习惯上称载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、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环 节。 1.2.2 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。 1.2.3 电子秤的计量性能 电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度 等级等。 （1）量程：电子衡器的最大称量 Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称 量的最大值。 （2）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用 e 或 d 来表示。 （3）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用 n 表示。 电子衡器的最大称量 Max 可以用总分度数 n 与分度值 d 的乘积来表示，即 Max = n d （4）准确度等级 国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成、四类等级， 分别对应不同准确度的电子秤和分度数 n 的范围，如下表 1 所示： 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 3 - 表 1 电子秤等级分类 标志及等级电子秤种类分度数范围 特种准确度基准衡器n 100 000 高准确度精密衡器 10 000 n 100 000 中准确度商业衡器 1 000 n 10 000 普通准确度粗衡器 100 n 1 000 1.3 设计思路 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。 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 4 - 2 系统方案论证与选型 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 1 所示。 图 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。 2.1 控制器部分 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 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 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 5 - 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 数据采集部分 电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路和 A/D 转换电路，因 此对于这部分的论证主要分三方面 2.2.1 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 （2-0） 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（2-0）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 所示： 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 6 - 图 2 称重传感器原理图 表 2 压力传感器主要技术指标 名称单位范围 准确度等级 Accuracy classC3 0.02 0.03 额定载荷 Rated loadkg1、2.5、5、7.5、10、15 灵敏度 SensitivitymV/V 1.80.08 非线性 Nonlinearity 0.02 滞后 Hysteresis0.02 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 coefficien %F.S./100.02 输入电阻 Input resistance 415445 输出电阻 Output resistance 349355 绝缘电阻 Insulation resistance M5000 供桥电压 Supply voltageV12（DC/AC） 温度补偿范围 Temperature compensation range -10+50 允许温度范围 Safe temperature range -20+60 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 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 7 - 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 2.2.2 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 OP07)做成一个差动放大器。其设计电路如图 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。 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 8 - + - P1 A1 + - P2 A3 + - P3 A2 10K R1 10K R6 10K R7 20K R2 20K R8 20K R3 1.1K R4 4K R5 +U1 -U2 U0 图 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，设计电路如下： 图 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 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 9 - 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： CMRTotal =CMR1CMR2 =A1d/A1cA2d/A2c =A1d/1CMR2=A1dCMR2 或 CMRRTotal=20lgA1d+CMR2 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 3 所示的电路采用上式中所给出的参数时，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。 2.2.3 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。 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 10 - (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：如：AD574 等。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，全部输出于 M 3 10 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 2.2.4 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 5 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。 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 11 - S13 S9 S5 S1S2S3S4 S6S7S8 S10S11S12 S14S15S16 图 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。 2.3 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. LCD 液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表 到计算器，从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了 液晶显示器。 2.4 超量程报警部分选择 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，从而三极管导通，使蜂 鸣器 SPEAKER 发出报警声，同时使报警灯 D1 发光。 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 12 - 3 硬件电路设计 根据设计要求与设计思路，此电路由一块 AT89S52、按键输入电路、时钟电 路、复位电路、LCD 显示段码驱动电路、LCD 显示位码驱动电路、12 位 LCD 显 示器电路、蜂鸣器电路。 图 6 硬件电路设计框图 在本系统中用于称量的主要器件是称重传感器（一次变换元件），称重传感 器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到不同压力或拉力是产生的电信号也随 着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。 由于称重传感器一般的输出范围为 020mV，对 A/D 转换或单片机的工作参 数来说不能使 A/D 转换和单片机正常工作，所以需要对输出的信号进行放大。由 于传感器输出的为模拟信号，所以需要对其进行 A/D 转换为数字信号以便单片机 接收。单片机根据称重传感器输出的电信号和速度传感器输出的速度信号计算出 物体的重量。 在本系统中，硬件电路的构成主要有以下几部分： AT89C52 的最小系统构 成、电源电路、数据采集、人-机交换电路等。 3.1 AT89S52 的最小系统电路 3.1.1 单片机芯片 AT89S52 介绍 单片机采用 MCS-51 系列单片机。由 ATMEL 公司生产的 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 单片机 压力传 感器 放大电 路 A/D 转 换电路 LCD1602 显示电路 16 个键盘输 入电路 复位电路 时钟电路 蜂鸣器电路 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 13 - 兼容。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52 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。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，直到下一个中断或硬件复位为止。而且，它还 具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系 统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电， 从而保护你的硬件电路。 AT89S52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个 外中断口，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，片上 Flash 允许 程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。其将通用的微处理器和 Flash 存 储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。其 芯片引脚图如下图 7 所示。 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10/T 1 P11/T 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 40 GND 20 U4 AT89S52 图 7 AT89S52 引脚图 3.1.2.单片机管脚说明 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。 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 14 - 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 AT89S52 的一些特殊功能口，如下表所示： 表 3 P3.0 口引脚功能表 P3口引脚第二功能 P3.0RXD（串行口输入） P3.1TXD（串行口输出） P3.2INT0（外部中断0输入） P3.3INT1（外部中断1输入） P3.4T0（定时器0外部脉冲输入） P3.5T1（定时器1外部脉冲输入） P3.6WR（外部数据存储器写脉冲输出） P3.7RD（外部数据存储器读脉冲输出） 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。 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 15 - /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（0000H- FFFFH），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。 3.1.3 AT89S52 的最小系统电路构成 AT89S52 单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。 单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，复位操作则使单片 机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。 在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内 部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成 了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。 当 MCS-5l 系列单片机的复位引脚 RST(全称 RESET)出现 2 个机器周期以上 的高电平时，单片机就执行复位操作。如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循 环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电 或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。 上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间， 用开关操作也能使单片机复位。单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其 中包括使程序计数器 PC0000H，这表明程序从 0000H 地址单元开始执行。 系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状 态下。51 单片机的复位是由 RESET 引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过 24 个振荡周期后，51 单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待， 直到 RESET 引脚转为低电平后，才检查 EA 引脚是高电平或低电平，若为高电平 则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。 3.2 电源电路设计 根据设计需要，本系统中需要设计两种不同级别的电源，即传感器需要+12V 的电源，而系统其他芯片使用的是5V 电源。考虑本次设计的实际要求，使系统 稳定工作，提高产品的性价比，电源电路的 设计决定采用如下方案： 黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） - 16 - R1110K C7 104F C6 104F C5 104F C1 220F Vin 1 GND 2 Vout 3 U8LM7812 Vin 1 GND 2 Vout 3 U9LM7805 Vin 1 GND 2 Vout 3 U10LM7905 DD1 BRIDGE D1 LED T TRANS1 FUSE1 +5 C4 104F J2 1 2 1 4 3 2 +12v MFC1 220V与与 T2 TRANS2 MFC2 J2 220V与与 1 2 DD2 BRIDGE