超市电子秤设计毕业论文.doc

兰州大学 超市电子秤设计毕业论文目 录1 绪论- 4 -1.1电子秤背景介绍- 4 -1.2电子秤的工作原理- 5 -1.3电子秤的设计思路- 5 -2 方案论证与比较- 6 -2.1 控制器部分- 6 -2.2 数据采集部分- 7 -2.2.1 传感器- 7 -2.2.2 数据采样保持器- 8 -2.2.3 前级放大器部分- 9 -2.2.4 A/D转换器- 11 -2.2.5 键盘处理部分方案论证- 12 -2.3 显示电路部分的选择- 12 -2.4 超量程报警部分的选择- 12 -3 硬件电路设计- 14 -3.1 AT89S52的最小系统电路- 14 -3.1.1 单片机芯片AT89S52介绍- 14 -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 数据处理部分电路设计- 19 -3.2.1 传感器和其外围以及放大电路设计- 19 -3.2.2 A/D转换芯片与AT89S52单片机接口电路设计- 24 -3.3 单片机与8155芯片的扩展电路- 28 -3.4 显示电路与AT89S52单片机接口电路设计- 30 -3.5 键盘电路与AT89S52单片机接口电路设计- 32 -3.6 报警电路设计- 34 -4 系统软件设计- 35 -4.1 主程序的设计- 35 -4.2 子程序设计- 36 -4.2.1 数据采集子程序设计- 36 -4.2.2 A/D转换启动及数据读取程序设计- 36 -4.2.3 显示子程序设计- 36 -4.2.4 键盘扫描子程序设计- 37 -4.2.5 报警子程序设计- 40 -4.2.6 系统软件调试- 40 -4.2.6.1 系统软件调试简介- 40 -4.2.6.2 系统软件故障原因分析- 41 -设计总结- 42 -致谢- 43 -参考文献- 44 -1 绪论 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。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。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称，成为测量领域的主流产品。 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0500g电子秤，随时可改变上限阈值，并达到阈值报警的功能。称重传感器输出的电量是模拟量，数值比较小达不到A/D转换接收的电压范围。所以送A/D转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。然后，A/D转换的结果才能送单片机进行数据处理并显示。其数据显示部分采用LCD显示，成本低且能很好地实现所要求的功能。本次课设完成的电子秤的主要优点是：(1) 实时测量与监控。(2) 阈值修改与重设功能。(3) 超值报警功能。(4) 测量精度高。(5) 显示速度快、准确。本文设计的电子秤虽然是一个极其简单的智能仪器，但是通过它可以更深入的了解智能仪器的工作原理以及其优异的性能。1.1电子秤背景介绍 物体重量是实际应用中非常重要的物理量，所以它的测量工具在工作和生活中经常被使用。利用作用于物体上的重力来测量该物体质量的计量仪器称做秤。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。世界上最古老的秤是古埃及人的发明，中国杆秤的应用历史也比较久远。传统的量具是杆秤或盘秤，随着电子技术的飞速发展，20世纪70年代开始出现了电子秤。早期的电子秤多通过模拟电路实现，随着电子技术的不断发展，数字芯片的价格下降，模拟控制已经逐步被数字控制所代替。与普通器具相比，数字电子秤具有数字直接显示被称物体的重量、精度高、性能稳定、测量准确、使用方便等优点。电子秤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的提高。 随着大规模集成电路、计算机技术的迅速发展，以及人工智能在测试技术方面的广泛应用，传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化逐步形成了一种完全突破传统概念的新一代测试仪器智能仪器。目前，有很多的传统电子仪器已有相应的替代产品，而且还出现不少全新的仪器类型和测试系统体系。在科学技术高速发展的今天，如何用简单便宜，性能良好的元器件制造出对人类生活有用的产品，已经成为人们研究的主要趋势数字电子秤在各种生产领域和人民日常生活中得到广泛应用，按原理分为电子秤、机械秤和机电结合秤，按功能分为计数秤、计价秤、计重秤，按用途分为工业秤、商业秤、特种秤。数字电子秤正在向高精度、高分辨率、智能化方向发展，同时使电子秤的安装、校正更简单，更能适应各种使用环境。 用电子秤称重的过程是把被测物体的重量通过传感器转换成电压或电流信号，电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。称重的准确程度首先取决于传感器输出的信号，由于这一信号通常都很小，需要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。放大后的模拟信号经过模/数转换电路转变成数字量，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。由于被测物体的重量相差较大，根据不同的侧重范围要求，对量程进行切换；同时，显示器的小数点数位对应于不同量程而变化，即可实现电子秤的要。1.2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（一般呈正比关系）的电信号（电压或电流等），此信号由放大电路进行放大滤波等后再由模数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处理器的CPU进行处理，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。运算结果送到内存储器，需要显示时，CPU发出指令，从内存储器读出送到显示器显示，或送打印机打印。由于在实际的工作当中称可以有一定量的过载，但不能超出要求的范围，为此我们还需要设计过载提示和声光报警等功能。1.3电子秤的设计思路综上所述，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电路转换为数字信号，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金额，然后再显示出来。此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。这种高精度的电子秤体积小，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要求。2 方案论证与比较 A/D转换器压力传感器单片机键盘LED显示放大电路图2.1总体方案框图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，转换部分报警部分，数据显示部分和键盘部分，系统设计总体方案框图如图2.1所示。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，差动放大电路等）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 本系统基于 51系列单片机来实现，因为系统需要大量的控制LED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。）另外系统没有其它高标准的要求，我们最终选择了AT89S52通用的比较普通单片机来实现系统设计。内部带有8KB的程序存储器，在外面扩展了32K数据存储器，以满足系统要求。 AT89S52单片机是ATMEL公司新近推出的高档型AT89S系列单片机中的增强型产品，AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbyte ISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flsh只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高精密、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。2.2 数据采集部分 2.2.1 传感器 传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 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，也显得特别的重要，不仅要注意其量程和参数，还要考虑到与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计的性价比等。为保证电子秤秤量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。在实际工作中要求传感器的有效量程在20%80%之间，线性好，精度高。由于惠更斯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，广泛应用于各种结构的动，静态测量及各种电子秤的一次仪表。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，所以在本设计中我们选用的是全桥差动式传感器。题目要求称重范围0-15Kg ，重量误差不大于0.01Kg ，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，所以传感器量程必须大于额定称重15Kg。所以我们最终选择的是上海开沐自动化有限公司生产的NS-THI系列称重传感器，额定载荷20kg，该传感器均采用全桥式等臂电桥。量程 20Kg ，精度为 0.01%，满量程时误差0.002Kg 。可以满足本系统的精度要求。其原理如下图所示： 图2.2 NS-THI系列称重传感器原理图称重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，输出信号电压可由下式给出： 表2.1 压力传感器的主要技术指标准确度等级 Accuracy classC3 0.02 0.03额定载荷 Rated loadkg1、2.5、5、7.5、10、15灵敏度 SensitivitymV/V1.80.08非线性 Nonlinearity%F.S.0.02滞后 Hysteresis0.02重复性 Repeatability0.02蠕变 Creep%F.S./30min0.02蠕变恢复 Creep recovery零点输出 Zero balance%F.S.1零点温度系数 Zero temperatureCoefficient%F.S./100.02额定输出温度系数 Rated outputTemperature Coefficient输入电阻 Input resistance415445输出电阻 output resistance349355绝缘电阻 Insulation resistanceM5000供桥电压 Supply VoltageV12（DC/AC）温度补偿范围 TemperatureCompensation range1050允许温度范围 Safe Temperature Range2060允许过负荷 Safe overload%F.S.120极限过负荷 Ultimate overload%F.S.200四角误差 Four corner error%F.S.0.03连接电缆 Connect cablemm3.8300接线方式 Method of connecting Wire输入Input（）:Red 输入Input（）:White输出Output（）:Green 输出Output（）:Blue屏蔽 Shield:Yellow2.2.2 数据采样保持器进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D转换的孔径时间。当输入信号频率较高，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差；为了防止误差需在中间加一个功能器件采样/保持器，进行有效、正确的数据采集。 采样/保持器通常由保持电容器、模拟开关和运算放大器组成。其中对于低速场合可以采用继电器作为开关以减小开关漏电流的影响；在高速场合也可以用晶体管、场效应管来作为开关。采样保持器的原理：如图，当开关闭合时，V1通过限电流电阻向电容C充电，在电容值合理的情况下，V0随Vi的变化而变化；当K断开时，由于电容C有一定的容量，此时输出V0保持输入信号再开断开瞬间的电平值。 图2.3采样保持器电路 在模拟信号输入通道中，是否需要加采样/保持器，取决于模拟信号的变化频率和A/D转换器的孔径时间；对快速过程信号，当最大孔径误差超过允许值时，必须在A/D转换器前加采样/保持器。但如果输入模拟量是直流量或者被测信号模拟量随时间变化非常缓慢，采样/保持（S/H）电路可以省去。2.2.3 前级放大器部分 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。 我们考虑可以采用以下几种方案可以采用： 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，此中方案不宜采用。 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。 图2.4 差动放大器电阻 R1 、 R2 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 、 采用专用仪表放大器，如： INA126，INA121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2.5 INA126构成的放大器及虑波电路 放大器的增益取决于外部电阻RG，其增益G为5+80k/RG。增益范围510000V/V，通过改变 RG的大小来改变放大器的增益，基于以上分析，我们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 A/D转换器 A/D转换器是一种能把数入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量。即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。A/D转换器的种类很多，从原理上通常可分为以下四种：计数器式A/D 转换器，双积分式A/D 转换器，逐次逼近式A/D 转换器，并行A/D 转换器。计数器式A/D 转换器的结构很简单，但转换速度也很慢，所以很少采用。双积分式A/D 转换器的抗干扰能力很强，转换精度也很高，但速度不够理想，常用于数字式测量仪表中。并行A/D 转换器的转换速度最快，但因结构复杂而造价较高，故只用于那些转换速度极高的场合。计算机中广泛采用逐次逼近式A/D 转换器作为接口电路，它的结构不太复杂，转换速度也高。逐次逼近式AD转换器是采样速率低于5MSPS(百万次采样每秒)的中高分辨率应用的常见结构，其分辨率一般为8位16位，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，因而具有较宽的应用范围，如便携式电池供电仪表、笔输入量化器、工业控制和数据信号采集器等。顾名思义，逐次逼近式AD转换器实质上是实现二进制搜索算法，内部电路可以运行在几MHz，AD转换器采样速率是该数值的分数，主要由逐次逼近算法确定。ADC0809 是一个8通道8位逐次逼近式AD转换器,带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它的工作电压范围比较宽，精度也比较高。它的输入模拟电压是05V，是单极性的。它的转换速度是100us。故我们最终选择逐次逼近式AD转换器ADC0809。2.2.5 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），还有复位，删除等功能，总共需要设置24个键，键盘的扩展有采用以下方案：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2.2给出了一个3X8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。3X8的矩阵式键盘共可安装24个键，但只需要11条测试线。当键盘的数量大于8时，一般都采用矩阵式键盘。图2.6 矩阵式键盘2.3 显示电路部分的选择方案 一 、采用带字库的LCD显示。可以采用串行传输，LCD的全中文界面显示，使得显示内容丰富。但它的可视偏转角度过小，往往是只能从正面观看，从侧面看就会出现较大的亮度和色彩失真。容易产生影像拖尾现象，足够快的响应时间才能保证画面的连贯。并且很容易坏，寿命很短，价格相对而言也比较高。方案 二 、采用LED数码管显示。数码管只能显示有限的数字和符号，显示内容少。但发光效率高，生产成本低，性能稳定，高效，节能寿命长，颜色鲜艳，易于观察，经济实惠，性价比高。可减少接口数目，同时LED还有节能、安全和环保等优点。对于该题而言，因为显示的内容并不多，所以选用LED显示会更好。2.4 超量程报警部分的选择智能仪器一般都具有报警和通讯功能，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时，通过程序使单片机的I/O值为高电平，从而三极管导通，使蜂鸣器BELL发出报警声，同时使报警灯发光。3 硬件电路设计3.1 AT89S52的最小系统电路 根据设计要求与设计思路，此电路由单片机AT89S52，压力传感器，前端信号处理，A/D转换器，键盘控制，报警电路和LED显示等部分组成。压力传感器前端信号处理A/D转换器单片机AT89S52LED显示键盘控制图3.1 硬件电路设计框图报警电路 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。3.1.1 单片机芯片AT89S52介绍单片机的全称为单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）或微型控制器（Micro-controller）。它在一块芯片上集成了中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时器/计数器和多种输入/输出（I/O），如并行I/O、串行I/O和A/D转换器等。就其组成而言一块单片机就是一台计算机。典型的结构如图3.2所示。由于它具有许多适用于控制的指令和硬件支持而广泛应用于工业控制、仪器仪表、外设控制、顺序控制器中，所以又称为微控制单元（MCU）。MCS-51系列单片机，是Intel公司继MCS-48系列单片机之后，在1980年推出的高档8位单片机。ATMEL89系列单片机是ATMEL公司的以8031核构成的8位Flash单片机系列。这个系列单片机的最大特点就是在片内含有Flash存储器，AT89S52单片机是ATMEL公司新近推出的高档型AT89S系列单片机中的增强型产品。图3.2 单片机结构框图AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。其结构框图如图3.3所示。AT89S52的主要特性如下： （1） 兼容MCS51产品 （2） 8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP 闪存 （3） 4.0V到5.5V的工作电源范围 （4） 全静态工作：0Hz 24MHz （5） 3级程序存储器加密 （6） 256字节内部RAM （7） 32条可编程I/O线 （8） 3个16位定时器/计数器 （9） 8个中断源 （10) UART串行通道 （11) 低功耗空闲方式和掉电方式 （12) 通过中断终止掉电方式 （13) 看门狗定时器 （14) 双数据指针 （15）灵活的在线编程（字节和页模式）图3.3 AT89S52的结构框图此外,AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。 空闲模式下,CPU暂停工作, 而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。 在本设计中我们使用的是PDIP封装形式。3.1.2 单片机管脚说明按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。图3.4是AT89S52的PDIP封装结构图。图3.4 AT89S52封装引脚图 引脚功能介绍如下： 1多功能I/O口AT89S52共有四个8位的并行I/O口：P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0 P0.7，P1.0 P1.7，P2.0 P2.7，P3.0 P3.7，共32根I/O线。每根线可以单独用作输入或输出。（1）P0端口，该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。在对Flash存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。（2）P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表3-1所示。表3-1 P1口管脚复用功能端口引脚复用功能P1.0T2（定时器/计算器2的外部输入端）P1.1T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）P1.5MOSI（用于在线编程）P1.6MISO（用于在线编程）P1.7SCK（用于在线编程） （3）P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器（如执行MOVX DPTR指令）时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。 （4）P3端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在AT89S52中，同样P3口还用于一些复用功能，如表3-2所列。在对Flash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。表3-2 P3端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通） 2RST复位输入端。在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。在SFR AUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。 3ALE/PROG地址锁存允许信号。在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。 4PSEN程序存储器允许信号。它用于读外部程序存储器。当AT89S52在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期PSEN被激活2次。在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。 5EA/Vpp外部存取允许信号。为了确保单片机从地址为0000HFFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。但是，如果锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。当执行内部程序时，EA应接到Vcc。在对Flash存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压Vpp。 6XTAL1振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。 7XTAL2振荡器的反相放大器输出3.1.3 AT89S52的最小系统电路构成AT89S52的最小系统有时钟电路，复位电路，电源电路，单片机及外扩8155芯片构成。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-51系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现两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 数据处理部分电路设计数据处理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。3.2.1 传感器和其外围以及放大电路设计 1. 传感器力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU ）显示或执行机构。金属电阻应变片的内部结构如图1 所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力-电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。能够实现力-电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：R=*L/S式中：金属导体的电阻率（。cm2/m ）S 导体的截面积（cm2 ）L 导体的长度（m ）我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。 2. 放大器 （1）运算放大器的简介 运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中直流放大电路在工业技术领域中，特别是在一些测量仪器和自动化控制系统中应用非常广泛。如在一些自动控制系统中，首先要把被控制的非电量（如温度、转速、压力、流量、照度等）用传感器转换为电信号，再与给定量比较，得到一个微弱的偏差信号。因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构，所以需要把这个偏差信号放大到需要的程度，再去推动执行机构或送到仪表中去显示，从而达到自动控制和测量的目的。因为被放大的信号多数变化比较缓慢的直流信号，分析交流信号放大的放大器由于存在电容器这样的元件，不能有效地耦合这样的信号，所以也就不能实现对这样信号的放大。能够有效地放大缓慢变化的直流信号的最常用的器件是运算放大器。运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算（实现加减乘除比例微分积分等）单元，是模拟电子计算机的基本组成部件，由真空电子管组成。目前所用的运算放大器，是把多个晶体管组成的直接耦合的具有高放大倍数的电路，集成在一块微小的硅片上 （2）运算放大器的原理运算放大器是目前应用最广泛的一种器件，虽然各中不同的运放结构不同，但对于外部电路而言，其特性都是一样的。运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级，其中输入级一般是采用差动放大电路（抑制电源），中间级一般采用有源负载的共射负载电路（提高放大倍数），输出级一般采用互补对称输出级电路（提高电路驱动负载的能力），工业上，用来衡量一个运算放大器的性能的指标有很多，一般认为实际运算放大器越接近理想运放就越好，课堂上我们涉及到的只是要求输入端等效电阻无穷大，开环增益无穷大，其实还有很多其他的指标，我就简要介绍下吧，运算放大器的性能指标包括5个，开环差模电压放大倍数，最大输出电压，差模输入电阻，输出电阻，共模抑制比CMRR。（开环差模放大倍数是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。最大输出电压是指它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰-峰值。差模输入电阻的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求它愈大愈好。输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。共模抑制比放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。CMRR越大越好。 （3）放大器INA126的简介该器件主要用于工业传感器放大器(如电桥、铂电阻、热电偶等)、生理放大器、多通道数据采集及便携式电池供电的电子产品等。INA126的性能特点如下： （1）静态电流小,小于175A; （2）电源范围宽,1.3518V; （3）失调电压低,小于250V; （4）漂移低,小于3V/; （5) 低噪声,典型值35nV/ Hz(100kHz时); （6) 频率响应的典型值200kHz(G=5); （7) 压摆率的典型值0.4V/s(输出10V,G=5); （8) 输入阻抗的典型值10/4pF; （9) 共模抑制比大于83dB(共模电压为11.25V时)。INA126的引脚排列如图3.6所示。图3.6 INA126的引脚图该器件8脚塑料DIP封装、SO一8及MSOP一8贴片封装三种形式，由型后的字母来表示。INA126后的字母P表DIP封装，U表示SO一8封装，E表示MSOP一8封装。该器件两种等级，后缀有A性能稍差。INA126的内部结构如图3.7所示，它由两个运算放大器及4个经激光修正的精密电阻组成。图3.7 INA126的内部结构图放大器的增益取决于外部电阻RG，其增益G为5+80k/RG。增益范围510000V/V。增益与外接电阻RG的关系如表3-3所示表3-3 增益与外接电阻RG的关系 （3）前端信号处理部分电路设计通过调节RG的阻值来改变放大倍数。微弱信号Vi1和Vi2被分别放大后从INA126的第6脚输出。A/D转换器ADC0809的输入电压变化范围是05V，传感器的输出电压信号在020mv左右，因此放大器的放大倍数在200300左右，亦可将RG接成滑动变阻器。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，增加了专用放大器INA126，增益调节电阻RG选用10k电阻。其电路图如图3.8所示。 图3.8 前端信号处理电路这是一个电阻应变式称重传感器，将电阻应变片贴在金属的弹性体上，并连接成一差动全桥电路。电阻应变片实心轴沿轴向线应变为：实心轴沿圆周向线应变为：金属材料的电阻相对变化公式为：把3-1，3-2代入3-3可以得到其输出电压为：其中F为压力（即重物重量），A为受力面积，E为弹性材料的弹性模量。3.2.2 A/D转换芯片与AT89S52单片机接口电路设计 1. A/D转换器ADC0809芯片简介 主要特征 （1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。 （2）具有转换起停控制端。 （3）转换时间为100s （4）单个5V电源供电 （5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 （6）工作温度范围为-4085摄氏度 （7）低功耗，约15mw。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。如下图为ADC0809的内部逻辑结构图3.9 ADC0809的内部逻辑结构图ADC0809各脚功能如下： D7-D0：8位数字量输出引脚。 IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。 VCC：+5V工作电压。 GND：地。 REF（+）：参考电压正端。 REF（-）：参考电压负端。 START：A/D转换启动信号输入端。 ALE：地址锁存允许信号输入端。 （以上两种信号用于启动A/D转换）. EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。 OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。 A、B、C：地址输入线。如下图为ADC0809的引脚图：图3.10 ADC0809的引脚图ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05