基于单片机的电子秤设计 (2)

本科毕业设计（论文）基于单片机的电子秤设计摘 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，过载报警，低电压自动关机等。此电子秤俱备了功能多、速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高、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 单片机，称重传感器，A/D 转换器，LCD 显示器本科毕业设计（论文）THE ELECTRONIC SCALE DESIGN BASED ON MICROCONTROLLER ABSTRACTWith 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: microcontroller，ponderationsensor，A/D converter，LCDdisplay本科毕业设计（论文）目录前 言 .1第 1 章 概述 .21.1 称重技术和衡器的发展 .21.2 电子秤的组成 .31.2.1 电子秤的基本结构 .31.2.2 电子秤的工作原理 .31.2.3 电子秤的计量性能 .41.2.4 电子秤的功能及技术指标 .41.3 设计思路 .5第 2 章 系统方案论证与选型 .62.1 控制器部分 .62.2 数据采集部分 .72.2.1 传感器的选择 .72.2.2 放大电路选择 .92.2.3 A/D 转换器的选择 .112.2.4 键盘处理部分方案论证 .11第 3 章 硬件电路设计 .133.1 AT89S52 的最小系统电路 .143.1.1 单片机芯片 AT89S52 介绍 .143.1.2 单片机管脚说明 .143.1.3 AT89S52 的最小系统电路构成 .173.2 电源电路设计 .173.3 数据采集部分电路设计 .183.3.1 传感器和其外围以及放大电路设计 .183.3.2 A/D 转换芯片与 AT89S52 单片机接口电路设计 .193.4 显示电路与 AT89S52 单片机接口电路设计 .223.5 键盘电路与 AT89S52 单片机接口电路设计 .233.6 报警电路的设计 .24本科毕业设计（论文）第 4 章 系统软件设计 .264.1 主程序设计 .264.2 子程序设计 .264.2.1 A/D 转换启动及数据读取程序设计 .274.2.2 数制转换子程序设计 .274.2.3 显示子程序设计 .274.2.4 键盘扫描子程序的设计 .274.2.5 报警子程序的设计 .28结论 .29谢辞 .30参考文献 .31附录 .32外文资料翻译 .39本科毕业设计（论文）前言单片机自 20 世纪 70 年代问世以来，作为微型计算机的一个重要分支，得到了快速发展。它以体积小、功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用，已渗透到生产和生活的各个领域。本文设计的电子秤以单片机为主要部件，用汇编语言进行软件设计，硬件则以全桥传感器为主,测量范围 05kg。作为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量秤，成为测量领域的主流产品。 电子秤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。本次设计的电子秤的主要优点是：（1）体积小、重量轻；（2）超值报警功能；（3）测量精度高；（4）显示速度快。第 1 章 概述本科毕业设计（论文）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。电子秤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重量的测量仪器，其结构由以下三部分组成：本科毕业设计（论文）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。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、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、滤波、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）转换器进行转换，数字信号再送到 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。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。本科毕业设计（论文）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 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，如表 1-1 所示：表 1-1 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 100000高准确度 精密衡器 10000 n 100000中准确度 商业衡器 1000 n 10000普通准确度 粗衡器 100 n 10001.2.4 电子秤的功能及技术指标本次设计的电子秤的主要功能：欠电压自动关机,零位自动跟踪，键盘标定，置零，去皮，累计,超载报警等。主要技术指标为：称量范围05kg;分度值10g;精度等级级;电源DC5V。1.3 设计思路本科毕业设计（论文）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。 随着微控制器技术、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。因此本系统在设计过程中，除了能实现系统的基本功能外，还增加了过载提示和声光报警功能，但在实际应用中可以有一定量的过载，但不能超出要求的范围。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。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。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。本科毕业设计（论文）第 2 章 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2- 1所示。压 力 传 感 器A/D转 换 器放 大 电 路AT89S52单 片 机 键 盘LCD显 示语 音 显 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，组成新型的只需本科毕业设计（论文）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。最后我们选择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有以下三个方面。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，经过大量的本科毕业设计（论文）实验而确定的。其公式如下：CK0K1K2K3(Wmax W)/N (2-1)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(2-1)可知：C 1.2511.031（201.9）1 (2-2)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电子秤的最大量程来选择。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2-2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，其工作原理是应变效应即导体或半导体材料在外界作用下（如压力）产生机械变形，其阻值将发生变化的现象。其工作原理图如图2-2所示：图2-2 称重传感器原理图本科毕业设计（论文）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或电流的变化。由于内部线路采用惠斯登电桥，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： （2-3）EinR432R1)42(E out2.2.2 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= 2100010 6 =0.002 （2-4）由式2-4 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，我们考虑采用下述方案：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2-3所示： 本科毕业设计（论文）图 2-3 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。综合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。目前国内已经生产出了多种型号的A/D转换器芯片。例如： 8位的ADC0809，10位的AD7570，12位的AD574，高速的AD578等。A/D574是一个完整的12位逐次逼近型、带三态缓冲器的A/D转换器。常用逐次逼近型 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，+-+-+A1A2A3R11.1KR310KR420KR310KR210KR44KR220KR420KU1+- U2U0本科毕业设计（论文）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。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M310TTL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16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2-4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。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。本科毕业设计（论文）图 2-4 矩阵键盘第 3 章 硬件电路设计本科毕业设计（论文）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时会产生电信号，受到不同压力时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、电源电路、数据采集、人-机交换电路等。硬件硬件电路设计框图如图3-1单片机16个 按 键 输 入电 路LCD显 示 器 位 码 驱动 电 路时 钟 电 路复 位 电 路LCD显 示 器 段 码 驱动 电 路10位 LCD显 示 器 电路蜂 鸣 器 电 路图 3-1 硬件电路设计框图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兼容。本科毕业设计（论文）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。其芯片引脚图如图3-2 所示。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。本科毕业设计（论文）图3-2 AT89S52引脚图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3-1 P3口引脚功能表P3口引脚 第二功能本科毕业设计（论文）P3.0 RXD（串行口输入）P3.1 TXD（串行口输出）P3.2 INT0（外部中断0输入）P3.3 INT1（外部中断1输入）P3.4 T0（定时器0外部脉冲输入）P3.5 T1（定时器1外部脉冲输入）P3.6 WR（外部数据存储器写脉冲输出）P3.7 RD（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。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。/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，复位操作则使单片本科毕业设计（论文）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 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，电源电路的设计决定采用下述方案：220V的交流电经过变压器后输出15V的电压，经整流滤波电路后， 通过LM7812和LM7905进行AC/DC变换得到12V和+5V 供传感器和系统的其他芯片使用。在变压器的原边加入熔断保护装置和MFC 网络，使得系统获得的电源更稳定，效果更好，且电路短路时，熔断装置会迅速切断电源，保护其他电路元件不被损坏，供电电路见附图6所示。本科毕业设计（论文）3.3 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放大电路、A/D 转换器与单片机接口电路。3.3.1 传感器和其外围以及放大电路设计传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确使用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。因此传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关键环节。传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，由于惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，又因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以在本设计中选用最终方案我们选择的是上海开沐自动化有限公司生产的NS-TH1系列称重传感器，额定载荷20Kg，该称重传感器均采用全桥式等臂电桥。由于传感器输出的电压信号很小，是mV级的电压信号，因此为了提高系统的抗干扰能力，在传感器外围电路的设计过程中，增加了由普通运放设计的差动放大器增益调节电阻Rg选用10K 电阻，是为了满足系统抗干扰的要求而设计。其电路图如3-3 所示。本科毕业设计（论文）+-+-+A2A3A4R11.1KR310K R420KR310KR210KR44KR2 20KR420KU0R1713KR1612KR1514KR125KR1112KR132KR141KRP1-+V12.5V+-LM324+10V图 3-3 传感器和其外围电路图SP20C-G501的输出电压为1-5V 相应压力为1-50KPa 。供电电流变动会直接影响传感器的输出电压，因此希望电流变动要小。此外，增大或减小驱动电流可调整输出电压，但电流过小，输出电压降低同时抗噪声能力减弱；电流过大，会使传感器发热等，将对传感器特性影响加大。因此在电路中使用1mA的驱动电流。即使用的电流为1mA左右。电路中，采用通用运算放大器LM324，由稳态二极管VS提供2.5V的输出电压经电阻R2和R3 分压得到基准电压，作为运放A1输入电压，并供给1mA的电流。传感器的驱动电流流过基准电阻R4，其上的压降等于输入电压。R13和 R14为失调电压的温度补偿电阻，输入采用高输入阻抗的差动输入方式，再有差动放大器电路进行放大，输出1-5V的电压。 RP2用于调整电路输入的灵敏度，RP1 用于失调电压的调整，调整时，压力为 0KPa时输出电压为1V，调整RP1，当压力为达到20Kg 的力时，输出电压为5V即可。3.3.2 A/D 转换芯片与 AT89S52 单片机接口电路设计AD574是美国Analog Device公司生产的12位单片A/D转换器。它采用逐次逼近型的A/D转换器，最大转换时间为25us，转换精度为0.05%，所以适合于高精度本科毕业设计（论文）的快速转换采样系统。芯片内部包含微处理器接口逻辑（有三态输出缓冲器） ，故可直接与各种类型的8位或者16位的微处理器连接，而无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL电路兼容。AD574采用28脚双列直插标准封装，其引脚图如下：图 3-4 A/D574 管脚图A/D574有5根控制线，逻辑控制输入信号有：A0：字节选择控制信号。CE：片启动信号。/CS：片选信号。当/CS=0，CE=1同时满足时，AD574才处于工作状态，否则工作被禁止。R/-C：读数据/转换控制信号。12/-8：数据输出格式选择控制信号。当其为高电平时，对应12位并行输出；为低电平时，对应8位输出。当R/-C=0，启动 A/D转换：当A0=0，启动12位A/D转换方式；当A0=1，启动8位转换方式。当R/-C=1，数据输出， A0=0时，高8位数据有效；A0=1时，低4位数据有效，中间4位为0，高4位为三态。输出信号有：STS：工作状态信号线。当启动A/D进行转换时，STS为高电平；当A/D转换结束时为低电平。则可以利用此线驱动一信号二极管的亮灭，从而表示是否处于A/D转换。本科毕业设计（论文）其它管脚功能如下：10Vin,20Vin：模拟量输入端，分别为10V和20V量程的输入端，信号的另一端接至AGND。DB11DB0：12位数字量输出端，送单片机进行数据处理。BEF OUT ：10V内部参考电压输出端。BEF IN ：内部解码网络所需参考电压输入端。BIP OFF ：补偿校正端，该端加适当偏移电压，对单极性输入可作零点调整；AGND：接模拟地。 DGND：接数字地。由于对AD574 8、10、12引脚的外接电路有不同连接方式，所以 AD574与单片机的接口方案有两种，一种是单极性接法，可实现输入信号010V 或者020V的转换；另一种为双极性接法，可实现输入信号 -5+5V 或者-10+10V之间转换。我们