基于单片机的电子称设计.doc

1 30 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 题目题目 简易数字存储示波器 任务与要求 任务与要求 1 设计一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器 2 要求仪器具有单次触发存储显示方式 3 要求仪器输入阻抗大于 100K 垂直分辨率为 32 级 div 垂直分辨 率为 20 点 div 设示波器显示屏水平刻度 10div 垂直刻度 8div 4 要求设置 0 2s div 0 2ms div 20us div 三档扫描速度 设置 0 1V div 1V div 二档垂直灵敏度 误差 5 时间 时间 2009 年 10 月 26 日至 2009 年 12 月 20 日 共 8 周 所属系部 所属系部 电子工程系 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 专业 专业 指导单位或教研室 指导单位或教研室 电子工程系 指导教师 指导教师 职职 称 称 助讲 2 30 目录目录 摘要摘要 3 3 Abstract 3 1 1 本设 本设计计任任务务 5 5 2 2 系 系统统方案的方案的论论证与简介证与简介 6 6 2 1 数据采集部分 6 2 1 1 前级放大器的选择及简介 6 2 1 22 1 2 A DA D 转换器选择及简介转换器选择及简介 8 8 2 2 控制器的选择及简介 10 2 3 人机交互部分 13 2 3 1 键盘 显示部分的选择及简介 13 2 4 称重传感器 17 2 4 1 称重传感器的工作原理 18 2 4 2 称重传感器的主要参数指标 19 3 3 电路 电路的的硬件设计硬件设计 2020 3 1 整体电路的设计 20 3 2 放大电路的设计 20 3 3 V F 转换电路的设计 22 3 4 键盘显示电路 23 4 4 系统的 系统的软软件件设计设计 2525 4 1 C51 的简介 25 4 2 程序的流程图 25 5 5 调试与测试结果分析 调试与测试结果分析 2626 5 1 使用的仪器仪表 26 5 2 电路的调试 26 3 30 基于单片机的智能电子秤设计基于单片机的智能电子秤设计 摘要摘要 本文介绍了基于单片机 89C52 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 关键词 关键词 单片机 称重传感器 V F 转换器 Electronic Balance Controlled by the single Chip Microcomputer Abstract This paper introduces an electronic balance controlled by the single chip microcomputer 89C52 The specific hardware circuit and software flow chart are designed The system consists of weighing sensor signal amplifier microcomputer keyboard LCD display and etc This small simply structured balance possesses many intelligent functions such as shelling unit price enactment accumulation computation and etc Key Words single chip microcomputer weighing sensor V F converte 引言 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 在日常 生活中 到处必须用到称 尤其是现代超市和一些其他交易市场上 称是必不 可少的测重工具 随着人们生活水平的不断提高 商业行为也越来越现代化 人们对商品度量的速度和精度也提出了新的要求 传统的量具是杆称或盘称 20 世纪 70 年代开始出现了电子称 电子称的产生正是为了适应现代生活需要 目前 商用电子计价称的使用非常普及 逐渐取代了传統的杆秤和机械案 秤 电子计价秤在秤台结構上有一個显著的特点 一个相当大的秤台 只在中 间裝置一个专门设计的压力传感器来承担物料的全部重量 这个重力将转换为 电压或电流的模拟讯号 经放大及滤波处理后由 A D 处理器转换为数字讯号 数字讯号由中央处理器 CPU 运算处理 而周边所需要的功能及各种接口电路也 4 30 和 CPU 连接应用 最后由显示屏幕以数字方式显示 电子秤不仅要向高精度 高可靠方向发展 而且更需向多种功能的方向发展 据悉 目前电子秤的附加功能主要有以下几种 1 电子秤附加了处理机构计算机 信息补偿装置 可以进行自诊断 自校正和多种补偿计算和处理 2 具有皮重 净重显示等特种功能 电子秤有些已具备了动物称量模式 即通过进行算术平均 积分处理和自动调零等方法 消除上述的误差 3 附加特殊的数据处理功能 目 前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能 以满足多种使用的要求 今后 随 着电子高科技的飞速发展 电子秤技术的发展定将日新月异 同时 功能更加齐 全的高精度的先进电子秤将会不断问世 其应用范围也会更加拓宽 5 30 1 1 本设计任务 本设计任务 本系统要求设计并制作一个实用电子称 能实现称重 计价 汇总 清零 去皮等多种功能 1 基本要求 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 6 千克 重量误差不大于 0 005 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 4 具有去皮功能和总额累加计算功能 2 发挥部分 能显示购物清单 自拟 10 种商品名称或代号 清单内容包括 商品名称 数量 单价 金额 本次购物总金额 1 清单内容的商品名称等可使用代号显示 2 清单内容增加购货日期和收银员编号 3 清单内容在 2 的基础上增加售货单位名称 自拟 且全部内容采用中文显示 6 30 2 2 系统方案的论证与简介 系统方案的论证与简介 2 12 1 数据采集部分数据采集部分 2 2 1 1 1 1 前级放大器的选择及简介前级放大器的选择及简介 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 方案一方案一 采用专用仪表放大器采用专用仪表放大器 在一般信号放大的应用中通常只通过差动放大电路就可满足要求 然而基 本放大电路的精密度较差 且差动放大电路上变更放大增益时 必须调整两个 电阻 影响整个信号放大精确度的变因就更加复杂 仪表放大电路则无上述的 缺点 采用专用仪表放大器 如 AD620 AD623 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 仪表放大器的示意图如下图 2 1 图 2 1 仪表放大器的示意图 方案二方案二 利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器 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 所以 此中方案 不宜采用 方案三方案三 由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器 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 此方案原理图如图 2 2 所示 7 30 图 2 2 高精度运算放大器电路图 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 基于以上分析 我们决定采用方案一实现前级放大功能 即制作方便而且 精度很好的专用仪表放大器 AD620 以下简介一下 AD620AD620 图2 3所示为AD620仪表放大器的引脚图 其中引脚1 8要跨接一电阻来调 整放大倍率 引脚4 7接需提供正负相等的工作电压 由引脚2 3接輸入的放 大的电压即可从引脚6输出放大后的电压值 引脚5则是參考基准 如果接地则 引脚6的輸出即为与地之间的相对电压 表 2 1所示为AD620的规格特性说明表 8 30 图2 3 AD620引脚图 表 2 1 AD620的规格特性说明表 项目规格特性备注 增益范围1 1000只需一个电阻就可设定 电压供应范 围 2 3V 18V 低耗电量Max supply current 1 3mA可用电池驱动 精确度高40 ppm maximum nonlinearity low offset voltage of 50uV max offset drift of 0 6uV max 低杂讯Low input voltage noise of 9nV at 1KHz 适用范围ECG量测与医疗器材 压力测量 V I转换 资料截取系统等 2 1 22 1 2 A DA D 转换器选择及简介转换器选择及简介 方案一方案一 逐次逼近型逐次逼近型 A DA D 转换器 如 转换器 如 ADS7805ADS7805 ADS7804ADS7804 等 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 DA D 转换器 如 转换器 如 ICL7135ICL7135 ICL7109ICL7109 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 9 30 输入 输入阻抗高 大于 可自动调零 超量程信号 全部输出于 TTL M 3 10 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 以下简介一下芯片 LM331 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 10 30 图 2 4 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 2 2 2 2 控制器的选择及简介控制器的选择及简介 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 11 30 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 由于系统需要的按键较多 因此要加一个键盘显示管理 芯片 HD7279 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 AT89C52 以下简介一下 AT89C52AT89C52 AT89C52AT89C52的的主要性能参数 主要性能参数 与MCS 51产品指令和引脚完全兼容 8K字节可重擦写Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作 0HZ 24MHZ 三级加密程序存储器 256 8字节内部RAM 32个可编程I O口线 3个16位定时 计数器 8个中断源 可编程串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式 AT89C52 的引脚图如图 2 5 所示 引脚说明 引脚说明 VCC 电源电压 GND 地 图 2 5 AT89C52 引脚图 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 作为输出口用时 每个 12 30 引脚能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 当对 0 端口写入 1 时 可以作为高阻抗输入 端使用 当 P0 口访问外部程序存储器或数据存储器时 它还可设定成地址数据总线 复用的形式 在这种模式下 P0 口具有内部上拉电阻 在 Flash 编程时 P0 口接收指令字节 同时输出指令字节在程序校验时 程序校验时需要外接上拉电阻 P1 口 P1 口是一带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口的输出缓 冲能接受或输出 4 个 TTL 逻辑门电路 当对 P1 口写 1 时 它们被内部的上拉电 阻拉升为高电平 此时可以作为输入端使用 当作为输入端使用时 P1 口因为 内部存在上拉电阻 所以当外部被拉低时会输出一个低电流 IIL 另外 P1 0 和 P1 1 还可以作为定时 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和触发输入 P1 1 T2EX 如表 2 2 所示 P1口在程序编写和校验期间同时接收低8位地址 表 2 2 端口功能特性表 端口号功能特性 P1 0T2 外部计数器输入到定时 计数器 2 时钟输出 P1 1T2EX 定时 计数器 2 捕获 重装载触发和方向控制 P2 口 P2 是一带有内部上拉电阻的 8 位双向的 I O 端口 P2 口的输出 缓冲能驱动 4 个 TTL 逻辑门电路 当向 P2 口写 1 时 通过内部上拉电阻把端口 拉到高电平 此时可以用作输入口 作为输入口 因为内部存在上拉电阻 某 个引脚被外部信号拉低时会输出电流 IIL P2 口在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如 MOVX DPTR 时 P2 口送出高 8 位地址数据 在这种情况下 P2 口使用强大的内部上 拉电阻功能当输出 1 时 当利用 8 位地址线访问外部数据存储器时 例 MOVX R1 P2 口输出特殊功能寄存器的内容 当 Flash 编程或校验时 P2 口同时接收高 8 位地址和一些控制信号 P3 口 P3 是一带有内部上拉电阻的 8 位双向的 I O 端口 P3 口的输出 缓冲能驱动 4 个 TTL 逻辑门电路 当向 P3 口写 1 时 通过内部上拉电阻把端口 拉到高电平 此时可以用作输入口 作为输入口 因为内部存在上拉电阻 某 个引脚被外部信号拉低时会输出电流 IIL P3 口同时具有 AT89C51 的多种特殊功能 具体如下表 2 3 所示 此外 P3 口还用于接收一些用于控制 Flash 编程和校验的控制信号 表 2 3 P3 口的第二功能 13 30 端口引脚第二功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2 外部中断 0 0INT P3 3 外部中断 1 1INT P3 4T0 定时器 0 P3 5T1 定时器 1 P3 6 外部数据存储器写选通 WR P3 7 外部数据存储器都选通 RD RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期的高电平 将使单片机复位 ALE 当访问外部存储器时 地址锁存允许是一输出脉冲 用以锁PROG 存地址的低 8 位字节 当在 Flash 编程时还可以作为编程脉冲输出 PROG 一般情况下 ALE 是以晶振频率的 1 6 输出 可以用作外部时钟或定时目 的 但也要注意 每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 如有必要 通过向 SFR 的 8EH 单元输入 0 能使 ALE 停止工作 该位置位后 只有在 MOVX 和 MOVC 指令下 ALE 才能工作 此外 在该引脚被微弱拉高时 如 果单片机在执行外部程序模式时 应设置 ALE 无效位不起作用 VPP 外部访问允许 为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器EA 从 0000H 到 FFFH 单元的指令 必须同 GND 相连接 需要主要的是 如果加 EA 密位 1 被编程 复位时 EA 端会自动内部锁存 当执行内部编程指令时 应 EA 该接到 VCC 端 当处于 Flash 编程时 该引脚接 12V 的编程允许电压 VPP 当 12V 的编程电压是允许的情况下 XTAL1 振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 2 2 3 3 人机交互部分人机交互部分 2 3 12 3 1 键盘键盘 显示部分的选择及简介显示部分的选择及简介 键盘输入和显示部分在控制仪器中起着人机交互的作用 这两部分的设计 是仪器和操作者进行联系并得到实际应用的关键之一 并关系到用户使用的满 14 30 意度 键盘 显示模块设计采用的方法有 方案一 方案一 采用 8279 可编程接口芯片来实现系统的键盘 显示器扩展功能 提高了系统的稳定性及可靠性 键盘控制部分提供一种扫描工作方式 可与 64 个按键的矩阵键盘或传感器连接 能对键盘进行自动扫描 自动消抖 自动识 别出所按下的键并给出编码 能同时按下双键或 N 键实行保护 其接收键盘上 的输入信息存入内部的先进先出 FIFO 键输入缓冲器 并可在有键输入时向 CPU 请求中断 8279 提供了按扫描方式工作的显示接口 其内部有个显示缓冲器 能对 8 位或 16 位 LED 自动进行扫描 将显示缓冲器的内容通过 74LS138 译码 并由 74LS07 驱动 在 LED 上显示出来 方案二 方案二 如图 2 6 所示 由单片机 AT89C2051 控制 8 个共阳数码管 16 个 按键构成动态显示模块 由于 AT89C2051 有一个全双工串行通信接口 通过串 行通信易于与某些基于虚拟仪表技术的仪器主板相连 使其脱机工作 成为便 携仪表 方便了使用 与专用键显接口芯片 8279 相比 价格更加底 采用串行 方式与主控单片机交换信息 硬件及工艺设计简单 抗干扰能力强 可承担键 盘 显示及其他信息处理功能 从而使主机软件设计所考虑的因素减少 程序结 构得以简化 图 2 6 键盘 显示模块 方案三 方案三 采用专用键盘 显示芯片 HD7279 和液晶 1602 HD7279 芯片价格低 廉 内部含有译码器 并具有多种控制指令 如消隐 闪烁 左移 右移 段 寻址等 在设计时 外围电路简单 只需一个电阻和一个电容即可解决键盘 显 示电路的外围设计 如图 2 7 所示 液晶 1602 具有微功耗 体积小 显示内容 丰富 超薄轻巧的诸多优点 且外围电路简单 89C2051 74LS138 键盘 LED显示 PNP三极 管9012 HD7279 键 盘 显 示 15 30 图2 7 HD7279键盘 显示模块 考虑到本设计对键盘 显示功能的要求以及成本 体积等各种因素 在此选 用方案三作为键盘 显示的电路结构 选用方案三 提高了系统的性价比 也简 化了电路 以下简介一下 HD7279HD7279 和液晶 16021602 HD7279 A 是一片具有串行接口的 可同时驱动 8 位共阴式数码管 或 64 只 独立 LED 的智能显示驱动芯片 该芯片同时还可连接多达 64 键的键盘矩阵 该芯片内部含有译码器 可直接接受 16 进制码 HD7279A 还同时具有 2 种译码 方式 HD7279 A 还具有多种控制指令 如消隐 闪烁 左移 右移 段寻址等 特点 串行接口 各位独立控制译码 不译码及消隐和闪烁属性 循环 左移 循环 右移指令 具有段寻址指令 方便控制独立 LED 64 键键盘控制器 内含去抖动电路 HD7279A的引脚图如图2 8所示 它共有28个引脚 RC引脚用于连接HD7279A 的外接振荡元件 其典型值为R 1 5k C 15pF RESET为复位端 该端由低电 平变成高电平并保持25ms即复位结束 通常 该端接 5V即可 DIG0 DIG7分别 为8个LED管的位驱动输出端 SA SG分别为LED数码管的A段 G段的输出端 DP为 小数点的驱动输出端 HD7279A片内具有驱动电路 它可以直接驱动1英吋及以 下的LED数码管 使外围电路变得简单可靠 16 30 图 2 8 HD7279A引脚图 DIG0 DIG7 和 SA SG 同时还分别是 64 键盘的列线和行线端口 完成对键盘 的监视 译码和键码的识别 在 8 8 阵列中每个键的键码是用十六进制表示的 可用读键盘数据指令读出 其范围是 00H 3FH HD7279 与微处理器仅需 4 条接 口线 其中 CS 为片选信号 低电平有效 当微处理器访问 HD7279A 读键号 或写指令 时 应将片选端置为低电平 DATA 为串行数据端 当向 HD7279A 发 送数据时 DATA 为输入端 当 HD7279A 输出键盘代码时 DATA 为输出端 CLK 为数据串行传送的同步时钟输入端 时钟的上升沿表示数据有效 KEY 为按键 信号输出端 在无键按下时为高电平 而有键按下时此引脚变为低电平并且一 直保持到键释放为止 表2 4为7279的引脚功能表 注意 1 HD7279A应连接共阴式数码管 2 应用中 无需用到的键盘和数码管可以不连接 3 应用中 串入DP及SA SG连接的8只电阻为200欧 4 应用中 8只下拉电阻和8只键盘连接位选线DIG0 DIG7的电阻 应遵 从 一定的比例关系 典型值为10倍 下拉电阻的取值范围是10K 100K 位选电阻的取值围是1K 10K 5 HD7279A需要一外接的RC振荡电路以供系统工作 其典型值分别为 R 1 5K C 15pF 表2 4 7279引脚功能表 引脚名称说明 1 2VDD正电源 3 5NC无连接 必须悬空 4VSS接地 17 30 6CS片选输入端 此引脚为低电平时 可向芯片发送指 令及读取键盘数据 7CLK同步时钟输入端 向芯片发送数据及读取键盘数据 时 此引脚电平上升沿表示数据有效 8DATA串行数据输入 输出端 当芯片接收指令时 此引脚 为输入端 当读取键盘数据时 此引脚在 读 指 令最后一个时钟的下降沿变为输出端 9KEY按键有效输出端 平时为高电平 当检测到有效按 键时 此引脚变为低电平 10 16SG SA段 g 段 a 驱动输出 17DP小数点驱动输出 18 25DIG0 DIG7数字 0 数字 7 驱动输出 26CLK0振荡输出端 27RCRC 振荡器连接端 28RESET复位端 液晶16021602的介绍 1602 采用标准的 16 脚接口 其中 第 1 脚 VSS 为地电源 第 2 脚 VDD 接 5V 正电源 第 3 脚 V0 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地电源时 对 比度最高 对比度过高时会产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电位 器调整对比度 第 4 脚 RS 为寄存器选择 高电平时选择数据寄存器 低电平时选择指令寄存 器 第 5 脚 RW 为读写信号线 高电平时进行读操作 低电平时进行写操作 当 RS 和 RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址 当 RS 为低电平 RW 18 30 为高电平时可以读忙信号 当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数 据 第 6 脚 E 端为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 第 15 16 脚 空脚 表 2 5 为液晶 1602 的主要技术参数 表 2 5 液晶 1602 的主要技术参数 显示容量 16 2 个字符 芯片工作电压 4 5 5 5V 工作电流 2 0mA 5 0V 模块最佳工作电压 5 0V 字符尺寸 2 95 4 35 WXH mm 2 42 4 称重传感器称重传感器 根据设计要求 选择了量程为 6Kg 的称重传感器 2 2 4 4 1 1 称重传感器的工作原理称重传感器的工作原理 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 图 2 9 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 19 30 图 2 9 称重传感器的基本电路 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 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 式中 1 4 分别为接入电桥四个桥臂的应变片的应变值 2 2 4 4 2 2 称重传感称重传感器的主要参器的主要参 数指标数指标 称重传感器本身具有单调性 其主要参数指标是灵敏度 总误差和温度漂 移 I 4321 4231 O U RRRR RRRR U 4 4 3 3 2 2 1 1I O 4R R R R R R R RU U 4321 I O 4 KU U 20 30 1 灵敏度 称重传感器的电灵敏度为满负荷输出电压与激励电压的比值 典型值是 2mV V 当使用 2 mV V 灵敏度和 5 V 激励电压的传感器时 其满度输出电压为 10 mV 通常 为了使用称重传感器线性度最好的一段称重范围 应当仅使用满 度范围的三分之二 因此满度输出电压应当大约为 6 mV 当电子秤应用于工业 环境时 在 6 mV 满度范围内测量微小的信号变化并非易事 2 总误差 总误差是指输出误差和额定误差的比值 典型电子秤的总误差指标大约是 0 02 这一技术指标相当重要 它限制了使用理想信号调节电路所能达到的精 确度 决定了 ADC 分辨率的选择以及放大电路和滤波器的设计 3 漂移 称重传感器也产生与时间相关的漂移 21 30 3 3 电路的硬件设计 电路的硬件设计 3 13 1 整体电路的设计整体电路的设计 题目要求设计一个实用电子称 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 其中数据采集模块完成 对来自稳重传感器器的电压信号的检测 放大 AD 转换 此时的数字信号送给 控制器处理 由控制器完成被测物体重量的判断 显示等功能 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 图 3 1 为系统的整 体框图 图 3 1 系统的整体框图 3 23 2 放大电路的设计放大电路的设计 低功耗仪表放大器 AD620 特点有 单电阻设置增益 1 1000 宽电源范围 2 3V 18V 低功耗 最大 1 3mA 输入失调电压 最大 50uV 输入失调漂移 最大 0 6uV 共模抑制比 100dB G 10 低噪音 峰峰值 0 28uV 0 1Hz 10Hz 带宽 120kHz G 100 置位时间 15us 0 01 AD620仪表放大电路是由三个放大器所共同組成 其中的电阻R与Rx需在放大 22 30 器的电阻适用范围內 1k欧 10k欧 由固定的电阻R 我們可以調整Rx來調整 放大的增益值 其关系式如式3 1所示 唯须注意避免每个放大器的饱和现象 放大器最大輸出为其工作电压 式3 1 AD620的放大增益关系式如式3 2 式3 3所示 由此二式我們即可推算出各 种增益所要使用的电阻值了 式3 2 式3 3 在硬件电路设计中 AD620 的外围电路很简单 只需在 1 脚和 9 脚之间跨 接一电阻 图 3 2 为 AD620 电压放大电路图 其中电阻RG須根据所要放大之倍 率由式 3 3 求得 由于传感器的输出电压是毫伏级的 应把输入电压放大 100 多倍输出 这样 此电压输入到 V F 转换电路进行计算时 误差减小了 从而 提高了整个电子称的精度 图 3 3 为硬件电路中的放大部分的电路 图 3 2AD620 放大电路图 23 30 图 3 3 放大电路 3 33 3 V FV F 转换电路的设计转换电路的设计 图3 4是由LM331 组成的电压频率变换电路 LM331 内部由输入比较器 定 时比较器 R S 触发器 输出驱动 复零晶体管 能隙基准电路和电流开关等 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Vi 输入一正电压时 输入比较器输出高电平 使R S 触发 器置位 输出高电平 输出驱动管导通 输出端f0 为逻辑低电平 同时电源 Vcc 也通过电阻R2 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R S 触发器复位 输出低电平 输出驱动管截止 输出端f0 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R S 触发器置位 如此反复循环 构 成自激振荡 设电容CL 的充电时间为t1 放电时间为t2 则根据电容CL 上电荷平衡的 原理 我们有 IR VL RL t1 t2VL RL 从上式可得 f0 1 t1 t2 VL RLIRt1 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 f0 Vt RLIRt1 可见 输出脉冲频率 f0 与输入电压 Vi 成正比 从而实现了电压 频率变 24 30 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 Rs 决定 IR 1 90 Rs 改变 Rs 的值 可调节电路的转换增益 t1 由定时元件 Rt 和 Ct 决定 其关系是 t1 1 1RtCt 典型值 Rt 6 8k Ct 0 01 F t1 7 5 s 由 f0 Vi RLIRt 可知 电阻 Rs Rl Rt 和电容 Ct 直接影响转换结果 f0 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 Cl 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 4 压频转换电路 下列图 3 5 硬件电路中的压频转换电路 图 3 5 压频转换电路 3 43 4 键盘显示电路键盘显示电路 人机交互界面显示是否直观 控制是否方便直接影响电子称的操作 因此 25 30 设计时经多方考虑 我们尽可能将显示界面友好化 将控制键盘简单化 单片 机 AT89C52 可利用的端口多 可以控制键盘和 LCD 通过次界面 可以设定物品的单价 在液晶上显示重量 单价 总价等 图 3 6 为显示电路 图 3 7 为键盘电路 图 图 3 6 显示电路 26 30 图 3 7 键盘电路 27 30 4 4 系统的软件设计 系统的软件设计 4 1 C51 的简介 平时熟悉的 51 单片机的编程语言有二种 一种是汇编语言 一种是 C 语言 由于涉及到大量数据的运算 程序不宜采用汇编语言 C 语言大大缩短了开发 时间 使程序简洁 且程序可读性非常好 Keil C51 是美国 Keil Software 公 司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统 与汇编相比 C 语言在功能 上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易学易用 用过汇编语 言后再使用 C 来开发 体会更加深