學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）多功能電子計(jì)價(jià)秤的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：陳勇指導(dǎo)教師：高飛所在學(xué)院：信息技術(shù)學(xué)院專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化中國·大慶2011 年 5 月黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)生姓名陳勇所在班級導(dǎo)師姓名高飛導(dǎo)師職稱講師論文題目Ö 多功能電子計(jì)價(jià)秤的設(shè)計(jì)題目分類1應(yīng)用與非應(yīng)用類：工程 科研 教學(xué)建設(shè) 理論分析 模擬2軟件與軟硬結(jié)合類：軟件硬件軟硬結(jié)合非軟硬件主要研究內(nèi)容及指標(biāo)：本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)及壓力傳感器。用壓力傳感器檢測壓力信號，通過單片機(jī)結(jié)合輸入的單價(jià)，進(jìn)行計(jì)算，顯示總量及總價(jià)，畫出完整的電路原理圖（包含電源部分）和PCB板圖。主要參考文獻(xiàn)：1 趙茂泰 智能儀器原理及應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社,2004 2 張毅剛 MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003 3 賈伯年,俞樸.傳感器技術(shù)M.東南大學(xué)出版社,2000 4 單成祥 傳感器理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用M.北京：國防工業(yè)出版社,1999 5 李道華,李玲，朱艷 傳感器電路分析與M.武漢：武漢大學(xué)出版社,2000 階段規(guī)劃：2010 年12 月 13日 至2010年12月28 日 系統(tǒng)分析準(zhǔn)備2010 年12 月 29日 至2010年01月12 日 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析2011 年03 月 01日 至2011年04月13 日 整理論文材料及論文撰寫2011 年04 月 14日 至2011年05月 21日 答辯準(zhǔn)備開題時(shí)間2010年12月28日完成論文時(shí)間2011年5月10日專業(yè)審定意見：系主任簽字：年 月 日摘要隨著微電子技術(shù)的應(yīng)用，市場上使用的傳統(tǒng)稱重工具已經(jīng)滿足不了人們的要求。為了改變傳統(tǒng)稱重工具在使用上存在的問題，在本設(shè)計(jì)中將智能化、自動(dòng)化、人性化用在了電子秤重的控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)主要由單片機(jī)來控制，測量物體重量部分由稱重傳感器及A/D轉(zhuǎn)換器組成，加上顯示單元，此電子秤俱備了功能多、性能價(jià)格比高、功耗低、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、使用方便直觀、速度快、測量準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。本系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為主控芯片，外圍附以稱重電路、顯示電路、報(bào)警電路、鍵盤電路等構(gòu)成智能稱重系統(tǒng)電路板，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱重系統(tǒng)的各種控制功能?？梢哉f,此設(shè)計(jì)所完成的電子秤很大程度上滿足了應(yīng)用需求。關(guān)鍵詞： SP20C-G501AT89S52A/D轉(zhuǎn)換器 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 apparatus's 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:SP20C-G501AT89S52 A / D converter目錄摘要IABSTRACTII前言IV1 緒論11.1 稱重技術(shù)和衡器的發(fā)展11.2 電子秤的組成11.3 設(shè)計(jì)思路32 系統(tǒng)方案論證與選型42.1 控制器部分42.2 數(shù)據(jù)采集部分52.3 顯示電路部分的選擇112.4 超量程報(bào)警部分選擇113 硬件電路設(shè)計(jì)123.1 AT89S52的最小系統(tǒng)電路123.2 電源電路設(shè)計(jì)153.3 數(shù)據(jù)采集部分電路設(shè)計(jì)163.4 顯示電路與AT89S52單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)213.5 鍵盤電路與AT89S52單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)233.6 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)244 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)254.1 主程序設(shè)計(jì)264.2 子程序設(shè)計(jì)27總結(jié)33參考文獻(xiàn)34致謝35附錄A：系統(tǒng)總圖36附錄：電源電路37附錄C：程序清單38附錄D：系統(tǒng)總圖PCB板圖49前言隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，出售商品品種的增加，需要稱量物品的設(shè)備也需要更新?lián)Q代，人們對稱重裝置的要求也越，電子稱重裝置推廣，從而進(jìn)入到傳感器，電子學(xué)和微處理機(jī)領(lǐng)域、使得稱重裝置變成為電子儀器。它的特點(diǎn)是：精確、智能、方便、明了、可靠，克服了傳統(tǒng)的桿秤、盤秤不精確、速度慢、不能計(jì)價(jià)、易作弊等缺點(diǎn)，在商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越多。稱重技術(shù)的突破是微處理機(jī)的應(yīng)用。稱重技術(shù)的這種發(fā)展是由于不僅要求獲得靜態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)，而且進(jìn)一步要求稱重工作的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)快速稱量，以及測量各種動(dòng)態(tài)參數(shù)，提高測量精度和各種數(shù)據(jù)的及時(shí)處理。這些精度、速度、性能和功能方面的要求是傳統(tǒng)的機(jī)械測量系統(tǒng)無法滿足的。也就是說、這種技術(shù)發(fā)展中的突破是必然的結(jié)果。電子稱重裝置出現(xiàn)于80年代初，隨著電子元器件集成化的迅速發(fā)展，隨著微處理機(jī)，單片機(jī)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)，產(chǎn)品價(jià)格的下降、電子稱重裝置在技術(shù)上的優(yōu)勢；多功能、高精度、操作方便等，使得不僅實(shí)驗(yàn)室的傳統(tǒng)稱量裝置已被電子稱重裝置所取代，這種趨勢已經(jīng)擴(kuò)展到工業(yè)和其他領(lǐng)域。本系統(tǒng)是針對自動(dòng)稱重、計(jì)算價(jià)格進(jìn)行了研究的。講述了用單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤輸入和數(shù)據(jù)顯示，對如何實(shí)現(xiàn)鍵盤中斷、A/D采樣進(jìn)行研究。著重討論了數(shù)據(jù)處理問題，結(jié)果表明利用軟件實(shí)現(xiàn)一系列功能使的性能價(jià)格比達(dá)最優(yōu)。設(shè)計(jì)特別適用于測量精度要求較高的場合, 具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。1 緒論1.1 稱重技術(shù)和衡器的發(fā)展稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視，作為一種計(jì)量手段，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個(gè)領(lǐng)域，與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計(jì)量器具，是國計(jì)民生、國防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計(jì)量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟(jì)效益的提高。稱重裝置不僅是提供重量數(shù)據(jù)的單體儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和管理的現(xiàn)代化，它起到了縮短作業(yè)時(shí)間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及加強(qiáng)企業(yè)管理、改善經(jīng)營管理等多方面的作用。稱重裝置的應(yīng)用已遍及到國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國都非常重視。50年代中期電子技術(shù)的滲入推動(dòng)了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現(xiàn)機(jī)電結(jié)合式電子衡器以來，經(jīng)過40多年的不斷改進(jìn)與完善，我國電子衡器從最初的機(jī)電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型?，F(xiàn)今電子衡器制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新發(fā)展。電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動(dòng)態(tài)稱重發(fā)展：計(jì)量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展；測量特點(diǎn)從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展，特別是對快速稱重和動(dòng)態(tài)稱重的研究與應(yīng)用。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計(jì)量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計(jì)量器具，是國計(jì)民生、國防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計(jì)量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟(jì)效益的提高。1.2 電子秤的組成 電子秤的基本結(jié)構(gòu)電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質(zhì)量（重量）的測量儀器，也可用來確定與質(zhì)量相關(guān)的其它量大小、參數(shù)、或特性。不管根據(jù)什么原理制成的電子秤均由以下三部分組成：（1）承重、傳力復(fù)位系統(tǒng) 它是被稱物體與轉(zhuǎn)換元件之間的機(jī)械、傳力復(fù)位系統(tǒng)，又稱電子秤的秤體，一般包括接受被稱物體載荷的承載器、秤橋結(jié)構(gòu)、吊掛連接部件和限位減振機(jī)構(gòu)等。(2)稱重傳感器即由非電量（質(zhì)量或重量）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它是把支承力變換成電的或其它形式的適合于計(jì)量求值的信號所用的一種輔助手段。按照稱重傳感器的結(jié)構(gòu)型式不同，可以分直接位移傳感器（電容式、電感式、電位計(jì)式、振弦式、空腔諧振器式等）和應(yīng)變傳感器（電阻應(yīng)變式、聲表面諧振式）或是利用磁彈性、壓電和壓阻等物理效應(yīng)的傳感器。對稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應(yīng)，并有良好的線性關(guān)系；有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態(tài)的影響要??；能在較差的工作條件下工作；有較好的頻響特性；穩(wěn)定可靠。(3)測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置即處理稱重傳感器信號的電子線路（包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電流源或電壓源、調(diào)節(jié)器、補(bǔ)嘗元件、保護(hù)線路等）和指示部件（如顯示、打印、數(shù)據(jù)傳輸和存貯器件等）。這部分習(xí)慣上稱載荷測量裝置或二次儀表。在數(shù)字式的測量電路中，通常包括前置放大、濾濾、運(yùn)算、變換、計(jì)數(shù)、寄存、控制和驅(qū)動(dòng)顯示等環(huán)節(jié)。電子秤的工作原理當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺上時(shí)，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系(一般成正比關(guān)系)的電信號(電壓或電流等)。此信號由放大電路進(jìn)行放大、經(jīng)濾波后再由模/數(shù)（A/D）器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號再送到微處器的CPU處理，CPU不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果送到內(nèi)存貯器，需要顯示時(shí)，CPU發(fā)出指令，從內(nèi)存貯器中讀出送到顯示器顯示，或送打印機(jī)打印。一般地信號的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換以及信號各種運(yùn)算處理都在儀表中完成。 電子秤的計(jì)量性能電子秤的計(jì)量性能涉及的主要技術(shù)指標(biāo)有：量程、分度值、分度數(shù)、準(zhǔn)確度等級等。（1）量程：電子衡器的最大稱量Max，即電子秤在正常工作情況下，所能稱量的最大值。（2）分度值：電子秤的測量范圍被分成若干等份，每份值即為分度值。用e或d來表示。（3）分度數(shù)：衡器的測量范圍被分成若干等份，總份數(shù)即為分度數(shù)用n表示。電子衡器的最大稱量Max可以用總分度數(shù)n與分度值d的乘積來表示，即Max = n d（4）準(zhǔn)確度等級國際法制計(jì)量組織把電子秤按不同的分度數(shù)分成、四類等級，分別對應(yīng)不同準(zhǔn)確度的電子秤和分度數(shù)n的范圍，如下表1所示：表1電子秤等級分類標(biāo)志及等級電子秤種類分度數(shù)范圍特種準(zhǔn)確度基準(zhǔn)衡器n > 100 000高準(zhǔn)確度精密衡器10 000 < n 100 000中準(zhǔn)確度商業(yè)衡器1 000 < n 10 000普通準(zhǔn)確度粗衡器100 < n 1 0001.3設(shè)計(jì)思路目前,臺式電子秤在商業(yè)貿(mào)易中的使用已相當(dāng)普遍,但存在較大的局限性：體積大、成本高、需要工頻交流電源供應(yīng)、攜帶不便、應(yīng)用場所受到制約。現(xiàn)有的便攜秤為桿秤或以彈簧、拉伸變形來實(shí)現(xiàn)計(jì)量的彈簧秤,居民用戶使用的基本是桿秤。彈簧盤秤制造工藝要求較高,彈簧的疲勞問題無法徹底解決,一旦超過彈簧彈性限度,彈簧秤就會產(chǎn)生很大誤差,以至損壞,影響到稱重的準(zhǔn)確性和可靠性,只是一種暫時(shí)的代用品,也被列入逐漸取消的行列。微控制器技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子產(chǎn)品的更新速度達(dá)到了日新月異的地步。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，除了能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能外，還增加了打印和通訊功能，可以實(shí)現(xiàn)和其他機(jī)器或設(shè)備（包括上位PC機(jī)和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備）交換數(shù)據(jù).除此之外，系統(tǒng)的微控制器部分選擇了兼容性比較好的AT89系列單片機(jī)，在系統(tǒng)更新?lián)Q代的時(shí)候，只需要增加很少的硬件電路，甚至僅僅刪改系統(tǒng)控制程序就能夠?qū)崿F(xiàn)。另外由于實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，稱可以有一定量的過載，但不能超出要求的范圍，為此我們還設(shè)計(jì)了過載提示和聲光報(bào)警功能。綜上所述,本課題的主要設(shè)計(jì)思路是：利用壓力傳感器采集因壓力變化產(chǎn)生的電壓信號，經(jīng)過電壓放大電路放大，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后把數(shù)字信號送入單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)過相應(yīng)的處理后，得出當(dāng)前所稱物品的重量及總額，然后再顯示出來。此外，還可通過鍵盤設(shè)定所稱物品的價(jià)格。主要技術(shù)指標(biāo)為：稱量范圍05kg;分度值0.01kg;精度等級級;電源DC1.5V（一節(jié)5號電池供電）。這種高精度智能電子秤體積小、計(jì)量準(zhǔn)確、攜帶方便,集質(zhì)量稱量功能與價(jià)格計(jì)算功能于一體,能夠滿足商業(yè)貿(mào)易和居民家庭的使用需求。2 系統(tǒng)方案論證與選型按照本設(shè)計(jì)功能的要求，系統(tǒng)由6個(gè)部分組成：控制器部分、測量部分、報(bào)警部分、數(shù)據(jù)顯示部分、鍵盤部分、和電路電源部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖1所示。圖1設(shè)計(jì)思路框圖測量部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號，得到微弱的電信號（本設(shè)計(jì)為電壓信號），而后經(jīng)處理電路（如濾波電路，差動(dòng)放大電路，）處理后，送A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出?？刂破鞑糠纸邮軄碜訟/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號，并將其存儲到存儲單元中?？刂破鬟€可以通過對擴(kuò)展I/O的控制，對鍵盤進(jìn)行掃描，而后通過鍵盤散轉(zhuǎn)程序，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)顯示功能。2.1控制器部分本設(shè)計(jì)由于要求必須使用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器,而且以單片機(jī)為主控制器的設(shè)計(jì)，可以容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測量控制系統(tǒng)”。這種新型的智能儀表在測量過程自動(dòng)化、測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進(jìn)展。再則由于系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，又考慮到本設(shè)計(jì)中程序部分比較大，根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)的分析，設(shè)計(jì)這樣一個(gè)簡單的的系統(tǒng)，可以選用帶EPROM的單片機(jī)，由于應(yīng)用程序不大，應(yīng)用程序直接存儲在片內(nèi)，不用在外部擴(kuò)展存儲器，這樣電路也可簡化。INTEL公司的8051和8751都可使用，在這里選用ATMENL生產(chǎn)的AT89SXX系列單片機(jī)。AT89SXX系列與MCS-51相比有兩大優(yōu)勢：第一，片內(nèi)存儲器采用閃速存儲器，使程序?qū)懭敫臃奖悖坏诙?，提供了更小尺寸的芯片，使整個(gè)硬件電路體積更小。此外價(jià)格低廉、性能比較穩(wěn)定的MCPU，具有8K×8ROM、256×8RAM、2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、4個(gè)8位I/O接口。這些配置能夠很好地實(shí)現(xiàn)本儀器的測量和控制要求最后我們最終選擇了AT89S52這個(gè)比較常用的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。AT89S52內(nèi)部帶有8KB的程序存儲器，基本上已經(jīng)能夠滿足我們的需要。2.2 數(shù)據(jù)采集部分電子秤的數(shù)據(jù)采集部分主要包括稱重傳感器、處理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，因此對于這部分的論證主要分三方面 傳感器的選擇在設(shè)計(jì)中,傳感器是一個(gè)十分重要的元件,因此對傳感器的選擇也顯的特別的重要,不僅要注意其量程和參數(shù),還有考慮到與其相配置的各種電路的設(shè)計(jì)的難以程度和設(shè)計(jì)性價(jià)比等等.傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個(gè)數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最大偏載及動(dòng)載等因素綜合評價(jià)來確定。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個(gè)傳感器的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高。但在實(shí)際使用時(shí)，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動(dòng)沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時(shí)，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。傳感器量程的計(jì)算公式是在充分考慮到影響秤體的各個(gè)因素后，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)而確定的。其公式如下：CK0×K1×K2×K3×(WmaxW)/N （2-0）C單個(gè)傳感器的額定量程；W秤體自重；Wmax被稱物體凈重的最大值；N秤體所采用支撐點(diǎn)的數(shù)量；K0保險(xiǎn)系數(shù)，一般取值在1.21.3之間；K1沖擊系數(shù)；K2秤體的重心偏移系數(shù)；K3風(fēng)壓系數(shù)。本設(shè)計(jì)要求稱重范圍05kg，重量誤差不大于0.01kg，根據(jù)傳感器量程計(jì)算公式（2-0）可知：C1.25×1×1.03×1×（201.9）1 (2-1)9.01205為保證電子秤稱量結(jié)果的準(zhǔn)確度，克服傳感器在低量程段線性度差的缺點(diǎn)。傳感器的量程應(yīng)根據(jù)皮帶秤的最大流量來選擇。在實(shí)際工作中，要求稱重傳感器的有效量程在20%80%之間，線性好，精度高。重量誤差應(yīng)控制在±0.01Kg，又考慮到秤臺自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，根據(jù)式2.1的計(jì)算結(jié)果，所以我們確定傳感器的額定載荷為7.5Kg，允許過載為150%F.S，精度為0.05%，最大量程時(shí)誤差0.01kg，可以滿足本系統(tǒng)的精度要求.綜合考慮,本設(shè)計(jì)采用SP20C-G501電阻應(yīng)變式傳感器,其最大量程為7.5 Kg.稱重傳感器由組合式S型梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計(jì)構(gòu)成，具有過載保護(hù)裝置。由于惠斯登電橋具諸如抑制溫度變化的影響，抑制干擾，補(bǔ)償方便等優(yōu)點(diǎn)，所以該傳感器測量精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜態(tài)測量及各種電子秤的一次儀表。該稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，其工作原理如圖2所示： 圖2 稱重傳感器原理圖表2 壓力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)名稱單位范圍準(zhǔn)確度等級 Accuracy classC3 0.02 0.03額定載荷Rated loadkg1、2.5、5、7.5、10、15靈敏度 SensitivitymV/V1.8±0.08非線性 Nonlinearity%F.S.±0.02滯后 Hysteresis0.02重復(fù)性 Repeatability0.02蠕變 Creep%F.S./30min±0.02蠕變恢復(fù) creep recovery零點(diǎn)輸出 Zero balance%F.S.±1零點(diǎn)溫度系數(shù) Zero temperature coefficient%F.S./10±0.02額定輸出溫度系數(shù)Rated output temperature coefficien輸入電阻 Input resistance415445輸出電阻 Output resistance349355絕緣電阻 Insulation resistanceM5000供橋電壓 Supply voltageV12（DC/AC）溫度補(bǔ)償范圍 Temperature compensation range-10+50允許溫度范圍 Safe temperature range-20+60其測量原理：用應(yīng)變片測量時(shí)，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。由于內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號電壓可由下式給出： （2-2）放大電路選擇稱重傳感器輸出電壓振幅范圍020mV。而A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求為02V，因此放大環(huán)節(jié)要有100倍左右的增益。對放大環(huán)節(jié)的要求是增益可調(diào)的（70150倍），根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況增益設(shè)為100倍即可，零點(diǎn)和增益的溫度漂移和時(shí)間漂移極小。按照輸入電壓20mV，分辨率20000碼的情況，漂移要小于1µV。由于其具有極低的失調(diào)電壓的溫漂和時(shí)漂（±1µV），從而保證了放大環(huán)節(jié)對零點(diǎn)漂移的要求。殘余的一點(diǎn)漂移依靠軟件的自動(dòng)零點(diǎn)跟蹤來徹底解決。穩(wěn)定的增益量可以保證其負(fù)反饋回路的穩(wěn)定性，并且最好選用高阻值的電阻和多圈電位器。由中稱重傳感器的稱量原理可知，電阻應(yīng)變片組成的傳感器是把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成R/R，而應(yīng)變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應(yīng)變片電阻值120，靈敏系數(shù) K=2，彈性體在額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000，應(yīng)變電阻相對變化量為：R/R = K×= 2×1000×106 =0.002 （2-3）由式2-3可以看出電阻變化只有0.24，其電阻變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變計(jì)的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，但是這個(gè)電壓或電流信號很小，需要增加增益放大電路來把這個(gè)電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成可以被A/D轉(zhuǎn)換芯片接收的信號。在前級處理電路部分，我們考慮可以采用以下幾種方案：方案一、利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成前級處理電路；普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級放大器會引入大量噪聲。由于A/D轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此種方案不宜采用。方案二、主要由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器，而構(gòu)成的前級處理電路；差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放(如OP07)做成一個(gè)差動(dòng)放大器。其設(shè)計(jì)電路如圖3所示：方案（三）：采用專用儀表放大器，如：INA126，INA121等構(gòu)成前級處理電路。下面舉例用INA128儀用儀表放大器來實(shí)現(xiàn)。圖3 利用普通運(yùn)放設(shè)計(jì)的差動(dòng)放大器一般說來，集成化儀用放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中都是把集成化儀器放大器作為前置放大器。然而，絕大多數(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：增益越高，共模抑制比越大。而集成化儀器放大器作為心電前置放大器時(shí)，由于極化電壓的存在，前置放大器的增益只能在幾十倍以內(nèi)，這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時(shí)的共模抑制比不可能很高。有學(xué)者試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)，但由于信號源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴(yán)重地?fù)p害了放大器的性能。 為了實(shí)現(xiàn)信號的放大，設(shè)計(jì)電路如下：圖4 采用INA128設(shè)計(jì)的放大電路1. 前級采用運(yùn)放A1和A2組成并聯(lián)型差動(dòng)放大器。理論上不難證明，在運(yùn)算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動(dòng)放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大。更值得一提的是，在理論上并聯(lián)型差動(dòng)放大器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無關(guān)。 2 阻容耦合電路放在由并聯(lián)型差動(dòng)放大器構(gòu)成的前級放大器和由儀器放大器構(gòu)成的后級放大器之間，這樣可為后級儀器放大器提高增益，進(jìn)而提高電路的共模抑制比提供了條件。同時(shí)，由于前置放大器的輸出阻抗很低，同時(shí)又采用共模驅(qū)動(dòng)技術(shù)，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對稱（匹配）導(dǎo)致的共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生。 3. 后級電路采用廉價(jià)的儀器放大器，將雙端信號轉(zhuǎn)換為單端信號輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級的儀器放大器可以做到很高的增益，進(jìn)而得到很高的共模抑制比。 從理論上計(jì)算整個(gè)電路的共模抑制比為： CMRTotal=CMR1×CMR2=A1d/A1c×A2d/A2c=A1d/1×CMR2=A1d×CMR2或CMRRTotal=20lgA1d+CMR2式中：CMRTotal或CMRRTotal放大器的總共模抑制比；CMR1第一級放大器的共模抑制比；CMR2或CMRR2第二級放大器的共模抑制比；A1d、A1c、A2d和A2c分別為第一級放大器和第二級放大器的差模增益和共模增益。 經(jīng)過實(shí)際測量，圖3所示的電路采用上式中所給出的參數(shù)時(shí)，電路的共模抑制比在120dB以上。有以上分析以及基于電子秤的要求精確度不是很高，所以選擇由普通放大器所組成的差動(dòng)放大器作為本設(shè)計(jì)的信號放大電路。2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇A/D轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這一部分處理不好，會使得整個(gè)設(shè)計(jì)毫無意義。目前，世界上有多種類型的ADC，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型ADC，也有近年來新發(fā)展起來的-型和流水線型ADC，多種類型的ADC各有其優(yōu)缺點(diǎn)并能滿足不同的具體應(yīng)用要求。目前， ADC集成電路主要有以下幾種類型：（1）并行比較A/D轉(zhuǎn)換器：如ADC0808、 ADC0809等。并行比較ADC是現(xiàn)今速度最快的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率在1GSPS以上，通常稱為“閃爍式”ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四種分組成。這種結(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換同時(shí)完成，其轉(zhuǎn)換時(shí)間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時(shí)間延遲等。缺點(diǎn)是：并行比較式A/D轉(zhuǎn)換的抗干擾能力差，由于工藝限制，其分辨率一般不高于8位，因此并行比較式A/D只適合于數(shù)字示波器等轉(zhuǎn)換速度較快的儀器中，不適合本系統(tǒng)。(2）逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型ADC是應(yīng)用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，這一類型ADC的優(yōu)點(diǎn)：高速，采樣速率可達(dá) 1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當(dāng)?shù)?；在分辨率低?2位時(shí)，價(jià)格較低。缺點(diǎn)：在高于14位分辨率情況下，價(jià)格較高；傳感器產(chǎn)生的信號在進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要進(jìn)行調(diào)理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。(3）積分型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，是應(yīng)用比較廣泛的一類轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔。與此同時(shí)，在此時(shí)間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。積分型ADC兩次積分的時(shí)間都是利用同一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和計(jì)數(shù)器來確定，因此所得到的表達(dá)式與時(shí)鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強(qiáng)的抑制能力。若把積分器定時(shí)積分的時(shí)間取為工頻信號的整數(shù)倍，可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而有效地抑制電網(wǎng)的工頻干擾。這類ADC主要應(yīng)用于低速、精密測量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表。其優(yōu)點(diǎn)是：分辨率高，可達(dá)22位；功耗低、成本低。缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在12位時(shí)為100300SPS。     (4 ）壓頻變換型ADC：如：AD574等。其優(yōu)點(diǎn)是：精度高、價(jià)格較低、功耗較低。缺點(diǎn)是：類似于積分型ADC，其轉(zhuǎn)換速率受到限制，12位時(shí)為100300SPS。 考慮到本系統(tǒng)中對物體重量的測量和使用的場合，精度要求不是很苛刻，轉(zhuǎn)換速率要求也不高，而雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器精度高，具有精確的差分輸入，重要的是輸入阻抗高（大于），可自動(dòng)調(diào)零，有超量程信號輸出，全部輸出于TTL電平兼容。且雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。對正負(fù)對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50Hz的工頻干擾抑制能力較強(qiáng)，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。 根據(jù)系統(tǒng)的精度要求以及綜合的分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574 鍵盤處理部分方案論證由于電子秤需要設(shè)置單價(jià)（十個(gè)數(shù)字鍵），還具有確認(rèn)、刪除等功能，總共需設(shè)置17個(gè)鍵（包括一個(gè)復(fù)位鍵）。鍵盤的擴(kuò)展有使用以下方案：采用矩陣式鍵盤：矩陣式鍵盤的特點(diǎn)是把檢測線分成兩組，一組為行線，一組列線，按鍵放在行線和列線的交叉點(diǎn)上。圖5給出了一個(gè)4×4的矩陣鍵盤結(jié)構(gòu)的鍵盤接口電路，圖中的每一個(gè)按鍵都通過不同的行線和列線與主機(jī)相連這。4×4矩陣式鍵盤共可以安裝16個(gè)鍵，但只需要8條測試線。當(dāng)鍵盤的數(shù)量大于8時(shí)，一般都采用矩陣式鍵盤。S13S9S5S1S2S3S4S6S7S8S10S11S12S14S15S16圖5 矩陣式鍵盤結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，16個(gè)按鍵使用4×4矩陣式鍵盤，另外一個(gè)復(fù)位鍵使用獨(dú)立式按鍵實(shí)現(xiàn)。2.3顯示電路部分的選擇數(shù)據(jù)顯示是電子秤的一項(xiàng)重要功能，是人機(jī)交換的主要組成部分，它可以將測量電路測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過微處理器處理后直觀的顯示出來。數(shù)據(jù)顯示部分可以有以下兩種方案供選擇。的組成有以下兩種方案可供選擇：一是 LED數(shù)碼管顯示,二是LCD液晶顯示兩種選擇. LCD液晶顯示器是一種極低功耗顯示器，從電子表到計(jì)算器，從袖珍時(shí)儀表到便攜式微型計(jì)算機(jī)以及一些文字處理機(jī)都廣泛利用了液晶顯示器。2.4超量程報(bào)警部分選擇智能儀器一般都具有報(bào)警和通訊功能，報(bào)警主要用于系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)、當(dāng)測量的數(shù)據(jù)超過儀表量程或者是超過用戶設(shè)置的上下限時(shí)為提醒用戶而設(shè)置。在本系統(tǒng)中，設(shè)置報(bào)警的目的就是在超出電子秤測量范圍時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號，提示用戶，防止損壞儀器。超限報(bào)警電路是由單片機(jī)的I/O口來控制的，當(dāng)稱重物體重量超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)所允許的重量時(shí)，通過程序使單片機(jī)的I/O值為高電平，從而三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器SPEAKER發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)使報(bào)警燈D1發(fā)光。3 硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)思路，此電路由一塊AT89S52、按鍵輸入電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、LCD顯示段碼驅(qū)動(dòng)電路、LCD顯示位碼驅(qū)動(dòng)電路、12位LCD顯示器電路、蜂鳴器電路。A/D轉(zhuǎn)換電路壓力傳感器放大電路單片機(jī)16個(gè)鍵盤輸入電路復(fù)位電路LCD1602顯示電路時(shí)鐘電路蜂鳴器電路圖6 硬件電路設(shè)計(jì)框圖在本系統(tǒng)中用于稱量的主要器件是稱重傳感器（一次變換元件），稱重傳感器在受到壓力或拉力時(shí)會產(chǎn)生電信號，受到不同壓力或拉力是產(chǎn)生的電信號也隨著變化，而且力與電信號的關(guān)系一般為線性關(guān)系。由于稱重傳感器一般的輸出范圍為020mV，對A/D轉(zhuǎn)換或單片機(jī)的工作參數(shù)來說不能使A/D轉(zhuǎn)換和單片機(jī)正常工作，所以需要對輸出的信號進(jìn)行放大。由于傳感器輸出的為模擬信號，所以需要對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便單片機(jī)接收。單片機(jī)根據(jù)稱重傳感器輸出的電信號和速度傳感器輸出的速度信號計(jì)算出物體的重量。在本系統(tǒng)中，硬件電路的構(gòu)成主要有以下幾部分： AT89C52的最小系統(tǒng)構(gòu)成、電源電路、數(shù)據(jù)采集、人-機(jī)交換電路等。3.1 AT89S52的最小系統(tǒng)電路單片機(jī)芯片AT89S52介紹單片機(jī)采用MCS-51系列單片機(jī)。由ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。而且，它還具有一個(gè)看門狗（WDT）定時(shí)/計(jì)數(shù)器，如果程序沒有正常工作，就會強(qiáng)制整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，還可以在程序陷入死循環(huán)的時(shí)候，讓單片機(jī)復(fù)位而不用整個(gè)系統(tǒng)斷電，從而保護(hù)你的硬件電路。AT89S52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。其芯片引腳圖如下圖7所示。圖7 AT89S52引腳圖.單片機(jī)管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示：表3 P3.0口引腳功能表P3口引腳第二功能P3.0RXD（串行口輸入）P3.1TXD（串行口輸出）P3.2INT0（外部中斷0輸入）P3.3INT1（外部中斷1輸入）P3.4T0（定時(shí)器0外部脈沖輸入）P3.5T1（定時(shí)器1外部脈沖輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖輸出）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖輸出）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.1.3 AT89S52的最小系統(tǒng)電路構(gòu)成AT89S52單片機(jī)的最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路及單片機(jī)構(gòu)成。單片機(jī)的時(shí)鐘信號用來提供單片機(jī)片內(nèi)各種操作的時(shí)間基準(zhǔn)，復(fù)位操作則使單片機(jī)的片內(nèi)電路初始化，使單片機(jī)從一種確定的初態(tài)開始運(yùn)行。單片機(jī)的時(shí)鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。當(dāng)MCS-5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。上電或開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，并且在單片機(jī)運(yùn)行期間，用開關(guān)操作也能使單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計(jì)數(shù)器PC0000H，這表明程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。系統(tǒng)復(fù)位是任何微機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個(gè)控制芯片回到默認(rèn)的硬件狀態(tài)下。51單片機(jī)的復(fù)位是由RESET引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個(gè)振蕩周期后，51單片機(jī)即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到RESET引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。3.2 電源電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)需要，本系統(tǒng)中需要設(shè)計(jì)兩種不同級別的電源，即傳感器需要+12V的電源，而系統(tǒng)其他芯片使用的是5V電源。考慮本次設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，提高產(chǎn)品的性價(jià)比，電源電路的 設(shè)計(jì)決定采用如下方案：圖8 電源電路圖220V的交流電經(jīng)過變壓器后輸出15V的電壓，經(jīng)整流濾波電路后， 通過LM7812和LM7905進(jìn)行DC/DC變換得到12V和+5V、-5V供器和系統(tǒng)的其他芯片使用。在變壓器的原邊加入熔斷保護(hù)裝置和MFC網(wǎng)絡(luò)，使得系統(tǒng)獲得的電源更穩(wěn)定，效果更好，且電路短路時(shí)，熔斷裝置會迅速切斷電源，保護(hù)其他電路元件不被損壞，供電電路如圖8所示。3.3 數(shù)據(jù)采集部分電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集部分電路包括傳感器輸出信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口電路。 傳感器和其外圍以及放大電路設(shè)計(jì)傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實(shí)際工作環(huán)境，這點(diǎn)對正確使用傳感器至關(guān)重要，它關(guān)系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個(gè)衡器的可靠性和安全性。因此傳感器外圍電路的抗干擾能力是數(shù)據(jù)采集部分電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?，由于惠斯登電橋具有很多?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，又因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵消，所以在本設(shè)計(jì)中選用最終方案我們選擇的是上海開沐自動(dòng)化生產(chǎn)的NS-TH1系列稱重傳感器，額定載荷20Kg，該稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。由于傳感器輸出的電壓信號很小，是mV級的電壓信號，因此為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在傳感器外圍電路的設(shè)計(jì)過程中，增加了由普通運(yùn)放設(shè)計(jì)的差動(dòng)放大器增益調(diào)節(jié)電阻Rg選用10K 電阻，是為了滿足系統(tǒng)抗干擾的要求而設(shè)計(jì)。其電路圖如9所示。圖9 傳感器和其外圍電路圖這是一個(gè)電阻應(yīng)變片式稱重傳感器，將電阻應(yīng)變片貼在金屬的彈性體（即力敏感器）上，并連接成一差動(dòng)全橋電路。電阻應(yīng)變片實(shí)心軸沿軸向線應(yīng)變?yōu)椋海?-1）實(shí)心軸沿圓周向線應(yīng)變?yōu)椋海?-2）金屬材料的電阻相對變化公式為：（3-3）把3-1、3-1代入3-3可以得到其輸出電壓為： （3-4）其中F為壓力（即重物重量）A為受力面積E為彈性材料的彈性模量。如果在電阻的兩側(cè)都加入應(yīng)變片，則其輸出為（3-5）SP20C-G501的輸出電壓為1-5V相應(yīng)壓力為1-50KPa。供電電流變動(dòng)會直接影響傳感器的輸出電壓，因此希望電流變動(dòng)要小。此外，增大或減小驅(qū)動(dòng)電流可調(diào)整輸出電壓，但電流過小，輸出電壓降低同時(shí)抗噪聲能力減弱；電流過大，會使傳感器發(fā)熱等，將對傳感器特性影響加大。因此在電路中使用1mA的驅(qū)動(dòng)電流。即使用的電流為1mA左右。電路中，采用通用運(yùn)算放大器LM324，由穩(wěn)態(tài)二極管VS提供2.5V的輸出電壓經(jīng)電阻R2和R3分壓得到基準(zhǔn)電壓，作為運(yùn)放A1輸入電壓，并供給1mA的電流。傳感器的驅(qū)動(dòng)電流流過基準(zhǔn)電阻R4，其上的壓降等于輸入電壓。R13和R14為失調(diào)電壓的溫度補(bǔ)償電阻，阻值選擇500k-1.5M。輸入采用高輸入阻抗的差動(dòng)輸入方式，再有差動(dòng)放大器電路進(jìn)行放大，輸出1-5V的電壓。RP2用于調(diào)整電路輸入的靈敏度，RP1用于失調(diào)電壓的調(diào)整，調(diào)整時(shí)，壓力為0KPa時(shí)輸出電壓為1V，調(diào)整RP1，當(dāng)壓力為達(dá)到20Kg的力時(shí)，輸出電壓為5V即可。而有式(3-5)得三運(yùn)放放大電路的輸出信號與輸入信號的關(guān)系式為：（3-6）通過上式可以看出，放大系數(shù)為（3-7）代入數(shù)值可以計(jì)算出，其放大系數(shù)在70150之間，完全符合設(shè)計(jì)要求。有(3-6)可以得到電橋輸入電壓U0與被測重量x成正比，即（3-8）式中：電橋的電源電壓傳感器系數(shù)3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片與AT89S52單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)AD574是美國Analog Device公司生產(chǎn)的12位單片A/D轉(zhuǎn)換器。它采用逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為25us，轉(zhuǎn)換精度為0.05%，所以適合于高精度的快速轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)。芯片內(nèi)部包含微處理器借口邏輯（有三態(tài)輸出緩沖器），故可直接與各種類型的8位或者16位的微處理器連接，而無需附加邏輯接口電路，切能與CMOS及TTL電路兼容。AD574采用28腳雙列直插標(biāo)準(zhǔn)封裝，其引腳圖如下:圖10 AD574管腳圖A/D574有5根控制線，邏輯控制輸入信號有：A0：字節(jié)選擇控制信號。CE：片啟動(dòng)信號。/CS：片選信號。當(dāng)/CS=0，CE=1同時(shí)滿足時(shí)，AD574才處于工作狀態(tài)，否則工作被禁止。R/-C：讀數(shù)據(jù)/轉(zhuǎn)換控制信號。12/-8：數(shù)據(jù)輸出格式選擇控制信號。當(dāng)其為高電平時(shí)，對應(yīng)12位并行輸出；為低電平時(shí)，對應(yīng)8位輸出。當(dāng)R/-C=0，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換：當(dāng)A0=0，啟動(dòng)12位A/D轉(zhuǎn)換方式；當(dāng)A0=1，啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)換方式。當(dāng)R/-C=1，數(shù)據(jù)輸出，A0=0時(shí)，高8位數(shù)據(jù)有效；A0=1時(shí)，低4位數(shù)據(jù)有效，中間4位為0，高4位為三態(tài)。輸出信號有：STS：工作狀態(tài)信號線。當(dāng)啟動(dòng)A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，STS為高電平；當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為低電平。則可以利用此線驅(qū)動(dòng)一信號二極管的亮滅，從而表示是否處于A/D轉(zhuǎn)換。其它管腳功能如下：10VANG,20V ANG：模擬量輸入端，分別為10V和20V量程的輸入端，信號的另一端接至AGND。DB11DB0：12位數(shù)字量輸出端，送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。REF OUT ：10V內(nèi)部參考電壓輸出端。REF IN ：內(nèi)部解碼網(wǎng)絡(luò)所需參考電壓輸入端。BIP OFF ：補(bǔ)償校正端，接至正負(fù)可調(diào)的分壓網(wǎng)絡(luò)，0輸入時(shí)調(diào)整數(shù)字輸出為0；AGND：接模擬地。DGND：接數(shù)字地。由于對AD574 8、10、12引腳的外接電路有不同連接方式，所以AD574與單片機(jī)的接口方案有兩種，一種是單極性接法，可實(shí)現(xiàn)輸入信號010V或者020V的轉(zhuǎn)換；另一種為雙極性接法，可實(shí)現(xiàn)輸入信號-5+5V或者-10+10V之間轉(zhuǎn)換。我們采用單極性接法，電路接線圖如下11所示:圖11 AD574與AT89S52的接線圖根據(jù)芯片管腳的原理，無論啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換還是結(jié)果輸出，都要保證CE端為高電平，所以可以將單片機(jī)的/RD引腳和/WR端通過與非門與AD574的CE端連接起來。轉(zhuǎn)換結(jié)果分高8位、低4位與P0口相連，分兩次讀入，所以12/-8端接地。同時(shí)，為了使CS、A0、R/-C在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)保持相應(yīng)的電平，可以將來自單片機(jī)的控制信號經(jīng)74LS373鎖存后再接入。CPU可采用中斷、查詢或者程序延時(shí)等方式讀取AD574的轉(zhuǎn)換結(jié)果，本設(shè)計(jì)采用中斷方式，則將轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)STS端接到P3.2（外部中斷/INT0）。其工作過程如下：A.當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行對外部數(shù)據(jù)存儲器的寫指令，并使CE=1，/CS=0，R/-C=0，A0時(shí)，進(jìn)行12位A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。B.CPU等待STS狀態(tài)信號送P3.2口，當(dāng)STS由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，就表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機(jī)通過分兩次讀外部數(shù)據(jù)存儲器操作，讀取12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。C.當(dāng)CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=0時(shí)，讀取高8位；當(dāng)CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=1時(shí)，讀取低4位。 測量算法 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果D與被測量x存在以下關(guān)系： （3-9）式中：S傳感器及其測量電路的靈敏度（即被測量X轉(zhuǎn)換成電壓U的轉(zhuǎn)換系數(shù)） K放大器的放大倍數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器滿量程輸入電壓A/D轉(zhuǎn)換器滿量程輸出數(shù)字而被測量X總是以其測量數(shù)字N和測量單位x1表示（3-10）將式（3-10）代入（3-9）得（3-11）由上式可見只要滿足以下條件（3-12）就可以使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果D與被測量x的數(shù)值N相等，即D=N，在這種情況下將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果作為被測量的數(shù)值傳送到顯示器顯示出來。3.4顯示電路與AT89S52單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)在2.3顯示電路論證中，本設(shè)計(jì)采用是LCD顯示。顯示模塊選用1602字符型液晶模塊，是目前工控系統(tǒng)中使用最為廣泛的液晶屏之一。1602字符型液晶模塊是點(diǎn)陣型液晶，驅(qū)動(dòng)方便，經(jīng)編碼后顯示內(nèi)容多樣化。系統(tǒng)的輸入模塊采用中斷掃描的4×4矩陣鍵盤，相比定時(shí)掃描方式，提高了MCU的使用效率。1602液晶顯示模塊電路原理圖如圖12所示：圖12 1602液晶顯示電路在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計(jì)算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口 、體積小、重量輕 、功耗低 、 1602LCD 主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量:16×2 個(gè)字符