基于单片机的数字传感器vf称重系统设计.doc

机电与车辆工程学院毕业设计（论文）题 目：基于单片机的数字化传感器V/F称重系统计 专 业： 电子信息工程 班 级： 机电与车辆工程学院 姓 名： 李亮亮 学 号： 1665080115 指导教师： 刘纯利 日 期： 2012年5月21日 引言： 41.1选题背景和意义41.2中外电子秤发展及成果42体设计方案比较与论证62.1总体方案比较与论证62.1.1方案一 数码管显示62.1.2方案二 LCD显示62.2 硬件的方案设计与论证72.2.1电源72.2.2 传感器82.2.3前级放大器部分102.2.4信号转换112.2.5控制单片机的选型142.2.6显示模块142.2.7键盘输入172.3 具体实施方案简介183. 系统硬件设计193.1 基于AT89C52的主控电路193.1.1 AT89C52引脚功能193.1.2 复位电路203.1.3 晶振电路203.2 信号放大电路213.2.1 芯片INA126简介213.2.2 INA126特点及引脚说明213.2.3 具体电路设计223.3 信号转换电路223.3.1 芯片LM331应用223.3.2 LM331功能介绍233.3.3 具体电路设计243.4 键盘电路243.5 显示电路254. 系统软件设计274.1 C语言在单片机中的应用274.2 电子称的软件设计与实现274.3主程序流程图274.4 子程序设计294.4.1 V/F转换启动及数据读取程序设计294.4.2显示子程序设计294.4.3按键子程序设计304.4.4按键处理设计31参考资料33附录A 电路原理图34附录B 程序清单35 基于单片机的数字传感器V/F称重系统设计摘 要：目前，电子计价秤的使用非常普及，逐渐会取代传统的杆秤。由压力传感器制作的电子秤已广泛地应用到各行各业, 特别是微处理机的出现，工业生产过程自动化程度的不断提高，压力传感器已成为过程控制中的一种必需的装置。本文介绍了一种以AT89C52单片机微处理器最小系统，并配以几个主要的集成电路器件设计成的智能电子秤。本系统是利用压力传感器采集当前压力，根据输入单价，准确计算出物品的金额，同时把重量、金额显示到LCD数码管上。 关键词：压力传感器 放大器 单片机引言：在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。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。1.绪 论1.1选题背景和意义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。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高劳动生产率。例如标签秤在超市中的应用已经是耳闻目睹的了。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，随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。经过40多年的不断改进与完善，衡器技术也在不断进步和提高。从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。1.2中外电子秤发展及成果随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，对称重技术提出了心动要求，希望称重过程自动化，为此电子技术渗入衡器制造业。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。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。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。单片机以其功能强，体积小，功耗低，易开发等很多优势被广泛应用。但单片机不是万能的，也存在不适合的场合，我们要充分利用单片机的内部资源和选择合适的单片机来完成我们的设计。本数字电子秤的设计过程中需要用到A/D转换、键盘、液晶显示、复位电路和蜂鸣器报警驱动电路的知识，同时在软件的设计过程中需要用到键盘扫描、液晶显示驱动、模数转换程序，可以很好的将数电、模电、单片机知识进行综合应用。在综合应用中进一步熟悉单片机设计的开发各个流程，最终达到巩固基础、注重设计、培养技能、追求创新、走向实用目的。2体设计方案比较与论证2.1总体方案比较与论证2.1.1方案一 数码管显示结构简图如下：传感器放大电路V/F转换电路AT89C52单片机数码管显示示电路电源图2.1 数码管显示方案2.1.2方案二 LCD显示整个电子秤电路由传感器、放大电路、V/F转换电路、89c52单片机、量程控制电路、键盘和显示电路等7部分组成。其功能是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。 传感器放大电路V/F转换电路AT89C52单片机LCD显示电路键盘控制电源报警电路图2.2 LCD显示方案结合上面所讲，本次设计采用第三种设计方案2.2 硬件的方案设计与论证2.2.1电源图2.3所示为CW7800系列三端固定输出采集集成稳压器的基本应用电路。图中表明了从交流电网电压经电源变压器降压，又经桥式整流和电容滤波后加在稳压器的输入端的连接方法，并提供各种有关元器件的参考参数。正常工作时，稳压器的输入输出电压差一般为2-3V。图中V5是保护二极管，当输入端短路时，给输出电容器C4存储的电荷提供一个放大电路，防止C4两端电压作用于集成稳压器内部调整管的发射结，造成发射结击穿而损坏三端集成稳压器。 图2.3 电源电路2.2.2 传感器传感器的定义：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。传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。传感器动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示3。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。下图为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源E：图2.4感器结构原理图 图2.5 工作电路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：= （2.2）当满足条件R1R3=R2R4时，即（2.3）=0，即电桥平衡。式（2.3）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R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（2.2），则电桥输出为 (2.4) 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5。 通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。2.2.3前级放大器部分经由传感器或敏感元件转换后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、控制或进行信号转换。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。4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。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 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：图2.6 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信号转换方案一 采用A/D转换A/D转换原理：1、逐次逼近法逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为 o，与送入比较器的待转换的模拟量i进行比较，若oi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的 o再与i比较，若oi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。2、双积分法采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量i，i采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间的正向积分，时间到后，开关再接通与i极性相反的基准电压F，将F输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。i越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压i所对应的数字量，实现了A/D转换。A/D转换器选用的原则：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、是否加采样/保持器。4、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。5、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。6、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，可采取如下措施：（1）加强抗干扰措施，尽量避免较大的干扰电流进入电路；（2）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；（3）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，还要注意以下几个问题：（1）工作电源电压是否稳定；（2）外接时钟信号的频率是否合适；（3）工作环境温度是否符合器件要求；（4）与其它器件是否匹配；（5）外接是否有强的电磁干扰；（6）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：A/D转换器误差应在3g以下。12位A/D精度：10Kg/4096=2.44g；14位A/D精度：10Kg/16384=0.61g；考虑到其他部分所带来的干扰，12位A/D转换器无法满足系统精度要求。所以我们需要选择14位或者精度更高的A/D转换器17。方案二 采用V/F转换V-F控制的原理是产生一个震荡频率的电路叫做压控震荡器，是一个压敏电容，当受到一个变化的电压时候它的容量会变化，变化的电容引起震荡频率的变化，产生变频。列如LM331 LM331是性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331的内部电路组成如图所示。由输入比较器、定时比较器、RS触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.040V之间，输出可高达40V，而且可以防止Vcc短路18。当前，12位以上的A/D转换器的价格仍较昂贵，用V/F变换器来代替A/D转换器，在要求速度不太高的场合是一种较好的选择。从传感器来的毫伏级的电压信号经低温漂运算放大器INA126放大到010V后加到V/F变换器LM331的输入端，从频率输出端f0输出的频率信号加到单片机的输入端T1上。根据分辨率的要求利用软件处理，最后得到A/D转换的结果。所以我决定采用LM331芯片V/F转换作为信号转换的方案。2.2.5控制单片机的选型AT89C52单片机是宏晶公司推出的一款完全兼容MCS51的单片机，单片机片内集成了8K的FLASH程序存储器，512字节的RAM数据存储器，至少1K的E2PROM，2个数据指针，1个UART，8个中断源，4个中断优先级，3个定时器。单片机可通过32个I/O口与外部电路连接。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允许程序存储器在线可编程，也适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程闪烁存储单元，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。AT89C52具有以下标准功能：8K字节闪烁存储器，256字节读写存储器，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，STC89C52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，允许读写存储器、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，读写存储器内容被保存，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。本次设计中选择AT89C52为主控芯片。2.2.6显示模块方案一 LED显示 LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。LED显示器结构：基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。可实现09的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等LED显示器与显示方式:LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。通常使用的是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。在设计中使用LED显示块构成N位LED显示器。N位LED显示器有N根位选线和8*N根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮、暗。LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示方式。在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。其中两片74LS244分别用于段信号和位信号的驱动，74LS273用于段信号的锁存，其锁存地址为7FFFH。 图2.7 LED数码管显示方式方案二 LCD显示LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。比LED要好的多，但是价钱较其贵。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：（1）显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。（2）数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。（3）体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。（4）功耗低：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。液晶显示器各种图形的显示原理（1）线段的显示：点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。（2）字符的显示：用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。（3）汉字的显示：汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。SMG12864G2-ZK标准中文字符型液晶显示模块(LCM)，采用点阵型液晶显示器(LCD)，可显示128X64点阵或8个X4行汉字，点尺寸为 0.48X0.48(WXH)mm，内置ST7920接口型液晶显示控制器，内带GB2312码简体中文字库（16X16点阵），可与MCU单片机直接连 接，具有8位并行及串行的连接方式，广泛应用于各类仪器仪表及电子设备。由于本次设计的显示模块需要显示多位数字，如果采用数码管显示的话将会占用多个单片机I/O口,使得电路变得更为复杂。所以选用液晶显示，SMG12864G2-ZK标准中文字符型液晶显示模块(LCM)符合基本条件，能够采用。2.2.7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。操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。因此键盘模块设计的好坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。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。方案一 专用芯片式设计专用键盘处理芯片一般功能比较完善，芯片本身能完成对按键的编码、扫描、消抖和重键等问题的处理，甚至还集成了显示接口功能。列如Intel8279是一种为8位微处理器设计的比较成熟的通用键盘/显示器接口芯片，其功能有：接收来自键盘的输入数据，并作预处理；数据显示的管理和数据显示器的控制。专用键盘处理芯片的优点很明显，可靠性高，口简单，使用方便，适合处理按键较多的情况。但在很多应用场合，考虑成本因素，可能并不是最佳选择。 方案二 矩阵式键盘设计矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。例如，用22的行列结构可构成4个键的键盘，44行列结构可构成16个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活。缺点就是需要用软件处理消抖、重键等问题。考虑到成本方面，我们决定采用矩阵键盘。2.3 具体实施方案简介根据以上设计方案，硬件部分采用51系列单片机AT89C52为控制核心部件，实现电子秤的基本控制功能。AT89C52是一款8位的内带4K程序存储器的微控制器，考虑到用软件实现电子秤系统的各项功能时，所需的软件量并不是很大，不需要太大的程序存储空间，因此在对AT89C52实际设计时不需要在片外再扩展程序存储器，这样不仅节省了硬件资源，也优化了电路的设计。系统的硬件部分不仅包括以单片机AT89C52为核心的最小系统部分，而且还包括数据采集、人机接口界面、系统电源部分。数据采集部分由压力传感器、信号放大处理和V/F转换部分组成。在具体选择传感器时，考虑到在称量物品时必要的精度、准确性要求，所称物品的重量误差必须要控制在一定的范围之内。另外由于秤台的自身重量、振动和冲击分量，以及还要避免物体超重时对传感器的损坏，所以在选择传感器时要保证有一定的承重裕量，所选的传感器量程应该比系统设计要求的要大。一般选择满量程时候的误差不能大于规定量。由于传感器的输出信号中含有一定的干扰噪声，所以必须要对传感器的输出信号进行滤波，在滤波电路的设计时利用普通小电容滤除高频干扰，利用大的电解电容滤除低频干扰。传感器输出的电信号比较微弱，一般为毫伏级，必须采用适当的电路进行信号放大处理，这样才能保证整个系统的精度和稳定性能。这时需要共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度好，而且外部接口简单的专用仪表放大器INA126。在选择V/F转换器时根据系统精度的要求，选择了具有很强抗干扰能力V/F转换器LM331，虽然转换速度慢，但精度高，输入阻抗高，可自动调零，具有超量程信号，全部输出的TTL电平信号兼容。作为电子秤，系统对V/F转换的速度要求不高，而且LM331的转换精度足以满足系统的误差要求。人机交互部分的键盘在系统中，可以输入数字和已经固定的控制命令等。在这次设计中我们采用了44键盘控制。显示用的LCD我们根据要求选用了字符点阵式液晶显示器LCD1602，可以一次满屏幕显示多个个中文字符或英文字符，满足电子秤在称物时的购物清单显示要求。3. 系统硬件设计3.1 基于AT89C52的主控电路3.1.1 AT89C52引脚功能VCC：电源。GND：地。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在闪烁编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送“1”。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在闪烁编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。RST：复位输入。当晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接Vcc。在闪烁编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。图3.1 AT89C52引脚图3.1.2 复位电路单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位。外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压与Vcc上的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压与Vcc上的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压就随着下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。电容C1可取1033F，R取10k，充电时间常数为1010-610103=100ms。3.1.3 晶振电路AT89C52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C2、C3构成并联谐振电路。当外接石英晶体时，电容C2、C3选30pF10pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C2、C3选40pF10pF。STC89C52系统中晶振频率一般在1.212MHz选择。外接电容C2、C3的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在设计电路板时，晶振和电容应靠近单片机，以便减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。在本系统中，选择了12MHz石英晶振，电容C1、C2为30pF。其电路图如图2.3。图3.2AT89C52单片机复位、晶振电路3.2 信号放大电路3.2.1 芯片INA126简介INA126 是精密低噪声差分信号采集仪表放大器，内部采用两个运放设计，使之具有非常低的静态电流 (175 A) 和有很宽电源供电范围 (1. 35 18V) ，可用于便携式仪表和数据采集系统。 INA126 的增益通过外部电阻设置，增益范围从 5V/V to 10000V/V 。激光平衡输入电路提供低偏移电压、低温漂偏移电压和良好的共模抑制比。3.2.2 INA126特点及引脚说明（1）INA126 器件特点：低静态电流： 175 A/chan 宽电压范围： 1.35V to 18V 低偏移电压： 250 V max低温度漂移： 3 V/ C max低噪声： 35nV/ Hz低输入偏移电流： 35nV/ Hz INA126引脚图如下 图3.3 INA126 引脚图 （2）引脚说明 1、8脚：接电位器，控制放大倍数 2脚： 差分输入负端 3脚： 差分输入正端 4脚： 电源输入负端，-5V 5脚： 接地端 6脚： 单端输出端 7脚： 电源输入正端，+5V3.2.3 具体电路设计 图3.4 INA126 电路设计图3.3 信号转换电路3.3.1 芯片LM331应用一般应用于人员不能进入或不易进入的场合，通过传感器将被测量转换为电压，经运算放大器放大为010V电压信号，由LM331进行V/F变换为脉冲信号，通过长双绞线传输到测量室，在测量室内通过光电耦合器转换为幅度稳定的脉冲电压，此脉冲电压再经LM331进行F/V变换为电压进行测量，从而可避免直接导线连接到测量室而造成的线路衰减或干扰，提高测量精度。3.3.2 LM331功能介绍V/F 变换和 F/V 变换采用集成块 LM331，LM331是美国 NS 公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器用。LM331 采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有极高的精度。同时它动态范围宽，可达 100dB；线性度好，最大非线性失真小于 0.01，工作频率低到0.1Hz 时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达 12 位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F 或 F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。图3.5 LM331 组成的电压频率变换电路LM331 内部由输入比较器、定时比较器、RS 触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配 TTL、DTL 和 CMOS 等不同的逻辑电路。 当输入端 Vi输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使 RS 触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端 f0 为逻辑低电平，同时电源 Vcc 也通过电阻 R2 对电容C2 充电。当电容 C2 两端充电电压大于 Vcc 的2/3时，定时比较器输出一高电平，使 RS 触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端 f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容 C2 通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容 C3 对电阻 R3 放电。当电容 C3放电电压等于输入电压 Vi 时，输入比较器再次输出高电平，使 RS 触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率 f0 与输入电压 Vi 成正比，从而实现了电压频率变换18。3.3.3 具体电路设计图3.6 LM331 电路设计图3.4 键盘电路电子秤需要实现计价功能，需要配备输入式人机接口（如键盘等）。电子的输入键盘，必须具备0到9的数字键，以实现操作的方便快捷性。矩阵键盘工作原理:判断键盘中有无键按下将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。图3.7键盘连接3.5 显示电路SMG12864G2-ZK标准中文字符型液晶显示模块(LCM)，采用点阵型液晶显示器(LCD)，可显示128X64点阵或8个X4行汉字，点尺寸为 0.48X0.48(WXH)mm，内置ST7920接口型液晶显示控制器，内带GB2312码简体中文字库（16X16点阵），可与MCU单片机直接连 接，具有8位并行及串行的连接方式，广泛应用于各类仪器仪表及电子设备。LCD12864液晶的引脚接线图 如图3.8表1 SMG12864G2-ZK 液晶显示器引脚说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地11DB4Data 1/02VDD电源正极（+5V）12DB5Data 1/03NC悬空13DB6Data 1/04RS(CS)数据/命令选择端14DB7Data 1/05R/W(STD)读/写控制信号（串行数据输入）15DB8H:并行数据模式L:串行数据模式6E(SCLK)串行移位脉冲输入16NC悬空7DB0Data 1/017/RST复位端8DB1Data 1/018NC悬空9DB2Data 1/019BLA背光源正极10DB3Data 1/020BLX背光源负极4. 系统软件设计4.1 C语言在单片机中的应用C语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上非常流行。它既可以用来编写计算机的系统程序，也可以用来编写一般的应用程序。以前计算机的系统软件主要用汇编语言编写，单片机应用系统更是如此。C语言是当前最流行的程序设计语言，它像其它高级语言一样，面向用户，面向解题的过程，编程者不必熟悉具体的计算机内部结构和指令；C语言又像汇编语言一样，可以对机器硬件进行操作。如进行端口I，0操作、位操作、地址操作，并可内嵌汇编指令，将汇编指令当作它的语句一样。我们知道，汇编语言将涉及计算机硬件，所以C语言又像低级语言一样，可以对计算机硬件进行控制，因此人们把它称为介于高级语言与低级语言之间的一种中级语言。正是因为C语言具有这样的特性，所以很适合编写要对硬件进行操作的软件程序。本文采用C语言进行编写因为此系统软件比较，其存储量较大，因此必须应用C语言编程了9。4.2 电子称的软件设计与实现电子称软件设计均采用模块化设计，整个程序包括主程序、定时中断程序、INTO中断程序按键程序、数据处理子程序(双字节乘法、二一十进制转换程序及逆转换程序)、LCD十六位液晶静态显示