1、學士學位畢業設計（論文）多功能電子計價秤的設計學生姓名：陳勇指導教師：高飛所在學院：信息技術學院專 業：電氣工程及其自動化中國·大慶2011 年 5 月黑龍江八一農墾大學本科畢業設計（論文）任務書學生姓名陳勇所在班級導師姓名高飛導師職稱講師論文題目Ö 多功能電子計價秤的設計題目分類1應用與非應用類：工程 科研 教學建設 理論分析 模擬2軟件與軟硬結合類：軟件硬件軟硬結合非軟硬件主要研究內容及指標：本設計利用單片機及壓力傳感器。用壓力傳感器檢測壓力信號，通過單片機結合輸入的單價，進行計算，顯示總量及總價，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：1 趙茂

2、泰 智能儀器原理及應用M.北京：電子工業出版社,20042 張毅剛 MCS-51單片機應用設計M.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,20033 賈伯年,俞樸.傳感器技術M.東南大學出版社,20004 單成祥 傳感器理論設計基礎及其應用M.北京：國防工業出版社,19995 李道華,李玲，朱艷 傳感器電路分析與M.武漢：武漢大學出版社,2000 階段規劃：2010年12月13日 至2010年12月28日系統分析準備2010年12月29日 至2010年01月12日系統設計分析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

3、辯準備開題時間2010年12月28日完成論文時間2011年5月10日專業審定意見：系主任簽字：年 月 日摘要隨著微電子技術的應用，市場上使用的傳統稱重工具已經滿足不了人們的要求。為了改變傳統稱重工具在使用上存在的問題，在本設計中將智能化、自動化、人性化用在了電子秤重的控制系統中。本系統主要由單片機來控制，測量物體重量部分由稱重傳感器及A/D轉換器組成，加上顯示單元，此電子秤俱備了功能多、性能價格比高、功耗低、系統設計簡單、使用方便直觀、速度快、測量準確、自動化程度高等特點。本系統以AT89S52單片機為主控芯片，外圍附以稱重電路、顯示電路、報警電路、鍵盤電路等構成智能稱重系統電路板，從而實現自

4、動稱重系統的各種控制功能。可以說,此設計所完成的電子秤很大程度上滿足了應用需求。關鍵詞： SP20C-G501AT89S52A/D轉換器 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

5、, 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

6、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 cloc

7、k 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-G501AT89S52A / D converter目錄摘要IABSTRACTII前言IV1 緒論11.1 稱重技

8、術和衡器的發展11.2 電子秤的組成11.3 設計思路32 系統方案論證與選型42.1 控制器部分42.2 數據采集部分52.3 顯示電路部分的選擇112.4 超量程報警部分選擇113 硬件電路設計123.1 AT89S52的最小系統電路123.2 電源電路設計153.3 數據采集部分電路設計163.4 顯示電路與AT89S52單片機接口電路設計213.5 鍵盤電路與AT89S52單片機接口電路設計233.6 報警電路的設計244 系統軟件設計254.1 主程序設計264.2 子程序設計27總結33參考文獻34致謝35附錄A：系統總圖36附錄：電源電路37附錄C：程序清單38附錄D：系統總圖P

9、CB板圖49前言隨著科學技術和經濟的發展，出售商品品種的增加，需要稱量物品的設備也需要更新換代，人們對稱重裝置的要求也越，電子稱重裝置推廣，從而進入到傳感器，電子學和微處理機領域、使得稱重裝置變成為電子儀器。它的特點是：精確、智能、方便、明了、可靠，克服了傳統的桿秤、盤秤不精確、速度慢、不能計價、易作弊等缺點，在商業領域應用越來越多。稱重技術的突破是微處理機的應用。稱重技術的這種發展是由于不僅要求獲得靜態稱重數據，而且進一步要求稱重工作的自動化，實現快速稱量，以及測量各種動態參數，提高測量精度和各種數據的及時處理。這些精度、速度、性能和功能方面的要求是傳統的機械測量系統無法滿足的。也就是說、這

10、種技術發展中的突破是必然的結果。電子稱重裝置出現于80年代初，隨著電子元器件集成化的迅速發展，隨著微處理機，單片機的發展和計算機軟件的開發，產品價格的下降、電子稱重裝置在技術上的優勢；多功能、高精度、操作方便等，使得不僅實驗室的傳統稱量裝置已被電子稱重裝置所取代，這種趨勢已經擴展到工業和其他領域。本系統是針對自動稱重、計算價格進行了研究的。講述了用單片機控制A/D轉換、鍵盤輸入和數據顯示，對如何實現鍵盤中斷、A/D采樣進行研究。著重討論了數據處理問題，結果表明利用軟件實現一系列功能使的性能價格比達最優。設計特別適用于測量精度要求較高的場合, 具有較高的實用價值和推廣價值。1 緒論1.1 稱重技

11、術和衡器的發展稱重技術自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應用于工農業、科研、交通、內外貿易等各個領域，與人民的生活緊密相連。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設、科學研究、內外貿易不可缺少的計量設備，衡器產品技術水平的高低，將直接影響各行各業的現代化水平和社會經濟效益的提高。稱重裝置不僅是提供重量數據的單體儀表，而且作為工業控制系統和商業管理系統的一個組成部分，推進了工業生產的自動化和管理的現代化，它起到了縮短作業時間、改善操作條件、降低能源和材料的消耗、提高產品質量以及加強企業管理、改善經營管理等多方面的作用。稱重裝置的應用已遍及到國民經濟各領域

12、，取得了顯著的經濟效益。因此，稱重技術的研究和衡器工業的發展各國都非常重視。50年代中期電子技術的滲入推動了衡器制造業的發展。60年代初期出現機電結合式電子衡器以來，經過40多年的不斷改進與完善，我國電子衡器從最初的機電結合型發展到現在的全電子型和數字智能型。現今電子衡器制造技術及應用得到了新發展。電子稱重技術從靜態稱重向動態稱重發展：計量方法從模擬測量向數字測量發展；測量特點從單參數測量向多參數測量發展，特別是對快速稱重和動態稱重的研究與應用。通過分析近年來電子衡器產品的發展情況及國內外市場的需求，電子衡器總的發展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術性能趨向是速率高、準確度高、穩定性

13、高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應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，衡器是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設、科學研究、內外貿易不可缺少的計量設備，衡器產品技術水平的高低，將直接影響各行各業的現代化水平和社會經濟效益的提高。1.2 電子秤的組成 電子秤的基本結構電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質量（重量）的測量儀器，也可用來確定與質量相關的其它量大小、參數、或特性。不管根據什么原理制成的電子秤均由以下三部分組成：（1）承重、傳力復位系統 它是被稱物體與轉換元件之間的機械、傳力復位系統，又稱電子秤的秤體，一般包括接受被稱

14、物體載荷的承載器、秤橋結構、吊掛連接部件和限位減振機構等。(2)稱重傳感器即由非電量（質量或重量）轉換成電量的轉換元件，它是把支承力變換成電的或其它形式的適合于計量求值的信號所用的一種輔助手段。按照稱重傳感器的結構型式不同，可以分直接位移傳感器（電容式、電感式、電位計式、振弦式、空腔諧振器式等）和應變傳感器（電阻應變式、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，并有良好的線性關系；有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態的影響要小；能在較差的工作條件下工作；有較好的頻響特性；穩定可靠。(3)測量顯示和數據輸出的載荷測量裝置即處

15、理稱重傳感器信號的電子線路（包括放大器、模數轉換、電流源或電壓源、調節器、補嘗元件、保護線路等）和指示部件（如顯示、打印、數據傳輸和存貯器件等）。這部分習慣上稱載荷測量裝置或二次儀表。在數字式的測量電路中，通常包括前置放大、濾濾、運算、變換、計數、寄存、控制和驅動顯示等環節。電子秤的工作原理當被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產生力電效應，將物體的重量轉換成與被稱物體重量成一定函數關系(一般成正比關系)的電信號(電壓或電流等)。此信號由放大電路進行放大、經濾波后再由模/數（A/D）器進行轉換，數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

16、開關，根據鍵盤輸入內容和各種功能開關的狀態進行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運算。運算結果送到內存貯器，需要顯示時，CPU發出指令，從內存貯器中讀出送到顯示器顯示，或送打印機打印。一般地信號的放大、濾波、A/D轉換以及信號各種運算處理都在儀表中完成。 電子秤的計量性能電子秤的計量性能涉及的主要技術指標有：量程、分度值、分度數、準確度等級等。（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：衡器的測量范圍被分成若干等份，總份數即為分度數用n表示。電子衡器的最大稱

17、量Max可以用總分度數n與分度值d的乘積來表示，即Max = n d（4）準確度等級國際法制計量組織把電子秤按不同的分度數分成、四類等級，分別對應不同準確度的電子秤和分度數n的范圍，如下表1所示：表1電子秤等級分類標志及等級電子秤種類分度數范圍特種準確度基準衡器n > 100 000高準確度精密衡器10 000 < n100 000中準確度商業衡器1 000 < n10 000普通準確度粗衡器100 < n 1 0001.3設計思路目前,臺式電子秤在商業貿易中的使用已相當普遍,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、攜帶不便、應用場所受到制約。現有的便

18、攜秤為桿秤或以彈簧、拉伸變形來實現計量的彈簧秤,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,彈簧秤就會產生很大誤差,以至損壞,影響到稱重的準確性和可靠性,只是一種暫時的代用品,也被列入逐漸取消的行列。微控制器技術、傳感器技術的發展和計算機技術的廣泛應用，電子產品的更新速度達到了日新月異的地步。本系統在設計過程中，除了能實現系統的基本功能外，還增加了打印和通訊功能，可以實現和其他機器或設備（包括上位PC機和數據存儲設備）交換數據.除此之外，系統的微控制器部分選擇了兼容性比較好的AT89系列單片機，在系統更新換代的時候，只需要增加很少的硬件

19、電路，甚至僅僅刪改系統控制程序就能夠實現。另外由于實際應用當中，稱可以有一定量的過載，但不能超出要求的范圍，為此我們還設計了過載提示和聲光報警功能。綜上所述,本課題的主要設計思路是：利用壓力傳感器采集因壓力變化產生的電壓信號，經過電壓放大電路放大，然后再經過模數轉換器轉換為數字信號，最后把數字信號送入單片機。單片機經過相應的處理后，得出當前所稱物品的重量及總額，然后再顯示出來。此外，還可通過鍵盤設定所稱物品的價格。主要技術指標為：稱量范圍05kg;分度值0.01kg;精度等級級;電源DC1.5V（一節5號電池供電）。這種高精度智能電子秤體積小、計量準確、攜帶方便,集質量稱量功能與價格計算功能于

20、一體,能夠滿足商業貿易和居民家庭的使用需求。2 系統方案論證與選型按照本設計功能的要求，系統由6個部分組成：控制器部分、測量部分、報警部分、數據顯示部分、鍵盤部分、和電路電源部分，系統設計總體方案框圖如圖1所示。圖1設計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（本設計為電壓信號），而后經處理電路（如濾波電路，差動放大電路，）處理后，送A/D轉換器，將模擬量轉化為數字量輸出。控制器部分接受來自A/D轉換器輸出的數字信號，經過復雜的運算，將數字信號轉換為物體的實際重量信號，并將其存儲到存儲單元中。控制器還可以通過對擴展I/O的控制，對鍵盤進行掃描，而后通過鍵盤散轉程序，對整個

21、系統進行控制。數據顯示部分根據需要實現顯示功能。2.1控制器部分本設計由于要求必須使用單片機作為系統的主控制器,而且以單片機為主控制器的設計，可以容易地將計算機技術和測量控制技術結合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新換代的“智能化測量控制系統”。這種新型的智能儀表在測量過程自動化、測量結果的數據處理以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進展。再則由于系統沒有其它高標準的要求，又考慮到本設計中程序部分比較大，根據總體方案設計的分析，設計這樣一個簡單的的系統，可以選用帶EPROM的單片機，由于應用程序不大，應用程序直接存儲在片內，不用在外部擴展存儲器，這樣電路也可簡化。INTEL公司的8

22、051和8751都可使用，在這里選用ATMENL生產的AT89SXX系列單片機。AT89SXX系列與MCS-51相比有兩大優勢：第一，片內存儲器采用閃速存儲器，使程序寫入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整個硬件電路體積更小。此外價格低廉、性能比較穩定的MCPU，具有8K×8ROM、256×8RAM、2個16位定時計數器、4個8位I/O接口。這些配置能夠很好地實現本儀器的測量和控制要求最后我們最終選擇了AT89S52這個比較常用的單片機來實現系統的功能要求。AT89S52內部帶有8KB的程序存儲器，基本上已經能夠滿足我們的需要。2.2 數據采集部分電子秤的數據采集部分

23、主要包括稱重傳感器、處理電路和A/D轉換電路，因此對于這部分的論證主要分三方面 傳感器的選擇在設計中,傳感器是一個十分重要的元件,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,還有考慮到與其相配置的各種電路的設計的難以程度和設計性價比等等.傳感器量程的選擇可依據秤的最大稱量值、選用傳感器的個數、秤體的自重、可能產生的最大偏載及動載等因素綜合評價來確定。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準確度就越高。但在實際使用時，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、偏載及振動沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和

24、壽命。傳感器量程的計算公式是在充分考慮到影響秤體的各個因素后，經過大量的實驗而確定的。其公式如下：CK0×K1×K2×K3×(WmaxW)/N （2-0）C單個傳感器的額定量程；W秤體自重；Wmax被稱物體凈重的最大值；N秤體所采用支撐點的數量；K0保險系數，一般取值在1.21.3之間；K1沖擊系數；K2秤體的重心偏移系數；K3風壓系數。本設計要求稱重范圍05kg，重量誤差不大于0.01kg，根據傳感器量程計算公式（2-0）可知：C1.25×1×1.03×1×（201.9）1 (2-1)9.01205為保證電子秤稱

25、量結果的準確度，克服傳感器在低量程段線性度差的缺點。傳感器的量程應根據皮帶秤的最大流量來選擇。在實際工作中，要求稱重傳感器的有效量程在20%80%之間，線性好，精度高。重量誤差應控制在±0.01Kg，又考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，根據式2.1的計算結果，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%，最大量程時誤差0.01kg，可以滿足本系統的精度要求.綜合考慮,本設計采用SP20C-G501電阻應變式傳感器,其最大量程為7.5 Kg.稱重傳感器由組合式S型梁結構及金屬箔式應變計構成，具有過載保護裝置。由于惠斯登電橋具

26、諸如抑制溫度變化的影響，抑制干擾，補償方便等優點，所以該傳感器測量精度高、溫度特性好、工作穩定等優點，廣泛用于各種結構的動、靜態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指標名稱單位范圍準確度等級 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重復性 Repea

27、tability0.02蠕變 Creep%F.S./30min±0.02蠕變恢復 creep recovery零點輸出 Zero balance%F.S.±1零點溫度系數 Zero temperature coefficient%F.S./10±0.02額定輸出溫度系數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）

28、溫度補償范圍 Temperature compensation range-10+50允許溫度范圍 Safe temperature range-20+60其測量原理：用應變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發生相應變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流的變化。由于內部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產生變形時，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轉換的輸入電壓要求為02V，因此放大環節要有100倍左右的增益。對放大環節的要求是增益可調的（70150倍），根據本設計的實際情況增益設為1

29、00倍即可，零點和增益的溫度漂移和時間漂移極小。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電壓的溫漂和時漂（±1µV），從而保證了放大環節對零點漂移的要求。殘余的一點漂移依靠軟件的自動零點跟蹤來徹底解決。穩定的增益量可以保證其負反饋回路的穩定性，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，電阻應變片組成的傳感器是把機械應變轉換成R/R，而應變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應變片電阻值120，靈敏系數 K=2，彈性體在額定載荷作用下產生的應變為1000，應變電阻相對變化量為：R/R = K&#

30、215;= 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，必須采用轉換電路，把應變計的R/R變化轉換成電壓或電流變化，但是這個電壓或電流信號很小，需要增加增益放大電路來把這個電壓或電流信號轉換成可以被A/D轉換芯片接收的信號。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、利用普通低溫漂運算放大器構成前級處理電路；普通低溫漂運算放大器構成多級放大器會引入大量噪聲。由于A/D轉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。

31、所以，此種方案不宜采用。方案二、主要由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器，而構成的前級處理電路；差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放(如OP07)做成一個差動放大器。其設計電路如圖3所示：方案（三）：采用專用儀表放大器，如：INA126，INA121等構成前級處理電路。下面舉例用INA128儀用儀表放大器來實現。圖3 利用普通運放設計的差動放大器一般說來，集成化儀用放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統的電路設計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：增益越高，共模抑制比越大。

32、而集成化儀器放大器作為心電前置放大器時，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，這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時的共模抑制比不可能很高。有學者試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網絡）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進入飽和狀態，但由于信號源的內阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網絡）使等共模干擾轉變為差模干擾，結果適得其反，嚴重地損害了放大器的性能。 為了實現信號的放大，設計電路如下：圖4 采用INA128設計的放大電路1. 前級采用運放A1和A2組成并聯型差動放大器。理論上不難證明，在運算放大器為理想的情況下，并聯型差動放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比

33、也為無窮大。更值得一提的是，在理論上并聯型差動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。 2 阻容耦合電路放在由并聯型差動放大器構成的前級放大器和由儀器放大器構成的后級放大器之間，這樣可為后級儀器放大器提高增益，進而提高電路的共模抑制比提供了條件。同時，由于前置放大器的輸出阻抗很低，同時又采用共模驅動技術，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數不對稱（匹配）導致的共模干擾轉換成差模干擾的情況發生。 3. 后級電路采用廉價的儀器放大器，將雙端信號轉換為單端信號輸出。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，進而得到很高的共模抑制比。 從理論上計算整個電路的共模抑制比

34、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。 經過實際測量，圖3所示的電路采用上式中所給出的參數時，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放大

35、器作為本設計的信號放大電路。2.2.3 A/D轉換器的選擇A/D轉換部分是整個設計的關鍵，這一部分處理不好，會使得整個設計毫無意義。目前，世界上有多種類型的ADC，有傳統的并行、逐次逼近型、積分型ADC，也有近年來新發展起來的-型和流水線型ADC，多種類型的ADC各有其優缺點并能滿足不同的具體應用要求。目前， ADC集成電路主要有以下幾種類型：（1）并行比較A/D轉換器：如ADC0808、 ADC0809等。并行比較ADC是現今速度最快的模/數轉換器，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。這種結構的ADC所有位的轉換同時完成，其轉

36、換時間主取決于比較器的開關速度、編碼器的傳輸時間延遲等。缺點是：并行比較式A/D轉換的抗干擾能力差，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只適合于數字示波器等轉換速度較快的儀器中，不適合本系統。(2）逐次逼近型A/D轉換器：如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型ADC是應用非常廣泛的模/數轉換方法，這一類型ADC的優點：高速，采樣速率可達 1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當低；在分辨率低于12位時，價格較低。缺點：在高于14位分辨率情況下，價格較高；傳感器產生的信號在進行模/數轉換之前需要進行調理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。(3）積分型A/D轉換器

37、：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，是應用比較廣泛的一類轉換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔內利用計數器對時鐘脈沖進行計數，從而實現A/D轉換。積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發生器和計數器來確定，因此所得到的表達式與時鐘頻率無關，其轉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的抑制能力。若把積分器定時積分的時間取為工頻信號的整數倍，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的工頻干擾

38、。這類ADC主要應用于低速、精密測量等領域，如數字電壓表。其優點是：分辨率高，可達22位；功耗低、成本低。缺點是：轉換速率低，轉換速率在12位時為100300SPS。     (4 ）壓頻變換型ADC：如：AD574等。其優點是：精度高、價格較低、功耗較低。缺點是：類似于積分型ADC，其轉換速率受到限制，12位時為100300SPS。 考慮到本系統中對物體重量的測量和使用的場合，精度要求不是很苛刻，轉換速率要求也不高，而雙積分型A/D轉換器精度高，具有精確的差分輸入，重要的是輸入阻抗高（大于），可自動調零，有超量程信號輸出，全部輸出于TTL電平兼容。且雙

39、積分型A/D轉換器具有很強的抗干擾能力。對正負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，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，對輸出就不產生影響。尤其對本系統，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。 根據系統的精度要求以及綜合的分析其優點和缺點，本設計采用了12位A/D轉換器AD574 鍵盤處理部分方案論證由于電子秤需要設置單價（十個數字鍵），還具有確認、刪除等功能，總共需設置17個鍵（包括一個復位鍵）。鍵盤的擴展有使用以下方案：采用矩陣式鍵盤：矩陣式鍵盤的特點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

40、叉點上。圖5給出了一個4×4的矩陣鍵盤結構的鍵盤接口電路，圖中的每一個按鍵都通過不同的行線和列線與主機相連這。4×4矩陣式鍵盤共可以安裝16個鍵，但只需要8條測試線。當鍵盤的數量大于8時，一般都采用矩陣式鍵盤。S13S9S5S1S2S3S4S6S7S8S10S11S12S14S15S16圖5 矩陣式鍵盤結合本設計的實際要求，16個按鍵使用4×4矩陣式鍵盤，另外一個復位鍵使用獨立式按鍵實現。2.3顯示電路部分的選擇數據顯示是電子秤的一項重要功能，是人機交換的主要組成部分，它可以將測量電路測得的數據經過微處理器處理后直觀的顯示出來。數據顯示部分可以有以下兩種方案供選擇

41、。的組成有以下兩種方案可供選擇：一是 LED數碼管顯示,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，從電子表到計算器，從袖珍時儀表到便攜式微型計算機以及一些文字處理機都廣泛利用了液晶顯示器。2.4超量程報警部分選擇智能儀器一般都具有報警和通訊功能，報警主要用于系統運行出錯、當測量的數據超過儀表量程或者是超過用戶設置的上下限時為提醒用戶而設置。在本系統中，設置報警的目的就是在超出電子秤測量范圍時，發出聲光報警信號，提示用戶，防止損壞儀器。超限報警電路是由單片機的I/O口來控制的，當稱重物體重量超過系統設計所允許的重量時，通過程序使單片機的I/O值為高電平，從而三極管導通，

42、使蜂鳴器SPEAKER發出報警聲，同時使報警燈D1發光。3 硬件電路設計根據設計要求與設計思路，此電路由一塊AT89S52、按鍵輸入電路、時鐘電路、復位電路、LCD顯示段碼驅動電路、LCD顯示位碼驅動電路、12位LCD顯示器電路、蜂鳴器電路。A/D轉換電路壓力傳感器放大電路單片機16個鍵盤輸入電路復位電路LCD1602顯示電路時鐘電路蜂鳴器電路圖6 硬件電路設計框圖在本系統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會產生電信號，受到不同壓力或拉力是產生的電信號也隨著變化，而且力與電信號的關系一般為線性關系。由于稱重傳感器一般的輸出范圍為020mV，對A/D轉

43、換或單片機的工作參數來說不能使A/D轉換和單片機正常工作，所以需要對輸出的信號進行放大。由于傳感器輸出的為模擬信號，所以需要對其進行A/D轉換為數字信號以便單片機接收。單片機根據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算出物體的重量。在本系統中，硬件電路的構成主要有以下幾部分： AT89C52的最小系統構成、電源電路、數據采集、人-機交換電路等。3.1 AT89S52的最小系統電路單片機芯片AT89S52介紹單片機采用MCS-51系列單片機。由ATMEL公司生產的AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密

44、度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51 產品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能： 8k字節Flash，256字節RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16 位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。而且，它還具有

45、一個看門狗（WDT）定時/計數器，如果程序沒有正常工作，就會強制整個系統復位，還可以在程序陷入死循環的時候，讓單片機復位而不用整個系統斷電，從而保護你的硬件電路。AT89S52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。其芯片引腳圖如下圖7所示。圖7 AT89S52引腳圖.單片機管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙

46、向I/O口，每腳可吸收8TTL門流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的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，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL

47、門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，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（IL

48、L）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（定時器0外部脈沖輸入）P3.5T1（定時器1外部脈沖輸入）P3.6WR（外部數據存儲器寫脈沖輸出）P3.7RD（外部數據存儲器讀脈沖輸出）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址

49、的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，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目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行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行狀態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，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。/EA/VPP

50、：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。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部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.1.3 AT89S52的最小系統電路構成AT89S52單片機的最小系統由時鐘電路、復位電路、電源電路及單片機構成。單片機的時鐘信號用來提供單片機片內各種操作的時間基準，復位操作則使單片機的片內電路初始化，使單片機從一種確定的初態開始運行。單片機的

51、時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內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，就構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。當MCS-5l系列單片機的復位引腳RST(全稱RESET)出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執行復位操作。如果RST持續為高電平，單片機就處于循環復位狀態。根據應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現復位操作。上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單

52、片機復位。單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態，其中包括使程序計數器PC0000H，這表明程序從0000H地址單元開始執行。系統復位是任何微機系統執行的第一步，使整個控制芯片回到默認的硬件狀態下。51單片機的復位是由RESET引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個振蕩周期后，51單片機即進入芯片內部復位狀態，而且一直在此狀態下等待，直到RESET引腳轉為低電平后，才檢查EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則執行芯片內部的程序代碼，若為低電平便會執行外部程序。3.2 電源電路設計根據設計需要，本系統中需要設計兩種不同級別的電源，即傳感器需要+12V的電源，而系統其他芯片使用的是5V電源。考

53、慮本次設計的實際要求，使系統穩定工作，提高產品的性價比，電源電路的 設計決定采用如下方案：圖8 電源電路圖220V的交流電經過變壓器后輸出15V的電壓，經整流濾波電路后， 通過LM7812和LM7905進行DC/DC變換得到12V和+5V、-5V供器和系統的其他芯片使用。在變壓器的原邊加入熔斷保護裝置和MFC網絡，使得系統獲得的電源更穩定，效果更好，且電路短路時，熔斷裝置會迅速切斷電源，保護其他電路元件不被損壞，供電電路如圖8所示。3.3 數據采集部分電路設計數據采集部分電路包括傳感器輸出信號放大電路、A/D轉換器與單片機接口電路。 傳感器和其外圍以及放大電路設計傳感器實際上是一種將質量信號轉

54、變為可測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際工作環境，這點對正確使用傳感器至關重要，它關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據采集部分電路設計的關鍵環節。傳感器檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出，由于惠斯登電橋具有很多優點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，又因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數一致，各種干擾的影響容易相互抵消，所以在本設計中選用最終方案我們選擇的是上海開沐自動化有限公司生產的NS-TH1系列稱重傳感器，額定載

55、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，因此為了提高系統的抗干擾能力，在傳感器外圍電路的設計過程中，增加了由普通運放設計的差動放大器增益調節電阻Rg選用10K 電阻，是為了滿足系統抗干擾的要求而設計。其電路圖如9所示。圖9 傳感器和其外圍電路圖這是一個電阻應變片式稱重傳感器，將電阻應變片貼在金屬的彈性體（即力敏感器）上，并連接成一差動全橋電路。電阻應變片實心軸沿軸向線應變為：（3-1）實心軸沿圓周向線應變為：（3-2）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

56、量）A為受力面積E為彈性材料的彈性模量。如果在電阻的兩側都加入應變片，則其輸出為（3-5）SP20C-G501的輸出電壓為1-5V相應壓力為1-50KPa。供電電流變動會直接影響傳感器的輸出電壓，因此希望電流變動要小。此外，增大或減小驅動電流可調整輸出電壓，但電流過小，輸出電壓降低同時抗噪聲能力減弱；電流過大，會使傳感器發熱等，將對傳感器特性影響加大。因此在電路中使用1mA的驅動電流。即使用的電流為1mA左右。電路中，采用通用運算放大器LM324，由穩態二極管VS提供2.5V的輸出電壓經電阻R2和R3分壓得到基準電壓，作為運放A1輸入電壓，并供給1mA的電流。傳感器的驅動電流流過基準電阻R4，其上的壓降等于輸入電壓。R13和R14為失調電壓的溫度補償電阻，阻值選擇500k-1.5M。輸入采用高輸入阻抗的差動輸入方式，再有差動放大器電路進行放大，輸出1-5V的電壓。RP2用于調整電路輸入的靈敏度，RP1用于失調電壓的調整，調整時，壓力為0KPa時輸出電壓為1V，調整RP1，當壓力為達到20Kg的力時，輸出電壓為5V即可。而有式(3-5)得三運放放大電路的輸出信號與輸入信號的關系式為：（3-6）通過上式可以看出，放大系數為（3-7）代入數值可以計算出，其放大系數在70150之間，完全符合設計要求。有(3-6)可以得到電橋輸入電壓