单片机电子秤硬件电路设计方案

1、基于单片机电子秤硬件电路设计根据设计要求与设计思路，此电路由一块AT89S52、按键输入电路、时钟电路、复位电路、 LCD 显示段码驱动电路、 LCD 显示位码驱动电路、12位LCD显示器电路、蜂鸣器电路。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

2、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 输出的电信号和速度传感器输出的速度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： AT89C52 的 最小系统构成、电源电路、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。在单芯片上，拥有灵巧的8位CP

3、U 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

4、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。其芯片引脚图如上图所 示。12互332333435363712互332333435363738393.1.2.单片机管脚说明VCC:供电 GND:接地。-40P0 口： P0 口为一个8P12P20P13P21P1

5、4P22P15P23P16P17P24P25P26P27AT89S52P07PSENP06TOP05T1P04EN/VPP03TXDP02RESET頤12 AT89S52引脚图P00RXDXIRDX2INTI ALE位漏级开路双向I/O口,INTOP10P11222324252627282914153111g10191821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。P1 口： P1 口是一个

6、内部提供上拉电阻的8位双向1/0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/0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“

7、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. 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）P3.3

8、INT1外部中断1输入）P3.4T0定时器0外部脉冲输入）P3.5T1定时器1外部脉冲输入）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。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器 周期的高电平时间。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，

9、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/PSE N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FLA

10、SH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，

11、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

12、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。电源电路设计U9LM7805FUSE1220J.FU8LM7812VinVoutDN3G2H+12vVinDNVoutU10LM7905VinVoutDNG21C7104FMFC132C5104gF104pF220电源TRANS1BRIDGELED1T2DNGD221220, iF10

13、4lF2GE220V源C10104,FC11104,FU9LM7805FUSE1220J.FU8LM7812VinVoutDN3G2H+12vVinDNVoutU10LM7905VinVoutDNG21C7104FMFC132C5104gF104pF220电源TRANS1BRIDGELED1T2DNGD221220, iF104lF2GE220V源C10104,FC11104,F104,FTRANS2v FUSE2H+12V4JMFC2Q?COMPONENT2VoutViU9 LM7805 +5Vin VouDNBRID士C8 C-LEDrii10k_图 3.3 电源电路图U8LM7812Vi

14、nVoulDNG220V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DC/DC变换得到+ 12V和+5V、-5V 供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 电路如图3.3 所示。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

15、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

16、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3.2所示。这是一个电阻应变片式称重传感器，将电阻应变片贴在金属的 弹性体即力敏感器）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3-1)实心轴沿圆周向线应变为3-1)SP20C-G501的输出电压为SP20C-G501的输出电压为扌应压力为l-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

17、 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，阻值选择500k-1.5M。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

18、， 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。而有式（3-5得三运放放大电路的输出信号与输入信号的关系式 为：(3-6(3-7150之间，完全符合设计(3-6(3-7150之间，完全符合设计有（3-6可以得到电桥输入电压U0与被测重量x成正比，即3-8）式中：电桥的电源电压一一传感器系数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

19、适合于高精度的快速转换采样系统。芯片内部 包含微处理器借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，切能 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:i13TorjcAOcsAD57420ViN lOVm BIN BOUT Vee VccVI DGND1212i13TorjcAOcsAD57420ViN lOVm BIN BOUT Vee VccVI DGND1212反BIPOFF012345678 _y o 1 E SDDDDDDDDDDmc16互Ts亘202?222324

20、25262728图3.5 AD574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:

21、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。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。REF OUT : 10V内部参考电压输出端。REF IN ：内部解码网络所需参考电压输入端。BIP OFF ：补偿校正端，接至正负可调的分压网络， 0 输入时 调整数字输出为0 ；AGND :接模拟地。DGND :接数字地。由于对 AD574 8、10、12

22、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。我们采用单极性接法，电路接线图如下图3-4 所示:8D7D8Q8D7D8Q6D?Q5D6Q4D5Q3D4Q2D3QID2QIQCocINTOP10P11P12P20P13P21P14P22P15P23P16P17P24P25P26P27AT89S52P07PSENP06TOP05T1P04EN/7PP03TXDP02RESETP01P00RXDXIRDX2WRINTIALEP3.0图3

23、.6 AD574与AT89S52的接线图根据芯片管脚的原理，无论启动、转换还是结果输出，都要保证CE端为高电平，所以可以将单片机的/RD引脚和/WR端通过与非 门与 AD574 的 CE 端连接起来。转换结果分高 8 位、低 4 位与 P0 口 相连，分两次读入，所以 12/-8 端接地。同时，为了使 CS、A0、 R/-C 在读取转换结果时保持相应的电平，可以将来自单片机的控制 信号经74LS373锁存后再接入。CPU可采用中断、查询或者程序延 时等方式读取 AD574 的转换结果，本设计采用中断方式，则将转换 结束状态STS端接到P3.2外部中断/INT0）。其工作过程如下：当单片机执行对

24、外部数据存储器的写指令，并使CE=1，/CS=0，R/-C=0，A0 时，进行 12 位 A/D 转换启动。CPU等待STS状态信号送P3.2 口，当STS由高电平变为低电 平时，就表示转换结束。转换结束后，单片机通过分两次读外部数 据存储器操作，读取12位的转换结果数据。当 CE=1， /CS=0， R/-C=1， A0=0 时，读取高 8 位；当 CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=1 时，读取低 4 位。测量算法A/D转换结果D与被测量x存在以下关系：3-9）式中：S传感器及其测量电路的灵敏度即被测量X转换成电压 U 的转换系数）K放大器的放大倍数一一A/D转换器满量程输入电压一一

25、A/D转换器满量程输出数字而被测量X总是以其测量数字N和测量单位xl表示 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du ty)和偏 压 (bias 。施加在LCD上所表示的ON和OFF时的电压

26、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/Na: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。如图 3.7 所示。图 3.73.5键盘电路与AT89S52单片机接口电路设计矩阵式键盘的结构与工作

27、原理： 在键盘中按键数量较多时， 为了减少 I/O 口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键 盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按 键加以连接。这样，一个端口 如 P1 口）就可以构成 4*4=16 个按 键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别 越明显，比如再多加一条线就可以构成 20 键的键盘，而直接用端口 线则只能多出一键9 键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采 用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式键盘的按键识别方法 ：确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。行扫描法 行扫描法又称为逐行 或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，

28、如上图所示键盘，介绍过 程如下。判断键盘中有无键按下 将全部行线 Y0-Y3 置低电平，然后 检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按 下，而且闭合的键位于低电平线与 4 根行线相交叉的 4 个按键之 中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。 判断闭合键所在 的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方 法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它 线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线 的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的 按键就是闭合的按键。在本系统中键盘采用矩阵式键盘并采用中断工作方式。键盘为

29、4 X 4 键盘，包括 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、十个数字及确认 和清除键。采用中断工作方式提高了 CPU 的利用效率，没键按下时 没有中断请求，有键按下时，向CPU提出中断请求，CPU响应后执 行中断服务程序，在中断程序中才对键盘进行扫描。下图就是键盘 电路与AT89S52单片机接口电路图。图 3.8 键盘电路与 AT89S52 单片机接口电路图3.6 报警电路的设计当电路检测到称重的物体超过仪器的测量限制时，将产生一个 信号给报警电路。使报警电路报警从而提醒工作人员注意，超限报 警电路如图 3.9 所示。它是有 89S52 的 P2.6 口来控制的，当超过设置的重量时5Kg）

30、，通过程序使P2.6 口值为高电平，从而使三极管导通，报警 电路接通，使蜂鸣器SPEAKER发出报警声，同时使报警灯LED发 光。由于持续的声音不能够引起人们的关注，所以本系统的报警电 路采用间断的声音和频闪的灯光来实现。这一任务的实现主要靠程 序来完成，在此不再赘述。第四章 系统软件设计 程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要 有相应的步骤和方法。其步骤可概括为以下三点： 分析系统控制要求，确定算法：对复杂的问题进行具体的分 析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的 步骤。这是能否编制出高质量程序的关键。 根据算法画流程图：画程序框图可以把算法和解题步骤逐步

31、 具体化，以减少出错的可能性。编写程序：根据程序框图所表示的算法和步骤，选用适当的 指令排列起来，构成一个有机的整体，即程序。程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法。结构化程序 设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，特别是限制转向 语句（或指令的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、 下文顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错 误和易于修改、调试。根据系统的控制任务，本系统的软件设计主 要由主程序、初始化程序、显示子程序、数据采集子程序和延时程 序等组成。主程序设计量程标志。设计流程图如图4.1 所示。子程序设计系统子程序主要包括 A/D 转换启动及数据读取程序设计、键盘输入控制程序设计、显示程序设计、以及中断程序设计等。4.2.1 A/D 转换启动及数据读取程序设计A/D 转换子程序主要是指在系统开始运行时，把称重传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机所涉及到的程序设计。设计流程图如图4-2 所示。A/D 转换启动及数据读取程序流程图数制转换子程序设计在数制转换前要进行系数调整，在IN0输入的数