基于AT89C51单片机的电子计价秤的软硬件设计.doc

电子计价秤设计电子计价秤设计摘 要本文介绍了基于AT89C51单片机的电子计价秤的软硬件设计方法。该方法是由应变片式传感器组成的全桥电路感应物料重量后转换成与之成线性关系的电压。经过放大电路处理后，就得到重量与电压的线性比例关系，即1g输出为1mv，1kg输出为1v，满量程为5v。再通过V/F变换电路、10倍倍频电路转换脉冲信号输入AT89C51单片机进行处理。最后将得到的关系的脉冲串送入AT89C51的T0定时/计数进行计数。并且用44矩阵式键盘输入单价，与单重相乘自动计总价，通过LCD时时显示。该电子计价秤硬件电路包括，44矩阵式键盘及复位电路等，达到了高效、可靠、精确的电子计价秤的设计目的。关键词： 电子计价秤；AT89C51；V/F变换电路 ITHE DESIGN OF ELECTRONICPRICE COMPUTING SCALE ABSTRACTThis article introduced the design method of AT89C51 monolithic integrated circuits electronic price computing scales software and hardware.This method composed after the strain gauge type sensor the entire bridge electric circuit which induces the material weight transforms with it becomes the linear relationship the voltage. After amplifying circuit processing, obtains the U=kW distance scale relations, K=1v/kg, namely the 1g output is the 1mv,1kg output is 1v, the full scale is 5v. Through the V/F transfer network, 10 time of doubling circuit switching pulse signal input AT89C51 monolithic integrated circuit carries on processing again, finally obtained the F=10W relations pulse train to send at89C51 the T0 fixed time/counting to carry on the counting. Proportional relationship for (1g1mv10Hz), full scale (5kg5v50kHz). And with 44 the matrix form keyboard entry unit price, with the single multiplication automatic idea total price, demonstrated at times through LCD. This electronic price computing scale hardware circuit includes 44 matrix form keyboard and the reset circuit and so on, it reach electronic price computing scales purpose of the design which are the highly effective, reliable, accurate, electronic price computing scales purpose of the design. KEY WORDS：Electronic valuation scale ,AT89C51,V/F transfer networkII电子计价秤设计目 录中文摘要 英文摘要1 引言12 方案论证12.1 控制器部分方案设计12.2 数据采集部分方案设计22.3 键盘输入方案设计42.4 数据显示部分方案设计52.5 电源部分方案设计53 电子计价秤的硬件电路设计63.1 微处理器系统63.2 应变片式传感器及其测量放大电路63.3 信号预处理电路113.3.1 LM331组成V/F变换电路123.4 键盘接口电路143.4.1 键盘接口的工作原理143.4.2 矩阵式键盘153.4.3 键盘接口电路163.5 LCD液晶显示电路173.5.1 LCD显示器的工作原理173.5.2 液晶显示电路193.6 越限报警电路和复位电路193.7 电源电路设计204 电子计价秤的软件设计214.1 主程序流程图214.2 键值处理程序框图22结束语24致谢25参考文献26附录127附录2341 引 言随着电子技术的发展，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秤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单片机系统设计的电子计价秤。衡器是计量器具的一个重要组成部分。过去人们称计量为“度衡量”。所谓度，是指用尺测量物体的长短；所谓量，是指用容器测量物体的体积；所谓衡，则是指测量物体的重量。电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段，对加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。电子衡器具有反应速度快，测量范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传、便于计算机控制等特点。被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口、建筑、机械制造和国防等各个领域。本文介绍了基于AT89C51单片机的电子计价秤的软硬件设计方法。该方法是由应变片式传感器组成的全桥电路感应物料重量后转换成与之成线性关系的电压，再通过V/F变换电路、10倍倍频电路转换脉冲信号输入AT89C51单片机进行处理，且通过10位LED数码管显示器时时显示。该电子计价秤硬件电路包括应变片式传感器及其测量放大电路、信号预处理电路、LED数码管显示电路、44矩阵式键盘接口电路及复位电路等，最终达到了高效、可靠、精确的电子计价秤的设计目的。2 方案论证2.1 控制器部分方案设计本系统控制器部分可选择的方案有以下两种：方案一 采用大规模可编程逻辑器件来进行控制。采用本方案，会使系统设计起来相当复杂。又因为系统需要进行数码显示、语音播放和打印控制，所以不宜采用大规模可编程逻辑器件(CPLD、FPGA)来实现。因为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，用本方案难度较大。方案二 采用单片机来实现控制。以单片机为主体的设计，可以容易地将计算机技术和称重控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制系统”。所以采用基于51系列单片机来实现，又因为系统没有其它高标准的要求，再考虑到本设计中程序部分比较大，所以本设计最终选择了AT89C51这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。AT89C51内部带有4KB的程序存储器，基本上已经能够满足本设计的需要；有四个I/O口。本系统是采用基于51系列单片机来实现，因为系统需要大量的控制显示和键盘。不宜采用大规模可编程逻辑器件：CPLD、FPGA来实现。（因为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。）综合以上分析，本设计最终选择了比较常用的AT89C51。2.2 数据采集部分方案设计1传感器的选择电阻应变式传感器主要由弹性体、电阻应变片等组成，内部线路采用双差动全桥电路，如图2-1所示。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： （2-1）图2-1应变片桥接方式题目要求称重范围5kg，重量误差不大于50g。所以本设计选用电阻应变式传感器，可以满足本系统的精度要求。2前置放大器的选择压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。经多方面分析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 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。电阻、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 AD521测量放大器单芯片集成电路。此类芯片放大倍数的调节范围为0.1-1000，并且具有高精度，高速度，高共模抑制比，防止低噪声漂移等优点。基于以上分析，最终决定采用制作方便而且精度很好的AD521作为前置放大器。3A/D转换器的选择由上面对传感器量程和精度的分析可知：A/D转换器误差应在以下 12位A/D精度：5kg/4096=1.22g14位A/D精度：5kg/16384=0.305考虑到其他部分所带来的干扰，12位A/D已经能足系统精度要求。所以我们不需要选择14位或者精度更高的A/D。 方案一 逐次逼近型A/D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AT89C51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，12位A/D足以满足精度要求，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 双积分型A/D转换器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549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），可自动调零，超量程信号，全部输出于TTL电平兼容。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。方案三 V/F转换器LM331芯片组成的A/D转换电路。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前置放大器AD521放大到0.11000倍后，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AT89C51的输入端T0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。作为电子秤，系统对A/D的转换速度要求并不高，精度上12位的A/D足以满足要求。V/F转换器LM331芯片能够把电压信号转换为频率信号，而且线性度好，通过计算机处理，再把频率信号转换为数字信号，就完成了A/D转换。它与ADS7805、ADS7804等电路相比，具有接线简单，价格低廉，转换精度高等特点，而且LM331芯片在转换过程中不需要软件程序驱动，使用起来方便了许多。基于以上分析，最终决定采用V/F转换器LM331芯片组成的A/D转换电路。2.3 键盘输入方案设计方案一 编码式专用键盘管理芯片74C92274C922为CMOS工艺技术制造，工作电压为3-15V，“二键锁定”功能，编码输出为三芯输出，可直接与微处理器数据线相连，内部振荡器完成44矩形键盘扫描。它需要进行十进制转换成二进制，再把二进制转换成十进制，最后通过LED数码管显示。方案二 非编码式44矩阵式键盘除了使用专用的键盘控制芯片（如8279键盘/显示器控制IC）外，单片微机还可以通过单片微机本身的I/O引脚或外扩可编程I/O芯片的I/O脚來构成独立式或矩阵式键盘。由于AT89C51的I/O口具有输出锁存和输入缓冲的功能，因而用它们组成键盘电路时，可以省掉输出锁存器和输入缓冲器，图3-14所示的是由AT89C51本身的P1口來构成44矩阵式键盘。键盘输入是人机交互界面中最重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。本设计采用方法二。2.4 数据显示部分方案设计本题目要求显示单重、单价，并自动计算总价。方案一 采用LCD液晶显示液晶LCD静态显示方式，(液晶显示器(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻、超薄,无闪烁等许多其它显示器无法比拟的优点)驱动芯片为NTERSIL公司的ICM7211AM芯片，占用AT89C51单片机的P0口和P2口的部分I/O。但是LCD价格比LED数码管贵。方案二 采用LED数码管显示这种接口微处理可驱动8位7段数字型LED或条形图显示器或64只独立LED。发光二极管一般位砷化镓半导体二极管，在发光二极管两端加上正向电压，则发光二极管发光。而数码管LED是由若干发光二极管组合而成的，一般的“8”字型LED由“a，b，c，d，e，f，g，dp”8个发光二极管组成，每个发光二极管称为一个字段。七段LED有共阴极和共阳极两种结构形式。显示电路一般分为静态显示和动态显示两类。本次设计采用LCD液晶显示块，静态态显示方式，占用AT89C51单片机的P0口、P2口。通过论证，本设计中的显示部分采用方案一即用LCD数码管显示，时时显示单重、单价、总价。2.5 电源部分方案设计本设计中的所有芯片都是用+5V电源供电，所以在系统中需要提供+5V的电源。在本设计中电源部分可以由两个方案来实现：方案一 直接用直流稳压器输出+5V直流电压；方案二 通用的220V交流电压通过变压器变压并整流后输出+15V，然后通过4个IN4007晶闸管整流，再并联两个电容，最后接到LM7805的Vin端，由LM7805的Vout输出+5V电压，即为该系统所需电压。考虑到价格等各种因素，在本系统设计中采用方案二。3 电子计价秤的硬件电路设计3.1 微处理器系统本系统采用AT89C51单片机作为中央处理器。它是本电子计价称的核心部分，对所测数据进行处理，在没有加AD521前，1kg1mv，在加了AD521后，经过对信号1000倍放大后，1kg1v。按这个比例关系乘以物品单价就得到了物品的总价额。用单片机的P0、P2、P3口与LED数码管进行通信，把运算结果用LED显示屏显示出来，它还要完成键盘的扫描，设定物品的单价，以便计算物品的总价。同时进行报警处理，当物品的重量超过量程时给蜂鸣器一个信号，使蜂鸣器响起来，告诉人们超载了。3.2 应变片式传感器及其测量放大电路在电子秤设计中，称重传感器的设计是其中一个重要的环节。商业中常用的测量范围在0至几千克的电子计价秤常选用电阻应变式传感器。电阻应变式传感器具有抗干扰，电路简单，稳定性较好等优点。它能将重量(质量)通过弹性体转换成应变量，再由电阻应变片将应变量转换成电阻的相对变化量。导体或半导体在外界作用下产生机械形变时，其阻值将发生相应的变化，这种现象称为“应变效应”。根据应变效应将应变片粘贴于被测材料上，使其在受到外界应力作用时，引起应变片的变形，并使其阻值发生变化。通过测量双差动全桥电路将应变片阻值的变化转换成电压的输出，就可确定被测材料机械量的变化。我们根据传感器理论可知，设一长为L、截面积为S、电阻率为的电阻丝，已知其阻值为式（3-1）。当电阻丝L方向两端有机械应力F时，l，s都会发生变化，从而导致电阻发生变化，其金属丝的应变灵敏系数K为式（3-2） （3-1） （3-2）比例系数称为泊松比，c为金属晶格结构的比例系数，一般在-12(镍)+6(铂)范围。在弹性形变范围内，K决定于泊松比和比例系数c；在塑性形变范围内，因=0.5，所以K=2。在电子计价秤的实际应用中，应变式传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件亦称弹性体，利用它把被测物理量重量转换为弹性体的应变值。我们采用铝合金作为弹性体的材值。另一个是应变片，由于金属材料的应变片的稳度稳定性好，在很大范围内保持常数，所以一般采用金属电阻应变片。并且电子计价秤在秤台结构上一个显著的特点是一个相当大的秤台只在中间装置一块专门设计的传感器组来感应物料重量。当秤台上放置物料时，应变片产生电阻应变R（应变片受拉时为R+R，应变片受压时为R-R），为了显示和记录，通常将应变片组成双差动全桥电路.双差动全桥电路具有较高的灵敏度，良好的线性关系和适应温度变化的补偿能力。如图3-1所示即采用两片受压，两片受拉的四片应变片，且使相同受力状态的两应变片接入电桥的相对臂上。设R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则此时输出电压为式3-3。由电桥的电压灵敏度S可见，全桥双差动电路的电压灵敏度为Vcc，同时完全线性，电桥灵敏度如式3-4。在全桥电路后面加了一级由AD521测量放大器单芯片集成电路。放大倍数的调节范围为0.1-1000，并且具有高精度，高速度，高共模抑制比，防止低噪声漂移等优点。经过全桥双差动和放大电路处理后，就得到U=kW的线性比例关系，K=1v/kg，即1g输出为1mv，1kg输出为1v，满量程为5v。 （3-3） （3-4）图3-1 应变片全桥电路弹性体的品质决定着整个测量系统的量程、灵敏度、线性等特性，因此弹性体的设计是电子称设计的重要环节。根据电子计价称的设计要求，弹性体的设计应满足以下要求：1) 灵敏度高；2) 输入力F与输出形变成线性；3) 形变与力作用点无关，即消除偏载误差；4) 容易进行温度补偿。电阻应变式传感器的弹性体有以下几种形式：柱形、筒形、环形及梁形。柱形、筒形和环形弹性体常用于测量力较大，受力点固定的传感器中。而计价称的量程很小，易采用梁式结构。根据以上各项要求，本电子计价称采用双平行梁。对简单双平行梁进行改进，通常加工成图3-2形式：双孔框架结构和多孔框架结构，并且结合电阻应变片的贴片方式和电桥连接方式，消除电子称的四角误差。这种框架结构的力学分析较为复杂，先进行如下简化：图中1、2、3、4部位粘贴了电阻应变片，由于横梁A、B和垂直梁C、D的刚度与1、2、3、4部位的刚度相比要大的多。因此，假设14点位置为铰链，A、B、C、D为刚体，当受载荷P作用时，铰链发生如图3-5变形，则1、3处受拉应力，2、4处受压应力。要精确计算粘贴应变片部位的应变需要运用固体力学中的板的计算理论及有限元法。据文献2的计算结果，当t1/t2很小时，其弯矩图见图3-3。1线性分析使1、2、3、4部位所贴应变片的阻值R1=R2=R3=R4，传感器无负载时输出为零，若制造时应变片粘贴恰当，使各片受负载后的电阻变化相等，则电桥(见图3-4)输出电压为： （3-5）Vcc供桥电压；应变量；K应变片的应变灵敏系数此时，传感器输出与应变成正比，具有良好线性。2抗偏载能力假设载荷作用点在X方向有偏移X，相当于P作用于原处再附加一个力矩M1=PX，在力P作用下梁的弯矩图见图3-5。在力矩M1作用下，梁的弯矩图见图3-6。在力P和力矩M1共同作用时，上下梁的变形为2种情况单独作用时的代数和.把弯矩图3-5和弯矩图3-6相加，得图3-7。分析可知，R1和R2处的应变减小一个相同数值，R3和R4处的应变增大一个相同数值，因此电桥输出不变。若载荷在弹性体宽度方向有偏移y，相当于P作用处再附加一个力矩M2，此力矩使上下梁同时受到扭转变形。由于两垂直梁的刚性好，变形量可忽略不计。图3-2框架结构梁的弯矩图图3-3框架结构梁的弯矩图图3-4应变片桥接方式图3-5力P作用下的弯矩图图3-6力矩M1作用下的弯矩图图3-7有X方向的偏载时的弯矩图3.3 信号预处理电路传感器电桥电路输出LM331组成V/F变换及整形电路10倍倍频电路U=W F=W F=10W T0 AT89C51信号预处理电路的系统框图如图3-8，说明如下：电路具有价格低，精度高，编程简单的特点。 图3-8 信号预处理电路的系统框图在电子计价秤设计中可作为A/D转换电路（由于较多文章及书籍介绍此电路，在此不多介绍。），其突出的特点就是把模拟电压转换成抗干扰能力强的脉冲串。V/F转换过程是对输入信号的不断积分，它需要被测信号提供适当的驱动电流，因干扰信号不能提供电流而被滤掉。信号频率输出范围为1Hz10KHz，最大非线性误差为0.01%，由于在软件中，单片机AT89C51一秒钟采样脉冲信号，由于采样信号范围较宽（1Hz5KHz），为了提高低频区的测量准确度，决定采用10倍倍频电路扩频10倍，其中10倍倍频电路由锁相环芯片CC4046和一个10分频器CC4518芯片组成，10倍倍频电路图如图3-9所示。至此经过信号预处理电路我们得到了F=10W关系的脉冲串送入AT89C51的T0定时/计数进行计数。比例关系为（1g1mv10Hz），满量程（5kg5v50kHz）。图3-9 10倍倍频电路3.3.1 LM331组成V/F变换电路作为电子秤，系统对A/D的转换速度要求并不高，精度上12位的A/D足以满足要求。V/F转换器LM331芯片能够把电压信号转换为频率信号，而且线性度好，通过计算机处理，再把频率信号转换为数字信号，就完成了A/D转换。它与ADS7805、ADS7804等电路相比，具有接线简单，价格低廉，转换精度高等特点，而且LM331芯片在转换过程中不需要软件程序驱动，使用起来方便了许多。V/F变换电路图如图3-10所示。V/F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，可作精密电压频率转换器、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。同时它的动态范围宽，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变换电路，并且容易保证转换精度。图3-10 V/F变换电路图图3-11是LM3311的内部电路组成，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、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。 当输入端输入一正电压时，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fi为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻对电容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fi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fi与输入电压Vi成正比，从而实现了电压频率变换。设电容C3的充电时间为t1，放电时间为t2，则根据电容C3上电荷平衡的原理，得式3-6： (3-6)从上式可得： （3-7）实际上，该电路的VL在很少的范围内(大约10mV)波动，因此，可认为VL=Vt，故上式可以表示为： （3-8）可见，输出脉冲频率fi与输入电压Vi成正比，从而实现了电压频率变换。式中IR由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接电阻R4决定，IR=1.90/R4，改变R4的值，可调节电路的转换增益，t1由定时元件R2和C2决定，其关系是t1=1.1R2C2，典型值R2=6.8k，C2=0.01F，t1=7.5s。由fi=(ViR4)/(2.09R3R2C2)可知，电阻R4、R3、R2和电容C2直接影响转换结果fi，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电容C1对转换结果虽然没有直接的影响。但应选择漏电流小的电容器。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。图3-11 LM331内部结构LM331要实现A/D转换，需与计数器配合使用。LM331的输出端FOUT与单片机计数器T0端口连接，定时器T1用于定时，由公式f=D/T，D是计数值；T是计数时间。计数时间T由定时器T1确定，通过计算得出FOUT，然后进行数据处理与存储。主程序设置定时器T0、T1工作方式分别为16位计数和定时，并置初值，T1开中断，T1的定时时间根据转换精度需要而定，如果取转换精度为12位，最高频率为50KHZ，计满量程时间为FFFH/50K=4.096ms，计算如式（3-9）： （3-9）单片机采用12MHz晶振时，机器周期为1s，定时初值为式（3-10）： （3-10）3.4 键盘接电口路3.4.1 键盘接口的工作原理在过程控制和智能仪表中，通常是用微控制器进行实时控制和数据处理的，为实现人机对话，键盘是个必不可少的功能配置。利用按键可以实现向单片微机输入数据、传送命令、功能切换等，是人工干预单片微机系统的主要手段。键盘可分为两类：独立式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘，这是最简单的键盘电路，各个键相互独立，每个按键独立地与一根数据输入线相连接。其中，中断方式是任何一个按键按下时，通过门电路都会向CPU申请中断，在中断服务程序中，读入P1口的值，从而判断是哪一个按键被按下。位查询方式是，在平时所有的数据输入线都通过上拉电阻被连接成高电平；当任何一个键被压下时，与之连接的数据输入线将被拉成低电平。要判断是否有键被压下，只要用位处理指令即可。对按键是否被按下，需采用软件消抖的办法，以消除按键在闭合和断开瞬间所伴随有一连串抖动所带来的不利影响。这种键盘的优点是结构简单、使用方便，但随着键数的增加所占用的I/O口线也增加。在使用键数不多的单片微机系统中，常使用这种独立式键盘。矩阵式键盘输出电路，如图3-12所示，若有四根行线，四根列线，则构成44键盘，最多可定义16个按键。图3-12 矩阵式键盘3.4.2 矩阵式键盘1键盘扫描CPU先通过输出口使所有行线输出位低电平，然后从输入口读入所有列线的状态。若列线状态都为高电平，则说明没有键被按下，若列线中有低电平，则表明有键被按下。判断按键位置，CPU通过输出口使行线从低位至高位逐位变低电平输出，每次均读入列线的状态，以确定哪条行线为“0”状态。由行、列的状态就可判断是哪一个键被按下（行、列交叉处）。当判断出哪个键压下后，程序转入相应的键处理程序。2键的扫描方式程控扫描方式：CPU的控制一旦进入监控程序，将反复不断地扫描键盘，等待输入命令或数据。定时扫描方式：在初始化程序中对定时器/计数器进行编程，使之产生10ms的定时中断，CPU响应定时中断，执行中断服务程序，对键盘扫描一遍，检查键盘的状态，实现对键盘的定时扫描。中断扫描方式：当键位上有键压下时，由硬件电路产生中断请求，CPU响应中断，执行中断服务程序，判断压下的键的建号，根据键的定义（数字键或功能键）作相应的处理。3.4.3 键盘接口电路除了使用专用的键盘控制芯片（如8279键盘/显示器控制IC）外，单片微机还可以通过单片微机本身的I/O引脚或外扩可编程I/O芯片的I/O脚來构成独立式或矩阵式键盘。由于AT89C51的I/O口具有输出锁存和输入缓冲的功能，因而用它们组成键盘电路时，可以省掉输出锁存器和输入缓冲器，图3-13所示的是由AT89C51本身的P1口來构成44矩阵式键盘。下图中，键盘的四根列线连到P1口的低4位，而四根行线连到P1口的高四位，而四根列线通过“与”门连到端。图3-13 使用I/O口的矩阵式键盘电路没有键压下时，位高电平；当键位上有任一键压下时端变为低电平，向CPU发中断请求。若CPU开放外部中断0，则响应中断、执行中断服务程序扫描键盘。在行输出电路中，每行都串联一个二极管是为了防止多键同时压下时，输出口可能会短路。3.5 LCD液晶显示电路3.5.1 LCD显示器的工作原理我们很早就知道物质有固态、液态、气态三种型态。液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性，但是如果这些分子是长形的(或扁形的)，它们的分子指向就可能有规律性。于是我们就可将液态又细分为许多型态。分子方向没有规律性的液体我们直接称为液体，而分子具有方向性的液体则称之为“液态晶体”，又简称“液晶”。液晶产品其实对我们来说并不陌生，我们常见到的手机、计算器都是属于液晶产品。液晶是在1888年，由奥地利植物学家Reinitzer发现的，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。一般最常用的液晶型态为向列型液晶，分子形状为细长棒形，长宽约1nm10nm，在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。 1. 被动矩阵式LCD工作原理 TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD之间的显示原理基本相同，不同之处是液晶分子的扭曲角度有些差别。下面以典型的TN-LCD为例，向大家介绍其结构及工作原理。 在厚度不到1厘米的TN-LCD液晶显示屏面板中，通常是由两片大玻璃基板，内夹着彩色滤光片、配向膜等制成的夹板，外面再包裹着两片偏光板，它们可决定光通量的最大值与颜色的产生。彩色滤光片是由红、绿、蓝三种颜色构成的滤片，有规律地制作在一块大玻璃基板上。每一个像素是由三种颜色的单元(或称为子像素)所组成。假如有一块面板的分辨率为12801024，则它实际拥有38401024个晶体管及子像素。每个子像素的左上角(灰色矩形)为不透光的薄膜晶体管，彩色滤光片能产生RGB三原色。每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽，上下夹层中填充了多层液晶分子(液晶空间不到510-6m)。在同一层内，液晶分子的位置虽不规则，但长轴取向都是平行于偏光板的。另一方面，在不同层之间，液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转90度。其中，邻接偏光板的两层液晶分子长轴的取向，与所邻接的偏光板的偏振光方向一致。在接近上部夹层的液晶分子按照上部沟槽的方向来排列，而下部夹层的液晶分子按照下部沟槽的方向排列。最后再封装成一个液晶盒，并与驱动IC、控制IC与印刷电路板相连接。 在正常情况下光线从上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透下来，通过上偏光板导入上部夹层的沟槽中，再通过液晶分子扭转排列的通路从下偏光板穿出，形成一个完整的光线穿透途径。而液晶显示器的夹层贴附了两块偏光板，这两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同。当液晶层施加某一电压时，由于受到外界电压的影响，液晶会改变它的初始状态，不再按照正常的方式排列，而变成竖立的状态。因此经过液晶的光会被第二层偏光板吸收而整个结构呈现不透光的状态，结果在显示屏上出现黑色。当液晶层不施任何电压时，液晶是在它的初始状态，会把入射光的方向扭转90度，因此让背光源的入射光能够通过整个结构，结果在显示屏上出现白色。为了达到在面板上的每一个独立像素都能产生你想要的色彩，多个冷阴极灯管必须被使用来当作显示器的背光源。 2. 主动矩阵式LCD工作原理 TFT-LCD液晶显示器的结构与TN-LCD液晶显示器基本相同，只不过将TN-LCD上夹层的电极改为FET晶体管，而下夹层改为共通电极。 TFT-LCD液晶显示器的工作原理与TN-LCD却有许多不同之处。TFT-LCD液晶显示器的显像原理是采用“背透式”照射方式。当光源照射时，先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子来传导光线。由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的排列状态同样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。但不同的是，由于FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式 为 止。3.5.2 液晶显示电路单片机所连接的接口电路如图3-14所示：图3-14 显示电路3.6 越限报警电路和复位电路当承重越限（超出5kg）时，即全桥放大电路输出电压大于5V，报警电路由电压比较电路和三级管驱动蜂鸣器电路组成，将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值VREF=5V上，就得到电压比较器。电压比较器与三级管驱动的蜂鸣器连接，就组成了一个报警电路，如图3-15所示。在运行中，外界干扰等因素可使单片机的程序陷入死循环状态或软件跑飞。为摆脱困境，可将单片机复位，以重新启动。RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效。其有效时间持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上。复位操作有上电自动复位和手动按键复位两种方式。图3-16为上电复位电路。只要电源的上升时间不超过1ms，就可以完成自动上电复位，即接通电源时就完成了复位操作。可见，本次设计的电子计价秤配备上电自动复位电路，防止软件跑飞，抗干扰性能强。图3-15 报警电路图3-16 复位电路3.7 电源电路设计 电源（Vcc）是整个系统正常工作的动力源泉。电源电压过大会大大缩短芯片的工作寿命，严重的会烧毁芯片及其它元器件；过小将不能驱动整个电路正常工作。因此设定合适的电源电压值非常重要。此系统主要芯片工作电压均位+5V左右，所以采用LM7805三端稳压。电源电路具体的设计如图3-17所示，+5V（即Vcc）的电源是这样实现的：220V的交流电压通过TB1变压器经过变压输出15V电压，然后通过4个IN4007晶闸管整流，再并联两个电容，最后接到LM7805的Vin端，由LM7805的Vout输出+5V电压，即为该系统所需电压。图3-17 系统电源设计图有些稳压器不加电容也能工作，但当输出端负载为容性某些值时，稳压器可能出现自激现象。为避免该现象产生，可在输出端与地之间接一个1F的钽电容或25F的铝电解电容。4 电子计价秤的软件设计4.1 主程序流程图电子计价秤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、INT0中断程序按键散转程序、数据处理子程序、8位LED显示子程序等模块。所有程序均采用汇编语言编写。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*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。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INT0外部中断程序中，采样单价并赋值单价计算RAM区和显示RAM区。其中设R0为标志位寄存器，表示单价最大为99.9元，最多只能送三位，若再按键，则无效。内部RAM分配为单价，单重，总价的计算和显示RAM区。主程序流程图如图4-1所示。初始化单价单重=总价送单价、单重、总价显示RAM中调用显示子程序开 始采集测重信息开中断键盘扫描图4-1 主程序流程图4.2 键值处理程序框图本电子计价称用到12个键盘值，另外4个作为以后扩展之用。能过对键值的判断，看是不是有键输入，若有先存入输入缓冲区中，再判断是不是确认键，若是替换液晶屏上的物品单价，再判断是不是清屏键，若是清屏液晶，这些步骤之后都要返回到键盘扫描程序。键值处理程序框图如图4-2所示。开 始键盘扫描是否有键输入 N Y判断键值是数字键？ Y 存入物品单价输入缓冲区 N是清屏键？ 否 Y清空显示屏 N 返回图4-2 键盘扫描及键值处理程序框图结束语毕业设计是每一个大学生毕业前所必须完成的一道工序，这不仅是对大学四年所学东西的一个大的总结，更是对以后工作中所必需的合作与创新能力的锻炼。学致以用，下面主要对这次设计做一个简单的回顾。根据以上所述的电子计价秤的软硬件设计方法，该仪器能读数精确、稳定、可靠地进行测试重量，时时显示单重、单价、总价及具有金额累计功能，达到了预期要求。本电子称主要完成物品的稳重及所需费用的计算，通过运算把消费所需金额通过LED显示出来，同时用打印机把结果打印出来。这些在论文中已有大量说明，这就不在多说，下面主要将我设计的过程做出概述。首先，在正确的设计思想和系统的设计方法的指导下，根据任务书所述功能特点，设计出简单、可靠的硬件系统；再根据硬件系统及工艺要求进行软件设计；最后，使软、硬件合理分配、密切配合。设计论文着重阐述了以AT89C51单片机为控制核心的电子你计价秤电脑板的硬件结构，并对其软件系统也做出了详细说明。经过这次毕业设计，觉得自己四年所学习的理论知识有了应用的机会，很好的处理了从书本中理论与实践相结合的过程。整个的过程是在老师的指导下进行的，我大量查阅资料，根据自己所学的一些基础去接触一门有些陌生的学科，从未知到了解，再到最后毕业设计的完成。从中学到了很多东西，从开始检索资料到最终系统设计完成的整个过程，我投入了许多的时间和精力，但是从中我学到的知识更多。我学会了怎样去搜集资料，从而是我单纯弄容详细而丰富。还学会了使用Protel制图软件绘制电路图，更学会了如何编写程序，对单片机有了更为深刻的了解。以前所学到的内容在这段时间得到了全部的升华，同时也对自己所学的专业的有了更深的认识和更浓厚的兴趣。但由于本人的设计水平有限，设计作品中的遗漏跟错误在所难免，还敬请各位老师和同学指正批评。致 谢回首大学四年，人生与知识都受益良多，我心怀感激。在毕业论文定稿之际，谨向在我这三个多月的毕业设计中曾经指导过我的老师，关心过我的朋友，关怀过我的领导，和所有帮助过我的人们致以崇高的敬意和真挚的感谢！首先，感谢导师过金超给予我的悉心指导和照顾，他严谨的科学研究态度与治学精神仍将是我今后学习的方向。在本毕业设计过程中过老师从后勤上、资料收集上给予了我们大力支持，给我们提供了一个优越的实验