电子称设计.rtf

济南铁道职业技术学院 毕业论文 题 目 数字电子称设计 系 别 电气工程系 专 业 电气自动化 班 级 电气0832 学生姓名 韩帅 指导教师 焦丽娜 完成日期 2010 12 28 摘要摘要 近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展 单片机的应用正 在不断地走向深入而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种 单片 机是集CPU RAM ROM 定时 计数和多种接口于一体的微控制器 由于它具有功 能强 体积小 功耗低 价格便宜 工作可靠 使用方便等特点 因此特别适合 于与控制有关的系统 越来越广泛地应用于自动控制 智能化仪器 仪表 数据 采集 军工产品以及家用电器等各个领域本 现代社会的发展对其称重技术提出 了更高的要求 目前 台式电了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 但是在工业测量中还没有让人们期待的电子秤出现 多年来 人们一直期 待测量准确 价格低廉的在工业发展中起到巨大作用的电子秤投放市场 电子秤 是一种常用的测量器具 与普通器具相比 数字电子秤具有精度高 性能稳定 测量准确 使用方便等优点 数字电子秤通过传感器将被测物体的重量转换成模拟的电压信号 较小的电压信 号通过应用放大系统进行准确 线性的放大 以满足模 数转换器对输入信号电平 的要求 文介绍了基于单片机AT89C51的电子秤的硬件电路及软件流程 系统包括 称重传感器 信号放大 单片机 键盘 LCD显示等部分 电子秤设计得小巧 结 构简单 具有去皮 单价设置 累加等多种功能 从而实现了系统的智能化 所 以 数字电子秤电路主要由传感器电路 放大器电路 模 数变化电路 数字显示 组成 关键词 关键词 单片机 称重传感器 放大器 V F转换器 目录目录 1 引言 4 1 1 本课题的意义 4 1 2 国内外发展历史及现状 5 1 3 主要完成的任务及设计思想 6 2 系统总体方案设计 7 2 1 设计原理及基本思路 7 2 2 称重传感器的选择 8 2 3 A D 转换器选择 9 2 4 放大器的选择 10 2 5 单片机的选择 11 2 6 键盘 显示部分的选择 11 3 电路的硬件设计 13 3 1 整体电路的设计 13 3 2 放大电路的设计 14 3 3 V F 转换电路的设计 15 3 4 单片机微处理系统的设计 16 3 5 键盘显示电路的设计 21 3 6 报警电路的设计 24 4 电子称的软件设计与实现 25 4 1 主程序流程图 26 4 2 子程序设计 28 4 4 2 显示子程序设计 30 4 2 3 键盘扫描子程序的设计 31 结 论 32 致 谢 33 参 考 文 献 34 附录 1 电路原理图 35 附录 2 主要程序 35 1引言引言 1 1本课题的意义本课题的意义 本设计的意义在于全面检验并巩固学生所学专业知识 掌握分装机设计的全 过程 灵活运用所学理论知识 提高计算机控制系统的设计能力 学会绘图软件 及编程软件的使用 进一步拓宽知识面 更好地培养学生理论联系实际 分析问 题 解决问题的能力 为毕业以后尽快适应专业设计环境打下良好基础 随着经济的发展 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 多功能电子秤就是现代生活中应运而生的一种精确 智能 方便 明了 可 靠的称量仪器 它克服了传统的杆秤 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 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 多年来 人们一直期 待测量准确 携带方便 价格低廉的便携式电子秤 袖珍电子秤 投放市场 基于 电子秤的现状 本项目拟研究一种用单片机控制的多功能电子秤设计方案 这种 多功能电子秤体积小 计量准确 携带方便 平且集质量称量功能与价格计算功 能以及万年历显示和温度补偿于一体 能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求 1 2国内外发展历史及现状国内外发展历史及现状 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 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 测量特点已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 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 物品称量是市场交易中很基本的活动 是商业领域最基本的衡具 传统的量 具是杆称或盘称 2O世纪7O年代开始出现了电子称 早期的电子称多通过模拟电 路实现 随着电子技术的不断发展 数字芯片的价格逐渐下降 模拟控制已逐步 被数字控制所替代 电子称的设计模式也大都以微处理器为核心 使精度和可靠 性都有了明显得提高 因为小型商用电子称对适时性要求不高 运算也不太复杂 所以用8位微处理器足可满足要求 电子称重系统必须将多只传感器的输出进行和算 才能得到完整准确的称重 结果 从2O世纪7O年代的模拟串联和算到8O年代的模拟并联和算 和算技术的发 展大幅度降低了电子秤的成本 提高了可靠性和稳定性 但是 模拟并联和算也 存在不足 如对传感器的一致性要求较高 无法对单个传感器进行检测 电子秤 四角偏差调试复杂等 目前 解决上述问题的最好方法是采用数字和算或数模混 合和算 由于信号放大器成本的不断下降以及A D转换器性能的大幅度提高 数 字和算无论在技术上还是在经济上都进入了实用阶段 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 目前大多数电子秤是以1 3 000或1 10 000的分辨率输出 最终的称重值的 这样的系统一般使用12 bit至14 bit的模数转换器就很容易满足要 求 然而 高精密检测的电子秤如果要达到这种分辨率 那么ADC的精度需要接 近于20 bit 1 3主要完成的任务及设计思想主要完成的任务及设计思想 本设计通过键盘设置单价和金额 利用传感器采集外界重力信号 然后通过 放大 AD转换处理将信号传给单片机 在单片机的控制下 将采集的重力信号用L CD显示 最终实现称重显示 还提供了过载报警显示 本设计主要完成的任务有 1 能用简易键盘设置单价 加重后能同时显示重量 单价和金额 2 重量显示 单位为千克 最大称重为5千克 重量误差不大于 0 05千克 3 单价金额及总价金额显示 单价金额和总价金额的单位为元 最大金额数 值为99 9元 总价金额误差不大于0 1元 1 4论文的结构组成 本论文分为部分 绪论 主要阐述电子称研究的意义 及电子称国内外发展历史和现状 说明 主要完成的任务及设计思想 介绍本论文的组成 第2章系统方案设计 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 人机交界模块 进行具体的方案论证及设计 第3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电路图 第4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 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 1设计原理及基本思路设计原理及基本思路 电子秤的应用系统是由硬件和软件所组成 硬件指单片机 扩展的存储器 扩展的输入输出设备等部分 软件是各种工作程序的总称 硬件和软件只有紧密 配合 协调一致 才能提高系统的性能价格比 从一开始设计硬件时 就应考虑 相应软件的设计方法 而软件设计是根据硬件原理和系统的功能要求进行的 电子秤的工作原理 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被送入到主控电路 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 在实 际应用中 为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰 还需要在传感器与A D芯片之间加上信号调整电路 按照设计的基本要求 系统可分为三大模块 数 据采集模块 控制器模块 人机交互界面模块 其中数据采集模块由压力传感器 信号的前级处理和A D转换部分组成 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 此部分对软件 的设计要求比较高 系统的大部分功能都需要软件来控制 在扩展功能上 本设 计增加了一个过载 欠量程报警提示 整体设计方案如图所示 2 2称重传感器的选择称重传感器的选择 最普遍的电子秤应用桥式称重传感器实现 称重传感器的输出电压直接与放 在其上的重量成比例 电阻型应变片传感器的测量电路可采用桥式测量电路 桥 式测量电路 如能恰当的选择个桥臂的电阻 可以消除电桥的恒定输出 使输出电压只与 应变片的电阻有关 应变片式电阻传感器按其测量电路 桥式 可分为单臂式 半桥式 全桥式 三种 所谓半桥 即将电桥的四臂接入四应变片 其中 一片受拉 一片受压 另 外两应变片不受力 全桥是两片受拉 两片受压 故灵敏度比半桥式的大一倍 本方案采用量程为5Kg半桥式称重传感器 有四个电阻 其中任何一个电阻均 可以是应变片 应变式电阻传感器的工作原理 当导体或半导体受到外力作用时 会产生机 械变形 从而导致阻值变化 导体与半导体的电阻与电阻率及其几何尺寸有关 当导体受外力作用时 电阻率及几何尺寸的变化会引起电阻的变化 因此 通过 测量电阻值的大小 就可以反映外界力的大电阻型应变片传感器的测量电路可采 用桥式测量电路 桥式测量电路有四个电阻 其中任何一个电阻均可以是应变片 如能恰当的选择个桥臂的电阻 可以消除电桥的恒定输出 使输出电压只与 应变片的电阻有关 2 3 A D转换器选择转换器选择 方案一方案一 逐次逼近型逐次逼近型A DA D转换转换 器 如 ADS7805 ADS7804等 逐次逼近型A D转换 一般具有采样 保持功能 采样频率高 功耗比较低 是理想的高速 高精度 省电型A D转换器件 高精度逐次逼近型A D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟 基于89C52 构成的系统设计时仅需要外接几个电阻 电容 但考虑到所转换的信号为一慢变信号 逐次逼近型A D转换器的快速的优点不 能很好的发挥 且根据系统的要求 太高的精度就反而浪费了系统资源 所以此 方案并不是理想的选择 方案二方案二 双积分型双积分型A D转换器 如 转换器 如 ICL7135 ICL7109等 等 双积分型A D转换器精度高 但速度较慢 如 ICL7135 具有精确的差分输入 输入阻抗 高 大于 M 3 10 可自动调零 超量程信号 全部输出于TTL电平兼容 方案三方案三 采用采用V FV F变换变换 该方案是使用压频变换器件 把电压信号转化为频率信号 单片机通过计数 获得重物的重量 此方案可不用A D芯片 V F转换器上把电压信号转换为频率信 号的期间 有良好的精度 线性和积分输入特点 它的应用电路简单 外围元件 性能要求不高 对环境适应能力强 转换速度不低于一般的双积分型A D期间 且 价格较低 目前 V F直接处理技术得到了广泛应用 当前12位以上的A D转换器价格昂贵 人们正在寻找新的途径来取代它 其中V F 变换器便是一种较好的选择 由于集成V F变换器件具有高精度 高线性度 而且 外接电路和与单片机接口简单 因此用V F变换器做成高精度 低价格 远距离 高性能的A D转换器 在要求速度不太高的场合是很适用的 基于以上分析并结合实际因素 我们决定采用V F转换方案 选用V F转换芯片 LM331 2 4放大器的选择放大器的选择 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 称重传感器出来的电压信号较弱 一般在毫伏级 需要对其进行放大 所以 设计信号放大电路 将称重传感器出来的信号进行放大 使之成为一个幅值适当 的信号 便于后续电路的处理 在后续电路中需要将其通过过零比较器 转换为脉冲信号 只要将其放大100 倍 就可以满足后续电路处理的要求 同时 要求放大电路有较高的输入阻抗 同相比例放大电路简单 实用 焊接方便 相对反相比例放大电路而言 具 有更高的输入阻抗 而且价格便宜 所以 本设计选择了同相比例放大电路 可以组成同相比例放大电路的运算放大器件有很多 比如LM324 OP07等 1 LM324 LM324是四运放集成电路 价格很便宜 但经实验测试 LM324放大的效果却 不是很理想 所以 最终没有选LM324 2 OP07 OP07是一种高精度单片运算放大器 具有很低的输入失调电压和漂移 特别 适合作前级放大器 放大微弱信号 使用OP07一般不用考虑调零和频率问题就能 满足要求 而且 OP07的价格便宜 所以 从性能价格方面综合考虑 最后本设计选择了OP07 2 5单片机的选择单片机的选择 根据题目要求 有以下两种控制方案 方案一 方案一 采用现场可编程门阵列 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 但是大规模可编程逻辑器件一般是使用状态机方式来实现 即所解决的问题 都是规则的有限状态转换问题 本系统状态较多 难度较大 方案二 方案二 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 单片机的价格大大低于可编程逻辑器件 而 且平时我们大多都是用单片机 比较熟悉 由如上分析 本设计选用的是方案二 采用51系列单片机来实现 最后电路 的核心采用最常用的ATMEL公司的AT89C51 2 6键盘键盘 显示部分的选择显示部分的选择 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2 2的行列结构可构成4个键的键盘 4 4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 我决定采用矩阵键盘 重力信号经过单片机处理 得到压力之后 需要在显示电路中直观地显示出 来 所以 需要选用合适的显示设备及显示电路 来实现对脉搏波动频率信息的 显示 可以选择7段LED数码显示器来对脉搏波动频率信息进行显示 它具有显示清 晰 亮度高 使用电压低 寿命长 使用方便等特点 使用非常广泛 它由若干 个发光二极管组成 当发光二极管导通时 相应的一个点或一个笔画发亮 控制 不同组合的二极管导通 就能显示出各种数字或字符 LED常用显示方法有两种 静态显示和动态扫描显示 1 静态显示 所谓静态显示 就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功 能的 I O接口用于笔划段字形显示 这样单片机只要把要显示的字形代码发送到 接口电路 就不用管它了 直到要显示新的数据时 再发送新的字形码 因此 使用这种方法单片机中CPU的开销小 较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁 静态显示适用于显示器位数较少时 2 动态扫描显示 所谓动态显示 就是一位一位地轮流点亮显示器各个位 扫描 对于显示器的每一位来说 每隔一段时间点亮一次 利用人的视觉暂 留功能可以看到整个显示 但必需保证扫描速度足够快 字符才不闪烁 当显示 位数较多时 用静态显示所需的I O太多 一般采用动态显示的方法 本设计中 重力显示位数少 所以 选择静态显示 3 电路的硬件设计 电路的硬件设计 3 1整体电路的设计整体电路的设计 电子秤应用桥式称重传感器实现 是指称重传感器的输出电压直接与放在其 上的重量成比例 图3 1示出了典型的称重电桥 一个具有至少两个可变桥臂的4 电阻结构的电桥 所称重量引起的电阻变化可产生一个叠加在2 5 V 电源电压的 一半 共模电压之上的差分电压 I 4321 4231 O U RRRR RRRR U 图3 1 电桥称重传感器线路图 电桥线路如图2 9所示 它是以应变片或电阻元件作为电桥桥臂 可取 1 R 为应变片 1 R 和 2 R 为应变片或 1 R 4 R 均为应变片等几种形式 A C和B D分别为电桥的输 入端和输出端 根据电工学原理 可导出当输入端加有电压 I U 时 电桥的输出电压 为 4 4 3 3 2 2 1 1I O 4R R R R R R R RU U 4321 I O 4 KU U 当 0 O U 时 电桥处于平衡状态 因此 电桥的平衡条件为 4231 RRRR 当处 于平衡的电桥中各桥臂的电阻值分别有 1 R 2 R 3 R 和 4 R 的变化时 可近似地求 得电桥的输出电压为 由此可见 应变电桥有一个重要的性质 应变电桥的输出电压与相邻两桥臂 的电阻变化率之差 相对邻两桥臂的电阻变化率之和成正比 对于平衡电桥 如果 相邻两桥臂的电阻变化率大小相等 符号相同 或相对两桥臂的电阻变化率大小 相等 符号相反 则电桥将不会改变其平衡状态 即保持 0 O U 如果电桥的四个桥臂均接入相同的应变片 则有 4321 I O 4 KU U 式中 1 4 分别为接入电桥四个桥臂的应变片的应变 称重传感器出来的电压信号较弱 在毫伏级 需要对其进行放大 所以 设 计信号放大电路 将称重传感器出来的信号进行放大 使之成为一个幅值适当的 信号 便于后续电路的处理 本设计中采用的是由OP07组成的同相比例运算放大电路 电路原理图如图3 2 图3 2 同相比例运算放大电路 桥式称重传感器输出电压大约为 10mv 40mv 在后续电路中需要将其通过过 零比较器 转换为脉冲信号 只要将其放大100倍 就可以满足后续电路处理的要 求 3 3 V F转换电路的设计转换电路的设计 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 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2 4所示 由输入比较器 定时比较器 R S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 DT和CMOS 图3 3 LM331内部结构电路 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 0 40V之间 输 出可高达40V 而且可以防止Vcc短路 LM331为双列直插式8脚芯片 LM331内部有 1 输入比较电路 2 定 时比较电路 3 R S触发电路 4 复零晶体管 5 输出驱动管 6 能 隙基准电路 7 精密电流源电路 8 电流开关 9 输出保护点路等部分 输出管采用集电极开路形式 因此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 从而适应TTL DTL和CMOS等不同的逻辑电路 此外 LM331可采用单 双电源供电 电压范围为4 40V 输出也高达40V I PIN1 为电流源输出端 在f PIN3 输出逻辑低电平时 电流源 输出对电容 充电 引脚2 PIN2 为增益调整 改变 的值可调节电路转换增益的大小 f PIN3 为频率输出端 为逻辑低电平 脉冲宽度由 t和 t决定 引脚4 PIN4 为电源地 引脚5 PIN5 为定时比较器正相输入端 引脚6 PIN6 为 输入比较器反相输入端 引脚7 PIN7 为输入比较器正相输入端 引脚8 PIN8 为电源正端 3 4 单片机微处理系统的设计单片机微处理系统的设计 AT89C51是一种4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Progra mmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能CMOS 8位微处理器 俗称单片机 该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个 芯片中 ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器 AT89C51单片机的特点之一是将程 序存储器和数据存储器分开 并有各自的存储空间和访问指令 即采用哈佛结构 使用时无需外扩存储器 除此之外 AT89C51有3个输入输出口 有24个输入输出 引脚 可以满足设计对引脚的需要 另外 AT89C51还有以下几个特点 a 与MCS 51兼容 b 4K字节可编程闪烁存储器 c 寿命 1000写 擦循环 d 数据保留时间 10年 e 全静态工作 0Hz 24Hz f 三级程序存储器锁定 g 128 8位内部RAM h 32可编程I O线 i 两个16位定时器 计数器 j 6个中断源 k 可编程串行通道 l 低功耗的闲置和掉电模式 m 片内振荡器和时钟电路 所以选择AT89C51是完全可以胜任本设计要求的 其引脚图如图3 1所 示 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 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 AT89C51 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 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 AT89C51 图3 5 AT89C51的引脚图 各引脚功能如下 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8个TTL门电流 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 地址的低8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 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 4个TTL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口作为低8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8位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部8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8位地址信号和控制信号 20 21 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 TTL 这是由于上拉的缘故 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口 如表所示 P3口的备选功能表 引脚备选功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断0 P3 3 INT1 外部中断1 P3 4 T0 定时计数器0外部输入 P3 5T1 定时计数器1外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 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 低位字节 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指令时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 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 芯片擦除 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成 在芯片擦操作中 代码阵列全被写 1 且 在任何非空存储字节被重复编程以前 该操作必须被执行 此外 AT89C51设有稳态逻辑 可以在低到零频率的条件下静态逻辑 支持两 种软件可选的掉电模式 在闲置模式下 CPU停止工作 但RAM 定时器 计数器 串口和中断系统仍在工作 在掉电模式下 保存RAM的内容并且冻结振荡器 禁止 所用其他芯片功能 直到下一个硬件复位为止 应用单片机时 为了保证运行的安全性 应使工作条件不超出所允许的极限 参数 当单片机扩展外部接口部件和选用供电电源时 应考虑各个引脚的驱动能 力和电平的匹配能力 表3 2列出了AT89C51单片机的极限参数 14 15 AT89C51的主要电气特性 参 数数 值 运行温度 55 125 存储温度 65 150 引脚对地电压 1 0 7 0 V 最大运行电压6 6 V 直流输出电流15 0 mA 3 5键盘显示电路的设计键盘显示电路的设计 在单片机应用系统中为了控制系统的工作状态 以及向系统中输入数据 应 用系统中应设置有键盘 键盘由若干个按键组成的开关矩阵 它是最简单的单片 机输入设备 通过键盘输入数据或命令 实现简单的人机对话 键盘上闭合键的 识别是由专门硬件实现的 称为编码键盘 靠软件实现的称为非编码键盘 矩阵式键盘的行线通过电阻接 5V 芯片内部有上拉电阻时 就不用外接了 当键盘上没有键闭合时 所有的行线和列线是断开的 行线均呈高电平 当键盘 上某一键闭合时 该键所对应的行线与列线短接 此时该行线的电平将由被短接 的列线电平决定 当键盘上没有闭合键时 所有的行线和列线断开 行线X0 X3 呈高电平 当键盘上某个键闭合时 该键所对应的行线与列线短路 例如 6号键 按闭合时 行线X1和列线Y2短路 此时X1的电平由Y2的电平决定 如果把行线接 到微机的输入口 列线接到微机的输出口 则在微机的控制下 使列线Y0为低电 平 0 其余Y1 Y2 Y3三根列线都为高电平 然后微机通过输入口读行线的状 态 如果X0 X1 X2 X3都为高电平 则Y0这一列上没有键闭合 如果读出的列 线状态不全为高电平 则为低电平的行线和Y0相交的键处于闭合状态 如果Y0这 一列上没有闭合键 接着使列线Y1为低电平 其余列线为高电平 用同样的方法 检查Y1这一列上有无闭合键 以此类推 最后使列线Y3为低电平 其余的列线为 高电平 检查Y3这一列上是否有键闭合 这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称 为对键盘的一次扫描 CPU对键盘扫描可以采用程序控制的随机方式 CPU在空闲 时扫描键盘 也可以采取定时控制方式 每隔一定时间 CPU对键盘扫描一次 CPU可随时响应键输入请求 也可以采用中断方式 当键盘上有键闭合时 向CPU 请求中断 CPU响应键盘输入中断请求 对键盘扫描 以识别那一个键处于闭合状 态 并对键输入信息作出相应处理 CPU对键盘上闭合键键号的确定可根据行线和 列线的状态计算求得 也可以根据行线和列线的状态查表求得 为了保证CPU对键 的闭合做一次仅一次处理 在软件中必须设置去除抖动 在键的稳定闭合或断开 时读键的状态并判断出键由闭合到释放时在做键输入处理 RL3 RL2 RL1 RL0 X2 X3 X1 X0 78 6B 321 4 C DEF0 9 5 A 扫描信号输出端 扫 描 信 号 输 出 端 图 3 5矩阵式键盘 八段LED数码管的显示原理是通过同名管脚上所加电平高低来控制发光二 极管是否点亮而显示不同的字型 其结构图如下图3 5 1所示 a b c d e f g a b c d e f g GG spsp a 共阴极接法 b 共阳极接法 图3 8 八段数码显示管结构原理 共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起 通常此公共阳极接正电压 当某个发光二极管的阴极接低电平时 发光二极管被点亮 相应的段被显示 共 阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起 通常次公共阴极接地 当某个发 光二极管的阳极为高电平时 发光二极管点亮 相应的段被显示 如下表2 6所示 为7段LED字型码 在编制软件时可以把字型码放入一个表中利用查表指令来选取 不同的字型码完成显示 表3 4 共阴极 共阳极七段数码管字型表 显示字符共阴极字型码共阳极字型码 03FHC0H 106HF9H 25BHA4H 34FHB0H 466H99H 56DH92H 67DH82H 707HF8H 87FH80H 96FH90H 共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起 通常此公共阳极接正电压 当某个发光二极管的阴极接低电平时 发光二极管被点亮 相应的段被显示 共 阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起 通常次公共阴极接地 当某个发 光二极管的阳极为高电平时 发光二极管点亮 相应的段被显示 如下表2 6所示 为7段LED字型码 在编制软件时可以把字型码放入一个表中利用查表指令来选取 不同的字型码完成显示 表3 5 2 共阴极 共阳极七段数码管字型表 显示字符共阴极字型码共阳极字型码 03FHC0H 106HF9H 25BHA4H 34FHB0H 466H99H 56DH92H 67DH82H 707HF8H 87FH80H 96FH90H MCS 51对LED管的显示可分为静态和动态显示 静态显示的特点是各LED管能 稳定的同时显示各个字符 动态显示是指各LED轮流地一遍一遍显示各字符 人们 因为视觉器官的惰性而看到的是各LED似乎在显示不同字符 静态显示所需的硬件比较多 每一位数码管都需要加锁存器 为了减少硬件 开锁 提高系统的可靠性和降低成本 多数系统采用动态扫描显示 本课题的系统中数码管的位数是8位 使用动态显示完全可以满足要求 74LS 134是三态输出的八缓冲器 由2组 每组四路输入 输出构成 每组有一个控制 端 由控制端的高或低电平决定该组数据被接通还是断开 它为段驱动芯片 74L S134是位驱动芯片 1 A B 串行输入端 2 Q0 Q7 并行输出端 3 Cr 清除端 为0时 输出清零 4 CP 时钟输入端 3 6 报警电路的设计报警电路的设计 报警电路是超过设定的范围 单片机输出信号驱动蜂鸣器发声警报 如图 所示 当BDLL端为低电平时 有电流通过蜂鸣器 蜂鸣器报警 反之不报警 这 里设定当超过质量的上限时通过软件使8031的P1 0口清零 再过P1 0口出来的低电 平信号连接到BELL端蜂鸣器发声报警 如图所示 图3 6 报警电路 4 电子称的软件设计与实现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 I NTO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子程序等模块 所有程序均采用C汇编语言编 写 电子计价秤的软件设计思路说明如下 主程序的作用为程序初始化 计算单 价木单重 单价和单重分别在定时中断程序和INT0外部中断程序中获得 并时时 显示十进制的单重 单价 总价 设定T0为计数工作方式 T1为定时工作方式 其中R0为标志位寄存器当为OOH时为正常显示方式 当为01H时为累计显示方式 在 T1定时中断程序中 一秒钟采样物料重量 已转成脉冲频率 并赋值重量计算RAM 区和显示RAM区 在INTO外部中断程序中 采样单价并赋值单价计算 4 1主程序流程图主程序流程图 主程序流程图给出了系统工作的基本过程 描述了信号的基本流向 起到一 个向导的作用 图4 1主程序流程图 4 2子程序设计子程序设计 系统子程序主要包括A D转换启动及数据读取程序设计 键盘输入控制程序设 计及显示程序设计等 4 2 1 V F转换启动及数据读取程序设计 V F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 设计流程图如下图所示 图4 2 1V F信号读取及处理程序 4 4 2显示子程序设计 显示子程序主要是来判断是否需要显示 以及如何去显示 也是十分重要的程 序之一 设计流程图如图所示 4 2 3键盘扫描子程序的设计 键盘电路设计成4X4矩阵式 在程序中可以先判断按键编码 然后根据编码将 键盘代表的数值送到相应的存储单元 再进行功能选择或数据处理 设计流程图 如图所示 图4 2 3键盘扫描子程序流程图 结结 论论 经过这几个月的努力 终于按照毕业设计进度要求如期完成了实用电子秤控 制系统的硬件设计任务 在做毕业设计的过程中 虽然碰到了不少的困难 但是 在老师的指导以及自己的努力下 终于取得了一定成果 回顾起半学期的毕业设计阶段 刚开始自己感觉电子秤的原理很简单 可在 这个设计的制作过程中 我遇到了各种各样的困难 首先在选择元器件上 因为在学 习中我大多停留在基础知识上 平时动手操作的机会还不够多 对一些元器件的规 格了解不多 所以选材上动了一番脑筋 经过将近一个多月的努力 我对课题的各 个方面都比较熟悉了 形成了自己的设计方案 以后的工作也就很顺利地按照自 己的设计思路完成了 当然 在具体操作时 也常会碰到各种问题 但我都能通 过查资料或向老师请教把问题解决掉 并在解决问题的过程中把细节认识得更清 楚 得到更多的设计灵感 使设计也在这过程中不断完善 设计的方案也是一改 再改 根据查找资料和请教同学 最后才把设计图纸确定下来 在研究过程中 通过对数据采集的分析 了解了各种传感器 放大器及A D转 换器 对信号的转换 传输有了更深一步的认识 通过对键盘和显示器进行选型 比较 锻炼了自己的比较分析判断能力 熟悉AT89C51芯片的功能及工作特性 掌 握了其接口扩展方法 设计过程中采用面向对象的思想 分层次 分模块构建设 计的总体框架 总之 经过我这次的毕业课程设计 感觉到的是收获匪浅 在毕业设计中 有很多东西我们都还没有熟练掌握 通过毕业设计 使我将这三年所学到的知识 得到了系统化 贯穿成了一条线 随着集成电路和计算机技术的迅速发展 传统 的仪器逐步的被智能仪器所取代 智能仪器的核心部件是单片机 因其极高的性 价比得到广泛的应用与发展 从而加快了智能仪器的发展 而传感器作为测控系 统中对象信息的入口 越来越受到人们的关注 因此 只有充分了解有关智能仪 器 单片机 传感器以及各部分之间的关系才能达到要求 科学技术是飞速发展 的 我们的脚步要跟的上科技的发展 不断创新 致致 谢谢 我能够按时并顺利完成学士阶段的学业 并按时完成我的毕业论文是与许多 人的帮助分不开的 在此 对在论文工作中给予我关心和大力帮助的老师 同学 朋友予以深深地感谢 此次电子秤的设计工作是在我的导师的精心指导和悉心关怀下完成的 在我 的学业和设计工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血 导师的严谨治学态度 渊博的知识 无私的奉献精神使我深受的启迪 从尊敬的导师身上 我不仅学到 了扎实 宽广的专业知识 也学到了做人的道理 在此我要向我的导师致以最衷 心的感谢和深深的敬意 在我的设计撰写过程中 焦老师提出了宝贵的意见和建议 给了我莫大的帮 助 在这里向他们表示深深的感谢 感谢学校 学院为我们提供良好的设计环境 学校图书馆充足的网上资料和 图书大大提高了我们的设计效率 而且让我们对自己的专业及课程有了更深刻 更深入的了解 提高了我们的逻辑思维能力 很大范围的拓宽了我们知识面 感谢这段时间与我携手共进的同学 悉心指导的老师 督促我们进步的导员 没有你们的支持 我是很难完成这项设计的 在此 向你们说一声 你们辛苦了 参参 考考 文文 献献 1 检测技术与系统设计 张靖主编 中国电力出版社 2 MCS单片机应用技术选编 何利民编 北京航空航天大学出版社 3 智能传感器系统设计与应用 沙占友编 机械工业出版社 4 数字电子技术基础 第四版 阎石编 北京教育出版社 5 单片机接口技术 李华编 北京航空航天大学出版社 6 电子技术应用 李春茂编 中国建材工业出版社 1999 附录附录1 电路原理图电路原理图 附录附录2 主要程序主要程序 1 1 主程序主程序 MOV R7 A HB2 CLR A MOV R3 A MOV R4 A MOV R5 A MOV R2 10H HB3 MOV A R7 RLC A MOV R7 A MOV A R6 RLC A MOV R6 A MOV A R5 ADDC A R5 DA A MOV R5 A MOV A R4 ADDC A R4 DA A MOV R4 A MOV A R3 ADDC A R3 MOV R3 A DJNZ R2 HB3 MOV 40H R3 MOV 41H R4 POP ACC POP PSW RET WRITE LED PUSH DPH PUSH DPL PUSH ACC MOV R0 5CH MOV R3 0F7H MOV A R3 AGAIN MOV DPTR K8155A MOVX DPTR A MOV A R0 MOV DPTR K8155B MOVX DPTR A LCALL DELAY01 INC R0 MOV A R3 JNB ACC 0 OUT RR A MOV R3 A AJMP AGAIN OUT POP ACC POP DPL POP DPH RET SET KEY MOV R7 00H MOV R6 00H MOV R5 00H LCALL READ KEY1 MOV A B CJNE A 04H END ST MOV 5FH 76H MOV 5EH 00H MOV 5DH 00H MOV 5CH 00H LCALL WRITE LED SETH LCALL READ KEY1 MOV A B CJNE A 0FFH GGG LCALL WRITE LED LJMP SETH GGG CJNE A 05H SET L MOV A R7 CJNE A 06H SET H MOV A 00H MOV R7 A SET H MOV SET VH R7 MOV DPTR BCD CODED MOVC A A DPTR MOV 5EH A LCALL WRITE LED INC R7 LJMP SETH SET L CJNE A 06H SET LL MOV A R6 CJNE A 0AH SET L1 MOV A 00H MOV R6 A SET L1 MOV SET VL1 R6 MOV DPTR BCD CODE MOVC A A DPTR MOV 5DH A LCALL WRITE LED INC R6 LJMP SETH SET LL CJNE A 07H KEYJS