基于单片机的电子秤的设计与实现(毕业论文).doc

河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 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 人性化用在了电子称重的控制系 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称重功能 报警功能 数据计算功能以及 人机交换功能 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 AT89S52 CZAF 602 压力传感器 A D 转换器 LCD 显 示器 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 Abstract With the application of microelectronic technology the tools of traditional weighing on the market have can t satisfy the demands of people In order to change the problem of the application of traditional weighing tools in the using of daily life the design will be integrated with intelligence automation and human nature in the electronic scales with weight control system This system mainly controlled by the single chip microcomputer measured by weighting transducer and A D converter component and added with the display unit the electronic scales are aptitude for the high ratio of performance multi function low power consumption and it is simple enough especially it is given the characteristic with Easy to use intuitively Speed Measure accurately Higher automation The system take AT89S52 SCM as the main controller chip and its peripheral circuit attach to integrated circuit display circuit alarm circuit keyboard circuit which integrate the weighing system circuit board so the design can realize the automatic weighing system function alarm function weighing data calculation function and Man machine exchange function We can say that the design of complete electronic scales largely meet the application requirements perfectly KEYWORDSKEYWORDS AT89S52 CZAF 602 sensor A D converter LCD 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 Display 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 1 目录 第一章 绪论 1 1 1 研究目的和意义 1 1 2 电子称重系统的应用领域 1 1 3 国内外研究现状 发展动态 2 1 4 主要工作以及论文结构 3 第二章 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 2 1 传感器的选择 5 2 2 2 放大电路选择 8 2 2 3 A D 转换器的选择 11 2 2 4 键盘处理部分方案论证 13 2 3 显示电路部分的选择 13 2 4 超量程报警部分选择 14 第三章 硬件电路设计 15 3 1 AT89S52 的最小系统电路 15 3 1 1 单片机芯片 AT89S52 介绍 15 3 1 2 单片机管脚说明 16 3 1 3 AT89S52 的最小系统电路构成 19 3 2 数据采集部分电路设计 20 3 3 显示电路与 AT89S52 单片机接口电路设计 22 3 4 键盘电路与 AT89S52 单片机接口电路设计 24 3 5 报警电路的设计 26 第四章 系统软件设计 27 4 1 主程序设计 27 4 2 子程序设计 28 4 2 1 A D 转换启动及数据读取程序设计 28 4 2 2 显示子程序设计 29 4 2 3 键盘输入控制程序的设计 29 4 2 4 报警子程序的设计 30 第五章 软件仿真及调试 31 5 1 软件使用 31 5 1 1 keil 软件的简单使用 31 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 2 5 1 2 Protues 软件的简单使用 32 5 2 仿真调试 33 第六章 总结 35 致 谢 36 参考文献 37 附 录 38 附录 1 系统总图 38 附录 2 程序清单 39 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 1 第一章 绪论 1 1 研究目的和意义 传统的机械秤有很多缺点 比如精度不高 结构复杂 易老化 成 本高等 随着社会的发展 市场对秤的要求的越来越高 尤其是人体秤 厨房秤等各类便携式小型秤 电子秤与传统的机械秤相比有许多优越性 它用压力传感器取代机械秤的弹簧大大减小了秤的体积和制造难度 以 LCD 或 LED 显示屏取代传统的刻度盘使外形更加美观 由于内部集成了 单片机以及软件系统 电子秤还拥有传统机械秤无法比拟的智能性 他 可以完成过载报警 总价计算 数据通信等众多功能 目前市场上使用的称量工具 或者结构复杂 或者运行不可靠 且 成本高 而且整体水平不高 部分小型企业质量差且技术薄弱 设备不 全 缺乏产品的开发能力 产品质量在低水平徘徊 因此 有针对性的 开发出一套具有实用价值的电子秤系统 从技术上克服上述诸多缺点 改善电子秤应用中的不足之处 具有现实意义 1 2 电子称重系统的应用领域 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 电子秤的应用领域主要分为工业计量和民用消费类 在工业计量应 用领域有电子天平 珠宝秤 市场计价秤等 而民用秤主要有厨房秤 人体秤 便携式口袋秤等 工业计量应用对精度要求较高 而民用消费 类的应用对精度的要求不高 但对秤的外观 智能性 便携性却有很高 的要求 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 2 1 3 国内外研究现状 发展动态 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 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 在国内 上海友声衡器有限公司和深圳市汇思科电子科技有限公司 两家公司做的比较出色 上海友声衡器有限公司 产品特点 一 电路集 成度高 简单可靠 采用目前世界上最先进的 增量调制型单片集 成 AD 转换技术 与目前大部分衡器厂家所采用的传统双积分电路相比 具有精度高 采样速度快 集成度高 电路简单 维修特别方便等优势 尤其是电路的长期可靠性和互换性优越 保证了大规模生产的稳定质量 二 低功耗设计 产品设计紧跟电子技术发展潮流 从传感器供电电路 主机电路设计到器件选择 均符合低功耗要求 部分液晶显示型号产品 在内置蓄电池充足电后最多可以工作 400 多小时 该指标在同类衡器产 品中处于领先地位 在国外 电子称重行业主要有 美国 SETRA 西特公司 德国赛多利 斯 日本石田电子秤 瑞士托利多电子秤等几个优秀的电子秤产商 其 中 美国 Setra 西特 品牌成立于 1967 年 以电容技术闻名于世界 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 3 其革命性的高精度可变电容原理 已取得了 30 多项专利 是 Setra 的 压力 加速度 称重产品的技术核心 经过近 40 年的研究 开发和持 续改进 Setra 的产品在 HVAC R 工业过程控制 测量测试 环境参数 测量和半导体超纯测量等领域享有盛名 西特电子天平从 1982 年开始 Setra 西特 将其高超的电容技术应用于电子天平 设计出极具竞争力的 电子天平和各种称重系统 1 4 主要工作以及论文结构 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 在设计期间 本人努力查阅相关资料 对称重的基本原理以及各软 件 硬件模块做了认真的分析 研究 根据性能成本考虑 在以下几方 面做了仔细的分析研究 主要有 系统模块的划分 A D 精度的考虑 单片机与外围模块的接口电路以及电子秤应用程序的实现等 论文的结构如下 第二章 叙述了系统的方案论证以及硬件设备的选型 第三章 详细叙述了硬件电路的设计过程 主要是各个模块的具体设计过 程 以及各部分性能指标的要求和实现 第四章 叙述了该设计软件部分的设计思路 主要是主程序和各个子程序 的详细设计方案 第五章 叙述了该设计仿真和调试结果 第六章 论文工作的总结 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 4 第二章 系统方案论证与选型 按照本设计功能的要求 本设计大致可分为五个模块 数据采集模 块 信号放大模块 模数转换模块 单片机控制模块 人机交换模块 其中人机交换模块中包括 声光报警 LCD 显示 键盘输入 系统设计 总体方案框图如图 2 1 所示 图 2 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 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 5 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 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 ATMEL 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 8K 8ROM 256 8RAM 3 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 信号放大电路和 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 电路的设计的难易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 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 6 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 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 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 所以我们确定传感器的额定 载荷为 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 传感器的稳定性有定量指标 在超过使用期后 在使用前应重新进 行标定 以确定传感器的性能是否发生变化 在某些要求传感器能长期 使用而又不能轻易更换或标定的场合 所选用的传感器稳定性要求更严 格 要能经受住长时间的考验 使用特别注意 传感器属于精密部件 剧烈振动 自由落体 碰撞 过载 过压等等 都非常容易造成传感器永久损坏或者影响精度和线性 传感器是测量机构最重要的部件 目前常用的有电阻应变是压力传感器 和电容式压力传感器 压电式压力传感器 选用是应按着稳定性 精度 等级 灵敏度 寿命和安装环境依次作为优先考虑 现比较如下 1 电容式压力传感器稳定性较差 精度和灵敏度高 寿命较短 对 环境要求苛刻 不易长距离传输 2 压电式压力传感器稳定性好 精度和灵敏度高 寿命长 但大量 程的压力传感器有待进一步研究 3 电阻应变式压力传感器稳定性好 精度和灵敏度较高 寿命较长 对测量环境要求不太严格 电阻应变式压力传感器主要由弹性体 电阻应变片电缆线等组成 内部线路采用惠更斯电桥 当弹性体承受载荷产生变形时 电阻应变片 转换元件 受到拉伸或压缩应变片变形后 它的阻值将发生变化 增 大或减小 从而使电桥失去平衡 产生相应的差动信号 供后续电路测 量和处理 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 7 综合考虑 本设计要实现的电子秤的是绝对压力值 同时为了简化 电路 提高稳定性和抗干扰能力 要求使用具有温度补偿能力的电阻应 变式压力传感器 本设计选用 CZAF 602 压力传感器 其最大量程为 5 Kg CZAF 602 压力传感器的接线图如下 图 2 1 压力传感器引出线接线图 注释 黑 S 红 S 激励电压输入端 简称输入端 绿 白 GND 重量毫伏信号输出端 简称输出端 CZAF 602 压力传感器参数如下表 表 2 1 传感器参数 项目 参数 项目 参数 综合误差 0 02 F S绝缘电阻 5000M 100VDC 非线性 0 01 F S温度补偿范围 10 40 滞后 0 02 F S激励电压 3VDC 12VDC 重要性 0 01 F S使用温度范围 20 60 零点输出 1 F S零点温度影响 0 01 F S 输入阻抗 1000 10 灵敏度温度影响 0 02 F S 输出阻抗 1000 5 安全过载范围 120 灵敏度 1 0 1mV V极限过载范围 150 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 8 蠕变 0 02 F S防护等级 IP66 2 2 2 放大电路选择 称重传感器输出电压振幅范围 0 2mV 而 A D 转换的输入电压要求 为 0 2V 因此放大环节要有 1000 倍左右的增益 对放大环节的要求是 增益可调的 700 1500 倍 根据本设计的实际情况增益设为 1000 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 2mV 分 辨率 20000 码的情况 漂移要小于 1 V 由于其具有极低的失调电压的 温漂和时漂 1 V 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 2 1000 10 6 0 002 2 1 由式 2 1 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 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 9 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 LM324 做成一个差动放大器 其设计电路如下图 图 2 2 利用普通运放设计的差动放大器 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 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 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 10 图 2 3 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 21 21 2 1 2 2 1 1 21 lg20 1 CMRACMRR CMRA CMR A A A A A CMRCMRCMR dTotal d d C d c d Total 或 2 2 式中 或 放大器的总共模抑制比 第一级放 Total CMR Total CMRR 1 CMR 大器的共模抑制比 或 第二级放大器的共模抑制比 2 CMR 2 CMRR 和 分别为第一级放大器和第二级放大器的差模增益 d A1 c A1 d A2 c A2 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 11 和共模增益 经过实际测量 图 2 3 所示的电路采用图中所给出的参数时 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 所以采取方案 二 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 适合于数字示波器等转换速度较快的仪器中 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 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 12 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 100 300SPS 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 100 300SPS 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 可自动调零 有超量程信号输出 全部输 出于 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 ADC0832 ADC0832 为 8 位分辨率 A D 转换芯片 其最 高分辨可达 256 级 可以适应一般的模拟量转换要求 其内部电源输入 与参考电压的复用 使得芯片的模拟电压输入在 0 5V 之间 芯片转换时 间仅为 32 S 据有双数据输出可作为数据校验 以减少数据误差 转 换速度快且稳定性能强 独立的芯片使能输入 使多器件挂接和处理器 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 13 控制变的更加方便 通过 DI 数据输入端 可以轻易的实现通道功能的选 择 ADC0832 的实物图如下图 2 4 所示 图 2 4 ADC0832 实物 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 一个小数点 总共需设置 13 个键 包括一个清除键和一个确认键 本设计采用矩阵式键盘 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 2 5 给出 了一个 4 4 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 4 4 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 采用 4 4 矩阵式键盘 图 2 5 矩阵式键盘 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 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 14 据显示部分可以有以下两种方案供选择 显示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 本设计采 用的是 HJ12864ZW 液晶显示 其实物图如下图 图 2 6 所示 图 2 6 HJ12864ZW 实物图 2 4 超量程报警部分选择 智能仪器一般都具有报警功能 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以及总价 不能正常显示时 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 通过程序使单片机的 I O 值为低电平 从而三 极管导通 使蜂鸣器 SPEAKER 发出报警声 同时使连接报警灯的 I O 置 为低电平 则发光二极管导通 二极管发光 在设计过程中一定得注意 发光二极管的极性 否则 发光二级管是不会正常发光 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 15 第三章 硬件电路设计 根据设计要求与设计思路 此电路由一块 AT89S52 单片机 复位电 路 时钟电路 12864LCD 显示器 蜂鸣器及 LED 灯报警电路 CZAF 602 压力传感电路 硬件设计框图如下 复复位位电电路路 压压力力传传感感器器电电路路 声声光光报报警警电电路路 L LC CD D显显示示器器接接口口 时时钟钟电电路路 A AT T8 89 9S S5 52 2 单单片片机机 图 3 1 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 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 因此电路中需要用进行 A D 转换 又由于本设计采用的是 CZAF 602 电阻应变式压力传感器 其输出电压为 2mv 左右不能够使单片 机和 AD 转换器正常工作 因此需要设计放大电路来使 ADC0832 的输入电 压达到 2v 左右 放大电路的增益应为 1000 单片机根据称重传感器输出 的电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 AT89S52 的最小 系统构成 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 AT89S52 是一种带 8K 字节 FLASH 存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 16 CMOS 8 位微处理器 俗称单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复 擦除 1000 次 该器件使用 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 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 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 直到下一个中断或硬件复位为止 3 1 2 单片机管脚说明 图 3 2 AT89S52 引脚图 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 17 VCC 供电电压 GND 接地 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 不具有内部上拉电阻 在 flash 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 IIL 此外 P1 0 和 P1 1 分别作定时器 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和定时器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2EX 在 flash 编 程和校验时 P1 口接收低 8 位地址字节 引脚号第二功能 P1 0 T2 定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1 T2EX 定时器 计数器 T2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5 MOSI 在系统编程用 P1 6 MISO 在系统编程用 P1 7 SCK 在系统编程用 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 IIL 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 例如执行 MOVX DPTR 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 如 MOVX RI 访问外部数据存储器时 P2 口输出 P2 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 18 锁存器的内容 在 flash 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 IIL P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能 第二功能 使用 如下表所示 在 flash 编程和校验时 P3 口也接收一些控制信号 P3 口也可作为 AT89S52 的一些特殊功能口 如下表所示 表 3 1 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 计数器 0 P3 5T1 定时器 计数器 1 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 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上 高电平将使单片机复位 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 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 19 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 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89S52 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次 PSEN 有效 即输出两个脉冲 在此期间 当访问外部数据存储器 将跳 过两次 PSEN 信号 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密 位 LB1 被编程 复位时内部会锁存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行内部程序存储器的指令 FLASH 存储器编程时 该 引脚加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须是该器件是使用 12V 编 程电压 Vpp 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 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 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 20 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 PC 0000H 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 数据采集部分电路设计 数据采集部分电路包括传感器输出信号电路 A D 转换器与单片机 接口电路 我们采用 CZAF 602 压力传感器 数据采集模块与单片机的接 口连接如图 3 3 所示 图 3 3 数据采集模块与单片机接口电路 ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率 双通道 A D 转换芯片 双通道 A D 转换 输入输出电平与 TTL CMOS 相兼容 5V 电源供电时输入电压在 0 5V 之间 工作频率为 250KHZ 转换时间为 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 21 32 S 一般功耗仅为 15mW 8P 14P DIP 双列直插 PICC 多种封 装 商用级芯片温宽为 0 C to 70 C 工业级芯片温宽为 40 C to 85 C 由于它体积小 兼容性强 性价比高而深受单片机爱好者及 企业欢迎 其目前已经有很高的普及率 ADC0832 的管脚如图 3 4 所示 图 3 4 ADC0832 管脚图 芯片接口说明 CS 片选使能 低电平芯片使能 CH0 模拟输入通道 0 或作为 IN 使用 CH1 模拟输入通道 1 或作为 IN 使用 GND 芯片参考 0 电位 地 DI 数据信号输入 选择通道控制 DO 数据信号输出 转换数据输出 CLK 芯片时钟输入 Vcc REF 电源输入及参考电压输入 复用 单片机对 ADC0832 的控制原理 正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线 分别是 CS CLK DO DI 但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效并与单片 机的接口是双向的 所以电路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线 上使用 当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平 此时芯片禁用 CLK 和 DO DI 的电平可任意 当要进行 A D 转换时 须先将 CS 使能端 置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束 此时芯片开始转换工作 同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲 DO DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号 在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必 须是高电平 表示启始信号 在第 2 3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 22 位数据用于选择通道功能 当此 2 位数据为 1 0 时 只对 CH0 进 行单通道转换 当 2 位数据为 1 1 时 只对 CH1 进行单通道转换 当 2 位数据为 0 0 时 将 CH0 作为正输入端 IN CH1 作为负输 入端 IN 进行输入 当 2 位数据为 0 1 时 将 CH0 作为负输入端 IN CH1 作为正输入端 IN 进行输入 到第 3 个脉冲的下沉之后 DI 端 的输入电平就失去输入作用 此后 DO DI 端则开始利用数据输出 DO 进行 转换数据的读取 从第 4 个脉冲下沉开始由 DO 端输出转换数据最高位 DATA7 随后每一个脉冲下沉 DO 端输出下一位数据 直到第 11 个脉冲时 发出最低位数据 DATA0 一个字节的数据输出 3 3 显示电路与 AT89S52 单片机接口电路设计 在 2 3 显示电路论证中 本设计采用是 LCD 显示 在 LCD 驱动时 需在段电极和公共电极上施加交流电压 若只在电极上施加 DC 电压时 液晶本身发生劣化 液晶驱动方式包括静态驱动 动态驱动等驱动方式 1 静态驱动 所有的段都有独立的驱动电路 表示段电极与公共电极之间连续施 加电压 它适合于简单控制的 LCD 2 多路驱动方式 构成矩阵电极 公共端数为 n 按照 1 n 的时序分别依次驱动公共 端 与该驱动时序相对应 对所有的段信号电极作选择驱动 这种方式 适合于比较复杂控制的 LCD 在多路驱动方式中 像素可分为选择点 半选择点和非选择点 为了提高显示的对比度和降低串扰 应合理选择 占空比 duty 和偏压 bias 施加在 LCD 上所表示的 ON 和 OFF 时的电 压有效值与占空比和偏压的关系如下 Vo LCD 驱动电压 N 占空比 1 N 河南理工大学万方科技学院毕业设计 论文 说明书 23 a 偏压 1 a 多路驱动方式可分为点反转驱动和帧反转驱动 点反转驱动 适合于低占空比应用 它在各段数据输出时 将数据反转 帧反转驱动 适合于高占空比应用 它在各帧输出时 将数据反转 对于多灰度和彩 色显示的控制方法 通常采用帧频控制 FRC 和脉宽调制 PWM 方法 帧 频控制是通过减少帧输出次数 控制输出信号的有效值 来实现多灰度 和彩色控制 而脉宽调制是通过改变段输出信号脉宽 控制输出信号的 有效值 来实现多灰度和彩色控制 本设计采用 HJ12864ZW 液晶显示器 HJ12864ZW 是一种图形点阵液 晶显示器 它主要由行驱动器 列驱动器及 128X64 全点阵液晶显示器组 成 可完成图形显示 也可