基于89S52单片机的电子秤重系统的设计

1、基于单片机的电子秤电路的设计基于单片机的电子秤电路的设计 摘摘 要要 随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。 为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化 用在了电子秤重的控制系统中。本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称 重传感器及 a/d 转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、 功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。 本系统以 at89s52 单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、键盘电路 等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。可

2、以说，此设 计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。 本系统是针对是电子称的自动称重、自动计价、数据处理进行研究的。为了阐明 用单片机是如何对采样数据进行处理，对数据的采集和转换、计算问题进行了研究。 讨论了单片机控制系统中关键的中断、计算问题，结果表明通过软件设计实现更完善。 本文在给出智能电子称硬件设计的基础上，详细分析了电子称的软件控制方法。由于 单片机控制的电子称结构简单，成本低廉，深受人们的喜爱，本文将对此进行详细讨 论。 关键词：关键词：压力传感器；采样电路；a/d 转换器；lcd 显示器； the electronic scale design based on microco

3、ntroller abstract with the application of micro-electronics technology, tradition pressure transducer used in market has been not satisfaction with human requirements already. in order to make up for the traditional apparatus shortcoming, we improve the apparatuss control system with intelligence an

4、d 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

5、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 measure height and weight, the circuit of display and print, all of the

6、se comprise the circuit board of the intelligent apparatus of height and weight. it can achieve all function of the apparatus. this system aims at is the automatic name of electronic name heavy, automatic valuation and data handling carry out research. to expound to use single flat machine , it is t

7、o how to carry out handling for sampling data , is for the collection of data and conversion and calculation problem has studied. have discussed the suspension of the key in single flat machine control system , calculate problem , show as a result that through software design, realization is perfect

8、ed more. this text is weighing the foundation of hardware design to intelligent electron , has analysed the software control method of electronic name in detail. since the electron of single flat machine control weighs structure, is simple, cost is cheap, receive deeply people like , this text will

9、carry out detailed discussion for this. keywords：pressure transducer；sampling circuit ；a / d converter；lcd display 目目 录录 引引 言言 1 第第 1 章章 概概 述述 2 1.1 课题的研究背 景 2 1.2 电子秤的研究现状及发展状 态 2 1.3 电子秤的组成与工作原 理 4 1.4 任务介 绍 5 1.5 系统框图的设 计 5 第第 2 章章 系统硬件电路的设系统硬件电路的设 计计 7 2.1 控制模块电路的设 计 7 2.2 数据采集模块电路的设 计 10 2.3 显示

10、电路与 at89s52 单片机接口电路的设 计16 2.4 键盘电路与 at89s52 单片机接口电路的设 计18 第第 3 章章 系统软件的设系统软件的设 计计 20 3.1 主程序流程图的设 计 20 3.2 数据采集模块流程图及子程序的设 计2 2 3.3 显示模块流程图及子程序的设 计 23 3.4 键盘模块流程图及子程序的设 计 24 结论与展结论与展 望望 25 致致 谢谢 26 参考文参考文 献献 27 附录附录 a 电气原理电气原理 图图 28 附录附录 b 外文文献及译外文文献及译 文文 29 附录附录 c 主要参考文献题录及摘主要参考文献题录及摘 要要 36 附录附录 d

11、主要源程主要源程 序序 38 插图清单插图清单 图 1-1 电子秤系统的结构框 图 5 图 2-1 at89s52 单片机引脚 图 8 图 2-2 时钟振荡电 路 9 图 2-3 上电复位电 路 10 图 2-4 压力传感器原理 图 11 图 2-5 传感器外围电路的设 计 12 图 2-6 ad574 引脚 图 14 图 2-7 ad574 与 at89s52 的接口电 路 15 图 2-8 lcd1602 引脚 图 16 图 2-9 lcd1602 与 at89s52 的接线 图 17 图 2-10 键盘电路与 at89s52 单片机接口电路的设 计18 图 3-1 系统主程序流程 图 2

12、1 图 3-2 a/d 转换启动及数据读取程序流程 图22 图 3-3 显示子程序流程 图 23 图 3-4 键盘子程序流程 图 24 引引 言言 随着科学技术和经济的发展，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，人们对称重装置的要求也越，电子称重装置推广，从而进入到传感器，电 子学和微处理机领域、使得称重装置变成为电子仪器。它的特点是：精确、智能、方 便、明了、可靠，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。 称重技术的突破是微处理机的应用。称重技术的这种发展是由于不仅要求获得静 态称重数据，而且进一步要求称重工作的自动化，实现快

13、速称量，以及测量各种动态 参数，提高测量精度和各种数据的及时处理。这些精度、速度、性能和功能方面的要 求是传统的机械测量系统无法满足的。也就是说、这种技术发展中的突破是必然的结 果。 电子称重装置出现于 80 年代初，随着电子元器件集成化的迅速发展，随着微处理 机，单片机的发展和计算机软件的开发，产品价格的下降、电子称重装置在技术上的 优势；多功能、高精度、操作方便等，使得不仅实验室的传统称量装置已被电子称重 装置所取代，这种趋势已经扩展到工业和其他领域。 本系统是针对自动称重、计算价格进行了研究的。讲述了用单片机控制a/d转换、 键盘输入和数据显示，对如何实现键盘中断、a/d采样进行研究。着

14、重讨论了数据处理 问题，结果表明利用软件实现一系列功能使的性能价格比达最优。设计特别适用于测 量精度要求较高的场合, 具有较高的实用价值和推广价值。 本课题本着电子秤向高精度、高可靠方向研究, 而且向多种功能的方向发展的思想， 主要对电子秤一些简单功能进行了研究。主要通过强大软件功能实现电子秤的数据处 理功能、多种计算功能, 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。 本文中第一章讲述了电子秤的发展情况及其工作原理，第二章讲述了电子秤的硬 件电路组成部分。第三章详细介

15、绍了电子秤的软件设计，及各部分功能实现的软件设 计。 第第 1 章章 概述概述 1.1 课题的研究背景 电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送 中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比 传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操 作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。电子秤 的设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电 压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电 压信号经 a/d 转换电路转换成数字量被送入

16、到主控电路的单片机中，再经过单片机控 制液晶显示器，从而显示出被测物体的重量。 目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精 度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产 成本高。而且目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技 术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，本课 题有针对性地设计出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改 善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。 1.2 电子秤的研究现状及发展趋势 1.2.1 电子秤在国内外的研究现状 近几年，国内的电子称重

17、系统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。电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展，从模拟测量向数字测量发展， 从单参数测量向多参数测量发展。电子称重系统制造技术及其应用得到了新发展。国 内电子称重技术基本达到国际上 20 世纪 90 年代中期的水平，少数产品的技术已处于 国际领先水平。做为重量测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确，测 量速度快，易于实时测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量 称，成为测量领域的主流产品。 在国际上，一些发达国家在电子称重力一面，从技术水平、品种和规模等方到了 较高的水平。特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。

18、其中梅特勒一托利多 公司生产的 bbk4 系列高精度电子秤精度达到了 1mg，速度大约为 1 次/秒。目前，电 子秤在称量速度方面需要进一步的研究。在称重传感器方面，国外产品的品种和结构 又有创新，技术功能和应用范围不断扩大。 1.2.2 电子秤的发展状态 1、电子秤技术渗入衡器制造业 随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入生产工艺过程中去，对 称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术不断渗入衡器制造业。 在 1954 年使用了带新式打印机的倾斜杠杆式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且 用电磁铁机构与代替人工操作的按键与办公机器联用。在 1960 年开发出了与衡器

19、相联 的专门称重值打印机。当时的带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有 关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。 2、电子秤步入社会 电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、由 机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近 30 年以来，工 艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出 电信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且也能作为总 系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和 合理化。 近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。现

20、代称重技术和数 据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可 缺少的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了其础， 国外如美国、西欧等一些国家在 20 世纪 60 年代就出现了 0 .1 %称量准确度的电子秤， 并在 70 年代中期约对 75 %的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。 国内的衡器在 20 世纪 40 年代以前还全是机械式的，40 年代开始发展了机电结合 式的衡器。50 年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。80 年代以来， 国内通 过自行研制、引进消化吸收和技术改造，已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电 子技术、计算机

21、技术于一体的电子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、 读数方便、能在恶劣环境下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控 制的自动化等特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各 个部门。随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子 称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。 3、电子衡器的分类 电子衡器实际上由两个测量部分组成，即“力电”转换元件（称重传感器）以 及显示仪表。电子衡器大致可以分为两大类，一类是在杠杆式机械衡器的基础上增加 一套“位移数字”转换及测量装置，将被称物体的重量直接用数字显示出来。这类 衡器，通常

22、采用码盘、光栅、电磁平衡力矩器、同步感应器或陀螺传感器等。这种电 子衡器人们通常称其为光栅电子秤、码盘电子秤、电子磁力电子秤、同步感应电子秤 或陀螺电子秤。另一类电子衡器是通过称重传感器，将被称物体的重量直接转换为与 被测重量成正比的电量信号，再由电子测量装置计量其大小，并直接显示其重量数据， 这类电子衡器一般称为传感器式电子衡器，本设计所讲的就是此类电子衡器。 4、电子秤的发展动态 电子秤产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子秤到大型的电子称重 系统，从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元，其应用领域在 不断地扩大。根据近年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器

23、市场的需求， 电子衡器总的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速 率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其应用性趋向于综合性、组合性1。 小型化：体积小、高度低、重量轻，即小薄轻。为使电子衡器的承载器达到小、 薄、轻，开始采用重量轻且刚度大的空心波纹铜板和方形闭合截面的薄壁型材。 模块化：电子衡器的承载器采用模块式一体组合或分体组合，产生新的品种和规 格。这种模块化组合不但提高了产品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生产效率， 降低了成本。 智能化：与电子计算机组合或开发称重用计算机，利用计算机的智能来增加称重 显示控制的功能，使其在原有功能的基础上增加判断、自诊断、自适

24、应、自组织等功 能。 集成化：对于某些品种和结构的电子衡器，可以实现承载器与称重传感器一体化 或承载器、称重传感器与称重显示控制器一体化。 综合性：电子称重技术和电子衡器产品的应用范围不断扩大，它已渗透到一些学 科和工业自动控制领域。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打 印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动 化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电 子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系 统。 组合性：在工业生产过程或工艺流程中，不少称重系统还应具有可组合性，即： 测量范

25、围可以任意设定；硬件能够依据不定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与 指令可使用不同的语言，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。 1.3 电子秤的组成和工作原理 1.3.1 电子秤的基本结构 电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确 定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以 下三部分组成： （1）承重、传力复位系统 它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般 包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。 （2）称重传感器 即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把

26、支承力变换成电的或 其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。 按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电 位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或 是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。 对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线 性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工 作；有较好的频响特性；稳定；可靠。 （3）测量显示和数据输出的载荷测量装置 即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、 调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部

27、件（如显示、打印、数据传输和存贮器件 等） 。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前 置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。 1.3.2 电子秤的工作原理 当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感 器随之产生力电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成 正比关系)的电信号(电压或电流等) 2。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/ 数（a/d）器进行转换，数字信号再送到微处器的 cpu 处理，cpu 不断扫描键盘和各 种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、

28、由仪 表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，cpu 发出指令，从 内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、a/d 转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。 1.4 任务介绍 本课题性质： 设计一个电子秤电路，属设计型课题。 主要功能指标： 采用单片机为控制核心，设计一电子秤电路，要求能够快速准确地显示单重、单价， 并自动计算总价（总价=单价单重） 。 主要技术指标： 称量范围 020kg，精确度为 0.01kg。 1.5 系统框图的设计 本课题的主要设计思路是：利用压力传感器采集因为压力变化产生的电压信号， 经过电压放大电路放大，然后再经过模数

29、转换器转换为数字信号，最后把数字信号送 入单片机。单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量及总额，然后再显示 出来。此外，还可通过键盘设定所称物品的价格。这种高精度智能电子秤体积小、计 量准确、携带方便,集质量称量功能与价格计算功能于一体,能够满足商业贸易和居民 家庭的使用需求。 按照本设计功能的要求，系统由 4 个部分组成：控制器部分、数据采集部分、数 据显示部分、键盘部分，系统设计总体方案框图如图 1-1 所示。 放大电路 a/d 转换器键盘 压力传感器at89s52 单片机 lcd 显示 图 1-1 电子秤系统的结构框图 本课题设计的数据采集部分是利用称重传感器检测压力信号，电阻应

30、变片把机械 应变信号转换为r/r 后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，所以得到的电 压信号也是非常微小的，它难以直接精确测量，且不便处理。正是又由于输出的电压 信号也很小，是 mv 级的电压信号，而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路， ） 放大处理，将电压信号放大，得到较大的便于测量的电压信号，送至 a/d 转换器。因 为控制器只能接收并识别外界的数字信号，而经过处理电路输出的信号是模拟信号， 此时就需要利用 a/d 转换器讲模拟信号转换为可被接收的数字信号送入控制器。控制 器部分接受来自 a/d 转换器输出的数字信号，这时还需要键盘电路，它的功能有输入 商品的单价，小数点，删除，确

31、认，清零等功能，采用中断的方式使控制器识别，经 过控制器的运算，得出商品的总价，再将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将 其存储到存储单元中。需要显示的时候控制器将实际的重量信号送至 lcd 显示部分， 通过 lcd 显示部分输出显示商品的总价，这样达到本设计的功能指标。 第第 2 章章 系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计 2.1 控制模块电路的设计 2.1.1 单片机的选型 选择单片机型号的出发点有以下几个方面： 1、市场货源 系统设计者只能在市场上能够提供的单片机中选择，特别是作为产品大批量生产 的应用系统，所选的单片机型号必须有稳定、充足的货源。 2、单片机性能 应根据系统的功能要求

32、和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标的型 号，而且能达到较高的性能价格比。单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠 性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。影响性能价格比的因素除单片机的性能 价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性 能价格比。 3、研制周期 在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能 马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良 的开发工具能加快系统地研制进程。 at89s 系列单片机是继 at89c 系列之后推出的功能更强的新产品。at89s 系列与 at89c 系列相比

33、，运算速度有了较大的提高，它的静态工作频率为 033mhz，片内集 成有双数据指针 dptr、定时监视器(看门狗)、低功耗休闲状态及关电方式、关电方式 下的中断恢复等诸多功能，极大地满足了各种不同的应用要求。at89s52 单片机是 at89s 系列中的增强型高档机产品，它片内存储器容量是 at89s51 的一倍，即片内 8kb 的 flash 程序存储器和 256b 的 ram。另外，它还增加了一个功能极强的、具有 独特应用的 16 位定时计数器等多种功能。在工程应用中 at89s52 有一显著的优势： 不需要烧写器，只借助 pc 机的并口输出和极为简单的下载电路，便可将程序通过串 行方式写

34、入单片机。并且下载电路可设计在系统中，可以随时修改单片机的软件而不 对硬件做任何改动。 由此，通过对目前主流型号的比较，我们最终选择了 at89s52 通用的普通单片机 来实现系统设计。 2.1.2 at89s52 单片机芯片的介绍 at89s52 单片机是 atmel 公司新近推出的高档型 at89s 系列单片机中的增强型 产品。atmel 公司是美国 20 世纪 80 年代中期成立并发展起来的半导体公司。该公司 的技术优势在于推出 flash 存储器技术和高质量、高可靠性的生产技术，它率先将独特 的 flash 存储技术注入于单片机产品中。其推出的 at89 系列单片机，在世界电子技术 行

35、业中引起了极大的反响，在国内也受到广大用户欢迎。 at89s52 是一个低功耗,高性能 cmos 8 位单片机，片内含 8k bytes isp(in-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 flash 只读程序存储器。器件采用 atmel 公司 的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 mcs-51 指令系统及 80c51 引脚结构。 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 isp flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 at89s52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 at89s52 具有如下特点：40 个引脚，8k bytes flas

36、h 片内程序存储器，256 bytes 的随机存取数据存储器（ram） ，32 个外部双向输入/输出（i/o）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，3 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，看门狗 （wdt）电路，片内时钟振荡器。其芯片引脚图如图 2-1 所示。 p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p2.7 p2.6 p2.5 p0.7 p2.3 p2.1 p2.0 p2.2 p0.2 p0.1 p0.0 vcc p1.7 rst p3.0/rxd p3.1/txd p3.2/int0 p3.3/int1 p3.4/t0 p3.5/t1 p3.6/wr p3.

37、7/rd xtal2 xtal1 gnd p1.5 p1.6 p0.3 p0.4 p0.5 p2.4 p0.6 ale vpp 38 psen 40 39 36 37 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 9 8 7 6 5 4 3 2 1 21 22 23 24 25 18 17 16 15 14 13 12 20 11 10 19 图 2-1 at89s52 单片机引脚图 此外，at89s52 设计和配置了振荡频率可为 0hz，并可通过软件设置省电模式。 空闲模式下，cpu 暂停工作，而 ram 定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作， 掉电模式冻结振荡器而保存 r

38、am 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复 位。同时该芯片还具有 pdip、tqfp 和 plcc 等三种封装形式，以适应不同产品的需 求。 2.1.3 at89s52 的最小系统电路 at89s52 单片机的最小系统由时钟电路、复位电路等与单片机构成。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。 1、本次设计使用 at89s52 单片机的时钟振荡功能，因为时钟电路为单片机提供 时钟周期，如果没有时钟电路，单片机就没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片 机就无法工作。at89s52 中有一个用于构成内

39、部震荡器的高增益反相放大器，引脚 xtal1 和 xtal2 分别是该放大器的输入和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片 外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器3。如图 2-2 所示，外接石英晶体或者 陶瓷谐振器以及电容 c1，c2 接在放大器的反馈电路中构成并联谐振电路。谐振器本 身对外接电容 c1、c2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡 频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度以及温度的稳定性，所以本设计 使用石英晶体，每个电容大小为 30pf。晶振的振荡频率是 1.2mhz12mhz 之间，本 设计选择 12mhz，因为晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就

40、越高，单片机的运行 速度也就越快。 2、因为很多用户设计完单片机系统，并在调试的过程中，可能会出现“死机”或 “程序走飞”等现象，所以本设计需要采用复位电路来使单片机复位，来防止这一现 图 2-2 时钟振荡电路 xlat1 xlat2 gnd 12mhz 30pf at89s52 30pf 象的发生，复位电路设计的好坏，将直接影响系统的可靠性。复位电路通常采用上电 自动复位和按钮复位两种方式，复位是单片机的初始化操作，除进入系统的正常初始 化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，可以 按复位键以重新启动，也可以通过监视定时器来强迫复位。只需给单片机的复位引脚 rs

41、t 加上大于 2 个机器周期的高电平就可使单片机复位3，本设计采用的是上电复位 电路，其主要特点是简单，适用于简单的电路，做起来还是比较方便的。 本设计采用的上电复位电路如图 2-3 所示，上电复位电路是通过外部复位电路的 电容充电来实现的。当电源接通时只要 vcc 的上升时间不超过 1ms。就可以实现自动 上电复位。本设计采用时钟频率为 6mhz，电容取 22uf,电阻取 1k。 在本设计中，当电源接通后，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。 系统复位对于本系统是执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。 单片机

42、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，再检查 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。 2.2 数据采集模块电路的设计 数据采集模块电路包括：（1） 、压力传感器输出信号的放大电路部分，压力传感 器将接收到的压力信号转变为电信号输出，放大电路的作用就是将其电信号进行放大 处理。 （2） 、a/d 转换器模块，因为单片机只能接收数字信号，而前面输出的是模拟信 号，a/d 转换器的作用就是将模拟信号转变

43、为数字信号，送入单片机进行处理。此外还 包括 a/d 转换器与单片机的接口电路部分。 2.2.1 压力传感器的选择 传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器 件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接 +5v rst 22uf 图 2-3 上电复位电路 1k at89s52 感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量 的电信号部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的 社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测 与控制系统之首，是感知获取与检测信

44、息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的 接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理 的电信号9。因此，传感器的地位与作用特别重要。 方案一 压电传感器 压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于 某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。压电传感器体积小、重量 轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量， 更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内 阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性， 这对外接电路要求很高。 方案二 电容式

45、传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简 单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器 可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素： （1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法 至几十皮法。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施10。 （2）初始电容 小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 方案三 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构 型传感器。电阻

46、应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电 阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件 构成力学量传感器。其工作原理图如图 2-4 所示。 r2+r2 r3-r3 r4+r4 r1-r1 ein eout 图 2-4 压力传感器原理图 其测量原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，应 变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流 的变化12。 本设计中选用最终方案我们选择的是 ns-th1 系列压力传感器，额定载荷 20kg， 该压力传感器均采用全桥式等臂电桥。本设计采用的惠斯登电桥具有很多优

47、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。压力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4。 用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对本系统的正确使用传感器至 关重要，它关系到整个系统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。而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。 2.2.2 传感器外围电路的设计 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。导体的电阻 随着机械变形而发生

48、变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换 为 r/r 后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处 理。因此，要采用转换电路把应变片的r/r 变化转换成电压变化5。又由于输出的电 压信号也很小，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选用 10k 电 阻，是为了满足系统抗干扰的要求而设计。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。其电路图如图 2-5 所示。 图 2-5 传感器外围电路的设计 op07 op07 o

49、p07 op07 +10v 12k 5k 2.5v v1 lm324 2k 1k 12k 13k 14k 4k 4k 1k 10k 10k 10k 10k 20k 20k r2 r3 a2 r3 a1 a4 a3 a2 rp1 rp2 因为供电电流变动会直接影响传感器的输出电压，所以希望电流变动要小。此外， 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，由稳态二极管提供 2.5v 的输出电压经电阻 r2

50、 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 8。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。rp1 用于电压的调整，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。 2.2.3 a/d 转换器的选型及其与 at89s52 的接口电路 a/d 转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。

51、 目前，世界上有多种类型的 adc，有传统的并行、逐次逼近型、积分型 adc，多种类 型的 adc 各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。目前，adc 集成电路主要有 以下几种类型： 1、并行比较 a/d 转换器：如 adc0808、 adc0809 等 。并行比较 adc 是现今 速度最快的模/数转换器，采样速率在 1gsps 以上，通常称为“闪烁式”adc。它由电阻 分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的 adc 所有位的转换同时完 成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。缺点是：并 行比较式 a/d 转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不

52、高于 8 位7，因 此并行比较式 a/d 只适合于数字示波器等转换速度较快的仪器中，不适合本系统。 2、逐次逼近型 a/d 转换器：如：ads7805、ads7804 等。逐次逼近型 adc 是应 用非常广泛的模/数转换方法，这一类型 adc 的优点：高速，采样速率可达 1msps,与 其它 adc 相比，功耗相当低；在分辨率低于 12 位时，价格较低。缺点：在高于 14 位 分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包 括增益级和滤波，这样会明显增加成本。 3、积分型 a/d 转换器：如：icl7135、icl7109、icl1549、mc14433 等。积分

53、 型 adc 又称为双斜率或多斜率 adc，是应用比较广泛的一类转换器。它的基本原理 是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时， 在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现 a/d 转换。积分型 adc 两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与 时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压 vr。此外，由于输入端采用了积分器， 所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。若把积分器定时积分的时间取为工频信号 的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减小到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。 这类 adc 主要应用于低速、精密测量等领域

54、，如数字电压表。其优点是：分辨率高， 可达 22 位；功耗低、成本低。缺点是：转换速率低，转换速率在 12 位时为 100300sps。 根据系统的精度要求以及综合的分析其优点和缺点，本设计采用了 12 位 a/d 转 换器 ad574，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%，所以更适合于 本次设计的系统。并且芯片内部有三态输出缓冲器，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，且能与 cmos 及 ttl 电路兼容，这

55、 些在本设计中都能比较容易的实现6。ad574 采用 28 脚双列直插标准封装，其引脚图 如图 2-6 所示。 本系统中的逻辑控制输入信号 a0，/cs，r/-c 分别为：字节选择控制信号，片选 信号，读数据/转换控制信号。本设计中，它们分别接于 74ls373 的 q0，q1，q2 引脚。 ce：片启动信号。本系统要始终保持 a/d574 处于工作状态，所以保持/cs=0，ce=1 同时满足。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。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；

56、为低电平时，对应 8 位输出。此接口接地，本设计中采用 8 位输出。 sts：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 1 18 19 20 21 22 23 25 24 26 27 28 13 14 r/c a0 15 16 17 3 5 4 6 7 8 9 10 11 2 db1 cs db0 sts 20vin bin 10vin vee bout vcc v1 dgnd bipoff 12/8 db4 db5 db6 db7 db8 db9 db10 db11 ce db2 db3 图 2-6 ad574 引脚图 为低电平11。同时它也可以利

57、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。db11db0：12 位数字量输出端，此系统中 db0db3 接于 db8db11 上， db4db6 分别与 74ls373 的 d7d5 相接，db7db11 分别与 74ls373 的 d4d0 相 接，送单片机进行数据处理。 由于对 ad574 8、10、12 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，其与单片机的接线 图如下

58、图 2-7 所示。 q7 q6 q5 q4 q3 q1 q2 d6 oe d5 d4 d7 d3 d2 le d1 d0 q0 p1.7 p1.6 p1.5 p1.4 p1.3 p1.2 p1.1 p1.0 ale r/c a0 db1 cs db0 sts 20vin bin 10vin vee bout vcc v1 dgnd bipoff 12/8 db4 db5 db6 db7 db8 db9 db10 db11 ce db2 db3 ad574 at89s52 74ls373 int1 图 2-7 ad574 与 at89s52 的接口电路 100k 100k 100k 100k g

59、nd 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， 所以本系统中将单片机的/rd 引脚和/wr 端通过与非门与 ad574 的 ce 端连接起来。 因为本设计采用 a/d574 的 8 为输出，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。由于控制器可采用中断、查询或者程序延时等方式读取 ad574 的转换结果， 本设计中采用的是中断方式来读取转换结果，将转换结束状态 sts 端接到 p3.3（外部 中断/int1）。其工作过程如下： 1、当单片机执行

60、对外部数据存储器的写指令，并使 ce=1，/cs=0，r/-c=0，12/- 8=0 时，进行 8 位 a/d 转换启动。 2、cpu 等待 sts 状态信号送 p3.3 口（外部中断/int1），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 8 位的转换结果数据。 2.3 显示模块与 at89s52 单片机接口电路的设计 本设计所设计的电子秤系统需要显示一些数据，例如商品的重量，单价及其总价 等等，所以本设计得采用显示模块达到其功能指标，数据显示部分可以有以下两种方 案供选择。的组成有以下两种方案可供选择：一是 led 数码管显