基于AT89S52单片机的电子称设计.doc

摘 要现代社会的发展对称重技术提出了更高的要求。目前，台式电了秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。但是在工业测量中还没有让人们期待的电子秤出现。多年来，人们一直期待测量准确、价格低廉的在工业发展中起到巨大作用的电子秤投放市场。本课程设计的电子秤以 AT89S52 单片机为控制核心，利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是称重传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而放大器电路采用AD620，其作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。MAX187 A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，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。 电子秤主要由电源、称重传感器、单片机、键盘/开关、12864液晶显示器等部分构成。主要技术指标为：称量范围0.01kg5kg；分度值0.005kg；精度等级m级；电源5v。仪器的技术指标参考了目前国内市场上使用最多、国内外产量最大的电子衡器的技术指标，其合理性无疑加大了产品投放市场后的竞争能力。仪器主要功能有去皮、计价、累计、单价设定、过载报警、时间显示等。 关键词： 单片机 称重传感器 放大器 模数转换 The design of multi-functional electronic scaleAbstractThe development of the modern society has put forward higher request on weighing technology. The desk-top electronic scales have been great application in commercial trade, but they have many shortcomings such as large volume, high cost, AC supply power and not cove nince to carry, so they are restricted to use. The usual portable scales are lever scales which are mostly used by residents, and spring balance which measure through compression or drawing of spring. They are being rejected for their big measuring errors. People have been expecting cheap portable electronic scales which can measure accurately and be carried conveniently for many years.The curriculum design of electronic scales in order to AT89S52 microcontroller to control the core, the use of full-bridge measuring principle, through the circuit output voltage and the standard weight of a linear relationship, the establishment of a specific mathematical model, the dimensionless voltage (V) changed the weight of Class ( g) become a single original electronic scales. Measuring circuit in which the most significant component is the resistance strain sensor. Resistance strain gauge sensor is a sensor in the most widely used, this design uses a full-bridge measurement circuit, so that system to produce a smaller error, the output of the data more accurate. The amplifier circuit using AD620, whose role is to weak analog sensor output signals a certain multiple of the amplification in order to meet the A / D converter input signal level requirements. MAX187 A / D conversion is the role of the analog signals into digital signals, analog-digital conversion, digital signal and then transmitted to the display circuit and there, finally shown by the display circuit measurement results.Electronic Scale is a major by the power, weighing sensor, microcontroller, keyboard / switch 12864 LCD monitors and other parts. Its technical indictors include10kg maximal measuring range,10g division value, III precision, 5V work voltage. Its technical indictors refer to the indictors of the electri conic measuring tools of most popularity in the markets and of large output at home and board, so the instrument is strengthened the competitive power after putting on markets. Instrument main functions are peeled, pricing, total, unit price setting, overload alarm, time display, etc.Key Words： SCM Weighing Sensor Amplifiers Analog-digital conversion目 录第一章 前 言11.1 课题研究意义11.2 国内外研究情况11.3 本设计的任务和主要内容2第二章 方案论证32.1单片机选择32.2 显示部分32.3 数字时钟42.4放大部分42.5 A/D转换器选择52.6压力传感器部分5第三章 总体方案73.1 工作原理73.2系统各模块的最终方案7第四章 硬件电路的设计84.1单片机控制电路的设计84.2 Hl-8传感器的电路设计94.3 信号放大电路的设计134.4 信号A/D转换器164.5 DS1302时钟电路的设计174.6键盘和过量程报警电路设计184.7 12864液晶显示电路的设计204.8 电源电路设计224.9 总体工作电路原理图22第五章 软件的设计255.1 软件所实现的功能255.2 软件主流程255.3 数据采集子程序的设计275.4 显示子程序的设计285.5 报警子程序的设计295.6 软件抗干扰设计29第六章 调试与分析316.1 调试系统简介316.2 调试故障及原因分析31第七章 结论32参考文献33附录34致谢5251第一章 前 言 1.1 课题研究意义 随着经济的发展，出售商品品种的增加，需要称量物品的设备也需要更新换代。多功能电子秤就是现代生活中应运而生的一种精确、智能、方便、明了、可靠的称量仪器。它克服了传统的杆秤、盘秤不精确、速度慢、不能计价、易作弊等缺点，在商业领域应用越来越多。 目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。现有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的基本是杆秤。弹簧盘秤制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以至损坏，影响到称重的准确性和可靠性，只是一种暂时的代用品，也被列入逐渐取消的行列。多年来，人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的便携式电子秤投放市场。基于电子秤的现状，本项目拟研究一种用单片机控制的多功能电子秤设计方案。这种多功能电子秤体积小、计量准确、携带方便，平且集质量称量功能与价格计算功能以及时间显示于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。本系统具有操作简便，误差小，精度高等特点，并可直接数字测量结果。 1.2 国内外研究情况 50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展：计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点已从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。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。传统的量具是杆称或盘称，2O世纪7O年代开始出现了电子称。早期的电子称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逐渐下降，模拟控制已逐步被数字控制所替代，电子称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得提高。因为小型商用电子称对适时性要求不高，运算也不太复杂，所以用8位微处理器足可满足要求。 电子称重系统必须将多只传感器的输出进行和算，才能得到完整准确的称重结果。从2O世纪7O年代的模拟串联和算到8O年代的模拟并联和算，和算技术的发展大幅度降低了电子秤的成本，提高了可靠性和稳定性。但是，模拟并联和算也存在不足：如对传感器的一致性要求较高、无法对单个传感器进行检测、电子秤四角偏差调试复杂等。目前，解决上述问题的最好方法是采用数字和算或数模混合和算。由于信号放大器成本的不断下降以及AD转换器性能的大幅度提高，数字和算无论在技术上还是在经济上都进入了实用阶段。 电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。目前大多数电子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率输出最终的称重值的，这样的系统一般使用12 bit至14 bit的模数转换器就很容易满足要求。然而，高精密检测的电子秤如果要达到这种分辨率，那么ADC的精度需要接近于20 bit。 1.3 本设计的任务和主要内容本设计的主要内容如下：1)运用电阻应变式传感器并采用全桥测量电路2)设计一款电子秤3)用12864液晶显示器显示被称物体的质量和时间4) 三运放大电路5) A/D转换电路6) 时间模块电路第二章 方案论证 2.1单片机选择方案一 采用常用的89C52控制。技术比较成熟，应用广泛。现在的51系列技术硬件发展的非常快，出现了许多功能非常强大的单片机，因此使用单片机可以实现要求的基本功能，并且容易操作。 方案二 应用AVR，AVR是一种高性能、低功耗的高性能微处理器，它采用哈佛结构，废除了复杂指令集计算机追求指令完备的做法；采用精简指令集计算机，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中；取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，可高速执行指令。AVR单片机资源丰富，性能优异，具有良好的抗干扰特性。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz而且AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周内同时访问两个独立的寄存器。并通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机。但对于我们来说编程还是有一定的难度。通过比较采用熟悉89C52，我们选择方案一。 2.2 显示部分 显示部分是本次设计不可缺少的一部分，对于能显示主要数据的有以下两种方案：方案一：采用1602液晶显示，1602液晶最多只能显示162个字符（即32个字符）， 1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、日文假名等，和单片机系统的接口简单可靠，操作方便，和别的液晶显示器相比其体积小，重量轻和低功耗。不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。但不能显示中文，显示的内容受到一定的限制。方案二：采用12864液晶显示，12864液晶带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。硬件电路结构或显示程序都要简洁。 由于本设计要显示的内容比较多，而且带有中文显示，所以我们采用方案二。 2.3 数字时钟数字时钟是本设计的重要的部分。根据需要，可利用两种方案实现。方案一：本方案完全用软件实现数字时钟。原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将时字节清零。该方案具有硬件电路简单的特点，但当单片机不上电，程序将不执行。且由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。 方案二：DS1302是美国DALLAS公司最新推出的时钟芯片，采用CMOS技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部，采用DS1302芯片设计的时钟电路勿需任何外围电路并具有良好的微机接口。DS1302芯片具有超低耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠，能够计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能等优点，而且具有定时中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断等特点，故广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合。基于时钟芯片的上述优点，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。 2.4放大部分 对于放大电路的选择有以下两种方案：方案一：采用OP07芯片组成的三运放电路，Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。但要组成三运放就要到3个OP07组成的电路，设计电路相对复杂，而且外来干扰比较难控制。方案二： 采用AD620芯片组成的放大电路，AD620是一款低成本，高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设计增益其范围为1至1000.此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低（最大工作电流1.3mA）,因而非常适合电池供电及便携带（或远程）应用。AD620具有高精度（最大非线性都10ppV/）特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选，此外，AD620还具有低噪声，抗干扰性好，低输入偏置电流和低功耗特性。通过以上的比较，故采用方案二设计电路比较简单。 2.5 A/D转换器选择 A/D转换部分是本次设计最核心的部分，对于A/D转换器的选者有以下两种方案：方案一：采用V/F变换芯片LM331，LM331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，但需要比较复杂的小信号放大、调理电路，并且LM331外围电路较繁琐，参数配置相对严格，故未采用。方案二：采用MAX187 A/D转换芯片，MAX187 串行12 位模数转换器可以在单5V 电源下工作，接受05V 的模拟输入。MAX187为逐次逼近式ADC，快速采样/保持（1.5uS），片内时钟，高速3 线串行接口。MAX18转换速度为75Ksps。通过一个外部时钟从内部读取数据，并可省却外部硬件而与绝大多数的数字信号处理器或微控制器通讯。同时MAX187 有内部基准，MAX187 采用节约空间的8 脚DIP 和16 脚SO 封装。电源消耗为7.5mW，在关断模式下可以减少至10uW。优异的AC 特性和极低的电源消耗，同时及其容易的使用和较小的封装尺寸使得MAX187能理想的应用于远程DSP 和传感器，或者应用于对电源消耗和空间极为苛刻的地方。 基于AD620的优点，本设计采用方案二。 2.6压力传感器部分 应变片式电阻传感器按其测量电路（桥式）可分为单臂式、半桥式、全桥式三种。但考虑到精度的问题，有以下两种方案：方案一：采用半桥式的传感器，所谓半桥，即将电桥的四臂接入四应变片。其中：一片受拉，一片受压，另外两应变片不受力。所以误差比较大而成精度相对来说还是不够高。方案二：采用全桥式的传感器，所谓全桥，即将电桥的四臂接入四应变片。两片受拉，两片受压，因此全桥式等臂电桥的灵敏度最高而且灵敏度比半桥式的大一倍，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。其中全桥式Hl-8传感器比较好。基于全桥式的压力传感器达到的精度较高的优点，本设计采用方案二。第三章 总体方案 3.1 工作原理 当物体放在秤重盘上，压力施给传感器，该传感器会产生形变，而使之阻抗发生变化的，从而使激励电压产生改变，输出一个变化的摸拟信号，该模拟信号通过AD620芯片的电路放大，送给采用MAX187芯片A/D转换器转换成便于处理的数字信号，然后将信号送至CPU中央处理器进行运算控制，同时采用DS1302芯片来输出时钟信号送给CPU，CPU根据键盘命令及程序将数据传送致12864液晶显示出来。基本工作原理框图如下：时钟芯片12864显示传感信号信号放大滤波A/D转换键盘 MCUAT8952报警信号 图 3-1 基本工作原理框图 3.2系统各模块的最终方案 经过仔细分析和论证，我们决定了系统各模块的最终方案如下： （1）控制器：采用89C52单片机 （2）显示：采用12864液晶显示 （3）时钟芯片：采用DS1302芯片实现 （4）放大器：采用AD620芯片实现 （5）A/D转换器：采用MAX187芯片实现 （6）压力传感器：采用型号H1-8的传感器实现 （7） 电源：采用5V.+12V电源供电第四章 硬件电路的设计 4.1单片机控制电路的设计 AT89S52的简介：（芯片介绍不能超过1页，挑重要的就行，不能长篇介绍）近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定位、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生产生活中的各个方面。它的主要特点有：与MCS-51产品兼容；具有8K字节可在系统编程的Flash内部程序存储器，可写/擦1000次；4.0V5.5V的工作电压范围；全静态操作：0Hz24MHz；三级程序存储器加密；256字节内部RAM；32根可编程I/O线；三个16位定时器/计数器；8个中断源；全双工异步串行通信通道；低功耗空闲和掉电方式；通过中断中止掉电方式；看门狗定时器；两个数据指针；AT89S52单片机较8051单片机内部多了一个8K字节的Flash程序存储器，一个16位的定时器/计数器，一个中断源，还多了128字节内部RAM，与8051完全兼容。 AT89S52内部结构：单片机的引脚结构如下图4-1所示，各个引脚功能描述如下：图4-1 单片机引脚结构图图4-2 单片机系统结构图 4.2 Hl-8传感器的电路设计根据设计要求，市场情况和请教别人的经验，我们选择了济南金钟电子衡器股份有限公司生产的H1-8型压力传感器，为双孔悬臂梁形式，是电子计价秤的专用产品，也可用于制造由单只传感器构成的电子案秤，台秤及专用衡器等，其主要技术指标如表一所示，各项指标较济南市场上见到的同类传感器优秀的多，只是价格上稍微贵了一些，实际应用的结果表明，物有所值。 压力传感器主要技术指标如表4-1所示：表4-1 压力传感器主要技术指标H1-8的内部结构： 图 4-3 H1-8的内部结构图 H1-8压力传感器的受力方式:图 4-4 压力传感器的受力方式图 H1-8传感器的供电方式：为了使测量更准确，传感器的供电采用电压基准源TL431来稳定输入电压。1 TL431的简介 德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。该器件的典型动态阻抗为0.2，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中l在很多应用中可以用它代替齐纳二极管。 图 4-5 TL431引脚功能图： 图4-5 TL431引脚图TL431的3个引脚别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。TL431的具体功能可以用图4-6的功能模块示意。 图4-6 TL431的内部结构示意图由图可以看到VRef 是一个内部2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VRef （2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，能过三极管的电流将从1100mA变化，当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。 TL431的主要参数如表 4-2所示： 表 4-2 TL431的主要参数参数符号数值单位阴极阳极电压VKA 37V阴极电流范围，连续IK-100 to +150 mA参考输入电流范围，连续Iref-0.05 to +10mA工作结温TJ150C操作环境温度范围TA-40 to +85C储存温度范围Tstg-65 to +150C总耗散功率 常温PD1.10W总耗功率 外壳温度PD30.W 图 4-7 为TL431的应用电路图：图4-7 TL431的应用电路图 4.3 信号放大电路的设计 传感器输出电压为毫伏级，而A/D转换器所能处理的电压是05V，所以必须在A/D转换器前加入一个前置差动放大电路以实现电压的放大，放大倍数为1001000倍，使输出电压为05V。由于单运放在应用中要求外围电路匹配精度高、增益调整不便、差动输入阻抗低，故采用三运放结构。三运放结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点，且有良好的温度稳定性，低噪单端输出和和增益调整方便，适于在传感器电路中应用。本次课程设计中，我们采用AD620放大电路进行传感器的信号的放大。AD620仪表放大器介绍：AD620是一款低成本，高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设计增益，怎一范围为1至1000.此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低（最大工作电流1.3mA）,因而非常适合电池供电及便携带（或远程）应用。 AD620具有高精度（最大非线性都10ppV/）特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选，此外，AD620还具有低噪声，低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。由于其输入级采用SuperBeta处理，因此可以实现最大1.0nA的第输入偏置电流。AD620在1KHz时具有9nV/Hz的第输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz带宽上的噪声为0.28uV峰峰值，输入电流噪声为0.14pA/Hz,因而作为前置放大器使用效果很好。AD620还非常适合多路复用应用，其0.001%建立时间为15us,而成成本很低，足以实现每通道一个一起放大器的设计。 图 4-8 AD620引脚功能图 AD620的的主要参数如下：增益范围1-100000，（G=1+49.4K/RG）电源范围VCC=VEE=2.3-18V失调电压Uos=35-125V失调电流Ios=0.3-1nA输入电流IB=0.5-2nA输入阻抗Zin=10G/2pF图 4-9 AD620的工作原理： 图 4-9 AD620内部方框图 AD620是一款单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。通过调整片内电阻的绝对值，用户只需一个电阻便可实现对增益的精确编程（G=100时精度可达0.15%）。单芯片结构和激光晶圆调整允许对电路元件进行严格匹配与跟踪，从而可确保电路本省具有的高性能特性。 输入晶体管Q1和Q2提供一路高精度差分对双极性输入如图2，同时由于采用Superbeta处理，因此输入偏置电路减小10倍。反馈环路Q1-A1-R1和Q2-A2-R2使输入器件Q1和Q2的集电极电流保持恒定，从而可将输入电压作用于外部增益设置电子Rg上。这样就产生了从输入至A1/A2输出的差分增益，其计算公式为G=（R1+R2）/Rg+1.单位怎一减法器A3用来消除任何共模信号，以获得折合到REF引脚电位的单端输出。 Rg值还可以决定前置放大器级的跨导。当减小Rg以获得更大增益时，改跨导将渐近增大到输入晶体管的跨导。这会带来三大好处：（a）开环增益提升以提供更大的编程增益，以减小与增益相关的误差；（b）增益带宽积随着编程增益提高而增大，从而优化频率响应；（c）输入电压噪声降至9n/Hz，它主要由输入器件的集电极电流和基极电阻决定。内部增益电阻R1和R2已调整至绝对值24.7K欧姆，因此利用一个外部电阻便可以实现对增益的精度编程。 增益公式为：G=49.4K/RG+1 RG=49.4K/(G-1)我们可以从以上公式得出要放大的倍数，这样就更加方便选择所要放的电阻的大小。如 4-10 为AD620应用电路图图4-10 AD620应用电路图 为了减小干扰所以采用电容C11和C13组成的滤波电路进行滤波的作用，进一步减小干扰所引起的误差。 4.4 信号A/D转换器设计中A/D转换器用的是MAX187 A/D转换器，它是12位串行逐次逼近式ADC，快速采样/保持（1.5uS），片内时钟，高速3 线串行接口AD转换器。5V单电源供电，允许05V模拟输入。MAX187为逐次逼近式的ADC，快速采样/保持（1.5uS），片内时钟串行接口。其转换速度为75Ksps。通过一个外部时钟从内部读取数据，并可省却外部硬件而与绝大多数的数字信号处理器或微控制处理器通讯。接口与SPI，QSPI，和Microwire兼容。1.MAX187的引脚功能说明如图 4-11 所示： 图4-11 MAX187引脚功能图2.操作时序MAX187用采样保持电路和逐次比较寄存器将输入的模拟信号转换为12位的数字信号，其采样保持电路不需要外接电容。MAX187有2种操作模式：正常模式和休眠模式，将置为低电平进入休眠模式，这时的电流消耗降到10A以下。置为高电平或悬空进入正常操作模式。完整的操作时序如图2所示。使用内参考时，在电源开启后，经过20ms后参考引脚的47F电容充电完成，可进行正常的转换操作。A/D转换的工作过程是：当为低电平时，在下降沿MAX187的TH电路进入保持状态，并开始转换，85s后DOUT输出为高电平作为转换完成标志。这时可在SCLK端输入一串脉冲将结果从DOUT端移出，读入单片机中处理。数据读取完成后将置为高电平。要注意的是：在置为低电平启动A/D转换后，检测到DOUT有效（或者延时8.5s以上），才能发SCLK移位脉冲读数据，SCLK至少为13个。发完脉冲后应将置为高电平。MAX187的完整操作时序如下： 图4-12 MAX187操作时序图 图4-13 MAX187应用电路图图4-13 MAX187应用电路图 4.5 DS1302时钟电路的设计 为实现购物清单的时间显示，设计的时钟芯片采用 DSl3020 DSl302 为 DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内部含一个实时时钟/日历和 31 字节静态 RAM ，通过简单的串行接口即可与单片机进行通信。实时时钟，日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过 AM/PM 指示决定采用 24 或 12 小时格式。 DSl302 与单片机之间简单地采用同步串行的方式进行通信，采用 3 个口线，即 RES 复位、 I/O 数据线和 SCLK( 串行时钟线 ) ，同时钟/日历 的读/写数据以一个字节或多达 31 个字节的字符方式通信， DSl302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于 1mW。DS1302的引脚功能说明如图4-14所示。图4-14 DS1302管脚封装图DS1302的应用电路图如图4-15 所示。图4-15 DS1302应用电路图 4.6键盘和过量程报警电路设计 键盘输入模块采用标准的 4 4 矩阵键盘，设置 0 9 数字、确认、删除键，时钟设计共16个键和一个复位键，用动态扫描方式读取外部按键动作，设计可靠，同时配合 8 位单片机，可以很轻松的实现按键输入。如图4-16所示。图4-16 按键原理图 过量程报警电路： 由于压力传感器 H1-8的最大承受压力为 5kG ，若重物的重量超过了限定值，则将会影响压力传感器的正常使用，甚至可能会使压力传感器的输出电压信号严重偏离实际测量值，即输出的非线性。输出的非线性将直接影响称重精度，文中采用报警电路如 所示，用于及时告知是否超量程使用。若以超量程，则避免之。图4-17 过量报警电路图 4.7 12864液晶显示电路的设计 12864液晶带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 图4-18 12864液晶实物图1.12864液晶写操作时序图4-19 12864液晶写操作时序图2.12864液晶读操作时序图4-20 12864液晶读操作时序 4.8 电源电路设计 系统需要5V和12V电源，传感器需要+5V以上的线性电源（不能用开关电源，否则称重数据不稳定）。我们买了一块廉价的，具有5V，12V输出的开关电源，5V直接作为数字电源，5V 由12V 通过LM7805和 LM7905进行DC/DC变换得到，效果非常好，物美又价廉。 4.9 总体工作电路原理图 图4-21 总体工作电路原理图(一)图4-22 总体工作电路原理图（二）第五章 软件的设计 5.1 软件所实现的功能 1. 称重，可以自动改变单位，当重量小于1Kg时是以“g”为单位。当重量大于或者等于1KG时是以kg为单位。 2. 计价,通过0到9，10个数字键和“.”共11个键输入单价。最高输入99.99元。当输入单价时系统会自己计算并显示出总价，总价能精确到小数点两位。 3.累计，通过按“累加/s”键来实现累加功能，其中最高可累加到5KG。按“确定”键能返回。 4. 去皮，同过按“去皮/m”键来实现去皮功能，其中最高去皮不超过5KG。再按“去皮/s”键返回。 5. 时间显示和调整设计，调整时间可以同过按“时钟”键来进入时钟调整模式，在时钟调整模式中通过按“累加/s”来选中要调整的时间（日期或者时分），通过按“去皮/m”来进行上面所选中的时间，按“确定”键就能退去时钟调整模式。 6.过量报警，因为压力传感器的最高承受是5KG，所以能所称的物体重量超过5KG是系统会自动报警。 5.2 软件主流程系统的主程序流程框图如图5-1所示。 图5-1 系统的主程序流程框图 5.3 数据采集子程序的设计开始MAX187初始化启动A/D转换NA/D转换完成Y存取数据数据显示 图5-2 数据采集子程序流程图 5.4 显示子程序的设计图5-3显示子程序流程图 5.5 报警子程序的设计开始YA/D高位大？NN与阀值相同NYA/D低位大？YN与阀值相等？Y报警返回图5-4 报警子程序流程图 5.6 软件抗干扰设计(1)称重校正 由于温差、冲击力、浮尘等因素的影响, 传感器承受载荷与其输出电压之间并非成线性关系, 这就造成称量的线性度发生较大的变化;另外由于ADC的线性度不够理想,使小称量和大称量区间的线性斜率不一样。这两种情况都会使称量线性度发生变化,造成某些点的称量误差较大。采用分段校准称重值和分段计算称重值,可大大减小称重值的相对误差。 本系统使用了两种校正方法:线性校正。线性校正取零点A、三分之一量程B、三分之二量程C和满量程D为基点得到三条线段BA、CB和DC,使得每段的称量线性度比只有一条线段时要好。(2)软件滤波 软件滤波包含两部分:数据噪声的滤波及两种称重状态(稳定和不稳定)的判断。因为称重数据在相当长的时间内是稳定不变的,而引起数据变化的干扰信号则变化频繁。软件滤波的作用就是设法把两者区分开,只取平稳的数据作为有效数据进行显示。用于电子秤慢变数据的滤波方法很多,系统综合采用了权值滤波、均值滤波、中值滤波和极值滤波等软件滤波方法。首先采用极值滤波将系统因为干扰而产生的极点去除,然后用中值滤波法进行平均,在称重状态判断的过程中使用不同的权值,对数据进行权值滤波。这样就得到了最后要显示的数据。 称重状态判断要处理三个问题: (1)是否有重量变化;(2)若无重量变化,显示值保持稳定,保证不受噪声干扰;(3)若有重量变化,系统要及时反应并显示出来。传统电子秤的处理方法是取一定量的数据求均值,规定一个求均值的次数,当次数到达时,对这些均值再作平均,如果在设定的范围内,则认为是稳定的测量值,反之则为不稳定测量值,还需要再取更多的数据进行相似的处理之后才能知道是否稳定。这种方法适用于均值的范围集中在1/3到2/3最小感量的时候,若最小感量的值降低,则此方法就无法保证称重值的稳定显示。本系统解决办法是将测量值转化为实际显示的称重值,如果称重值没有变化,则认为没有变化;如果称重值有变化但没有超出2值,还是认为称重值没有变化;如果超出了,则要进行一系列的比较才能确定是否有新的重量加入。经实际测试验证,此方法有效地避免了称重显示值的来回跳动。第六章 调试与分析 6.1 调试系统简介 调试包括硬件调试、软件调试和样机调试。 软件的调试和硬件的调试都是独立进行的，软件部分包括数据采集子程序、数据处理子程序、显示子程序、键盘扫描子程序、报警子程序。软件调试中需要用到的测量信号可以用仿真实验台上的电压信号进行模拟，而不需要进行硬件的连接。同样硬件部分的调试也是不需要软件连接而独立进行的。当软件调试和硬件调试都正确无误的时候，就可以进行连接调试，在调试中继续找出单独调试中无法指出的故障，反复进行修改软件、修改硬件设计的工作，直到所设计的电子秤显示数据与理想数据误差不大。最后进行软件的固化与整机的组装工作。 6.2 调试故障及原因分析故障一：传感器显示电压示数范围与要求的LCD显示器的质量示数范围不符。原因分析：没有选择好转换系数，使质量范围不能满足要求。解决方法：修改程序中的转换子程序部分，在进制转换时计算出转换系数值。故障二：经过放大器的传感器信号不稳定，且不满足设定的放大倍数。原因分析：信号不稳定是由于传感器精度不够准确，以及连线时线路不稳定等因素的影响；不满足放大倍数是由于放大器选择不合适，导致不能满足设定的放大倍数。解决方法：选择精度高的传感器，预先计算好运放放大倍数，以便于选择合适的运算放大器。故障三：把数据显示出来时，数据不够稳定，在跳动。原因分析：由于电源或者电路排版是不够合理，不能够完全消除干扰。解决方法：同过软件滤波法消去数据跳动，使数据显示稳定。 第七章 结论 随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的高精度能仪器所取代。高精度仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了高精度仪器的发展。而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。 本次课设中的全桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的。因此，只有充分了解单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。 首先是传感器的精密度，它将直接影响电子秤的称重准确度。课设时由于传感器发出的信号不是很稳定，所以称重时误差很大。如果使用精密度较高的传感器，效果会好的多。 其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要