毕业设计基于单片机的电子秤设计

1、基于单片机控制的电子秤设计摘要本文介绍了一种以89C51单片微处理器最小系统并配以几个主要的集成电路器件研制成功的智能电子秤。系统充分利用微机的软件功能,有效地解决了高性能与低成本间的矛盾,开拓了国产新秤的应用领域。关键词：电子秤单片机V/F转换硬件软件Abstract This text introduce one with 89C51 form slices of microprocessor minimum system and mix with several main integrated circuit intellectual electron that device devel

2、op successfully Balance . System utilize software function of computer fully, solve high performance and contradiction of low cost effectively, have opened up the application of the domestic new balance .Keyword：Electronic scale ，One-chip computer ，V/F changes ，The hardware ，Software第一章 引言11 秤的平衡原理是

3、什么? 质量与重量是密切相关的但却是概念不同的两个物理量.它们的区别是:(1)定义不同 质量与重量的定义不同,可参考前面讲过的内容质量表示物体所含物质的多少，而重量表示物体所受重力的大小。 (2)量的变化规律不同 根据物理知识我们知道,在物体运动远远小于光速时,物体的质量永远是个恒量,它随时间.地点和环境条件而变化. 物体的重量,随着地球的地理和海拔高度而变化.严格说来,它是地球的重力场的位置和时间的函数. 具体讲,物体的质量不论在什么地方都是相同的,是一个恒量.而物体的重量却是一个变量,同一个物体,在地球的不同地方其重量是不同的,就是由于它的重力加速度在不同的地点是不同的.(3)在同一单位制

4、中 在同一单位制中,若一个是基本单位,则另一个必是导出单位.在国际单位制中,质量的基本单位是千克(公斤),而表示重量的单位是牛顿. 秤的平衡原理是由杠杆平衡原理与罗伯威尔原理组成. 杆秤.台秤和地秤等应用的是杠杆平衡原理,而案秤是应用罗伯威尔原理和杠杆平衡原理制成的.所以,总体上说,绝大部分秤选择的是杠杆平衡原理与罗伯威尔原理.当然,也有少部分秤和特殊种类的秤应用的是其它平衡原理.12 电子秤设计的关键技术目前设计电子秤的关键,一是增强功能,二是降低成本。在设计研制新秤的过程中,应主要解决这两个问题,从而设计出具有市场竞争力的电子秤。和普通电子秤比较,微机智能电子秤具有下列特点:(1)采用80

5、31单片机构成最小系统,充分发挥微机智能,实现硬件软化、少键多功能,从而减少电路元件,大大降低硬件成本。(2)该秤A/D转换采用了V/F转换器,它与单片机接口简单,易于实现隔离,并具有转换精度高、速度快、价格低、电源范围宽、抗干扰能力强等优点。(3)系统软件采用模块化的程序设计方法,既方便程序的修改和调试,又能实现软件的自诊和判断,提高了软件的易理解性和易维护性。(4)该秤设计有计价功能。通过执行相应的键功能程序,可分别实现固定单价计价功能和特殊计价功能。操作简单,使用方便。第二章 系统硬件设计21 承重传力结构它是将被称物体的重量传递给机-电(或力)转换元件的全部机械系统,一般包括有承重台面

6、,秤桥结构,吊挂连接部件信限位减振机构等.22 力-电转换元件 一般称为一次仪表或一次转换元件,它可以将作用于该元件上的非电量(重量)按一定的函数(通常是线性的)转换为电量(电压,电流,频率等)输出.对机电式电子秤来说力-电转换元件就是码盘,电磁力发生器,同步感应器等,对传感器式电子秤来说,这力-电转换元件就是各种工作原理的称重传感器.1六线制长线补偿技术 当供桥电源距离称重传感器的安装位置较远时，为了减少线路损耗，其连线一般采用铜线，但铜线的电阻温度系数较大。致使传感器输入端的电压将由铜线电阻随温度变化，这在环境温度变化较大的地区尤为明显。解决的办法，除了采用上述稳流供电源外，目前更多的是采

7、用六线制的长线补偿法。原理图如图43所示。增加了两根供桥电压反馈线。在一般的情况下，传感器和供桥电源的测量仪表的连线是采用四芯屏蔽电缆，两根作为供桥电压输入线，两根是传感器的输出信号线。采用长线补偿时增加了两根供桥电压反馈线，从传感器的供桥电压的输入端接至稳压源的取样电路，由于取样电路很小，反馈线路的电压降以及随温度变化的影响可以忽略不计。这样稳压源的取样电压直接取处传感器供桥输入端，因而可以得到极高的稳定度，而不受环境温度变化的影响。2供桥电压的选择： 称重传感器的供桥电压的选择，一般是根据传感器生产厂说明书上所推荐的电压值或指定的不超过某一电压范围作为传感器桥路的输入电压.对于电子秤来说,

8、尽管不会因供桥电压超过电压值而损坏传感,但有可能使它的输出性能变坏.直接影响供桥电压提高的因素有：电阻应变片的形式、应变片的面积和阻值、弹性体的材料，传感器的散热能力以及环境温度等。一般是把传感器接通供桥电源之后一定时间内，达到热平衡这一指标作为依据；也有规定应变片的温度升高不超过某一特定值。从应变片的功耗和功耗密度角度出发,可从下式计算供桥电压值:V=2sqrt(RPF)其中：R-应变片电阻值（欧姆）； P- 应变片箔sha上的功率密度（瓦/毫米 ）； F-应变片面积（毫米）。如何将电子秤中各传感器桥路组合起来合理使用，一般有以下几种方法： 串联工作方式 即是各个传感器使用独立电源单独供桥，

9、输出端串联连接方式。首先分析如图4-4所示两个传感器桥路的串联工作方式情况。设他们桥臂电阻分别为R1,R2,灵敏度分别为S1,S2,供桥电压分别为U1,U2,满量程均为P。显然它们的载荷灵敏度分别为S1 U1/P,S2U2/P,为了保证正常的串联工作状态，需要满足S1U1/P=S2U2/P即S1U1=S2U2。同理，可证明当n个传感器串联工作时。为保证正常工作，也需要从这个公式中可以看出,对于串联工作的传感器,不管各个传感器的参数如何,理论上都可以通过调整供桥电压建立起正常的工作状态。当然，实际使用中参数的离散性也不能太大。并联工作方式 即各个传感器的输入端并联，使用一个公共电源供桥，输出也并

10、联的工作方式。首先分析两个传感器的并联工作方式情况（如图4-5）。设它们的灵敏度分别为S1,S2,桥臂电阻分别为R1,R2,供桥电压为U,满量程为P,为分析方便，首先给出如图4-5所示，一具传感器的灵敏度为S，满量程为P,供桥电压为U,载荷为W。从输出端看近去即类似一个有内阻的电源。E是传感器受力后产生的电压信号，R是传感器的输出阻抗。在供桥电压不变的情况下，e是一个随载荷变化的量，并且有e=WSU/P。显然，当一具传感器单独工作时e就是输出信号，即u=e，对于理想传感器R就等于桥臂电阻的值。根据这等效电路可得两个并联工作的传感器的等效电路如图4-7所示，其中e1=W1S1U/P, e2=W2

11、S2U/P,式中W1,W2分别为两个传感器所承受的载荷。为了确定每个传感器的载荷灵敏度，分别假定当W1=0时，U=U2；当W2=0时，U=U1；显然U1,U2分别就是传感器1和2单独工作时在输出端产生的电压信号。显然，U1=e1R2/(R1+R2)=W1S1UR2/P(R1+R2)，U2=e2R1/(R1+R2)=W2S2UR1/P(R1+R2)；假定传感器1和2 的载荷灵敏度分别为G1和G2，则根据载荷灵敏度的概念有G1=U1/W1=S1UR2/P(R1+R2), G2=U2/W2=S2UR1/P(R1+R2)为了保证两个并联的传感器能够正工作，需要G1=G2即S1UR2/P(R1+R2)=

12、S2UR1/P(R1+R2)亦即S1R2=S2R1或S1/R1=S2/R2这就是两个传感器并联工作的条件，显然并联工作状态对传感器本身的参数的要求是比较高的。同理，当n个传感器并联工作时可得S1/R1=S2/R2=Sn/Rn串并联混合工作方式 这是前述两种工作方式的综合。即有串联又有并联。 通常采用的是各个传感器使用独立的供桥电源，但输出并联连接，如图4-9所示，这种工作方式也称串并方式。通过分析可知两个传感器串并工作的条件是：S1U1/R1=S2U2/R2 由此可以看出，串并联工作方式既有前面介绍的并联工作方式的特点，又有串联工作方式相似的地方。它可不管所使用的各传感器的参数如何，而只通过调

13、整供桥建立正常的工作状态。当然传感器的离散性也不能太大。 同样可证明串并联工作方式时，n个传感器串联并联工作时的输出信号Un=U1，n个传感器串联并联工作后总的输出阻抗为Rn=1/nR。至于一个电子秤四个传感器两个两个地串联后再并联或两个两个地并联后再串联，虽然也可以，但实际应用中用得不多。23测量显示部分一般这部分习惯上称为二次仪表.它用于测量一次转换元件输出的电信号值,并一模拟方式或数字方式把称重值显示出来,在现代化的显示仪表中,还包括了为提高称量精度,加快称重速度等控制,逻辑判别,数据处理和打印等功能。最先进的 自动电子秤已普遍将微处理器或小型计算机系统作为测量和显示部件，因而能完成更复

14、杂的“智能化”功能。231放大器来自传感器的微弱电压信号U送入放大器被放大成010V信号以满足V/F转换器的输入要求。放大器选用OP07。把它接成差动放大电路,相对于专用的测量放大器而言,其价格低廉,具有稳定的高放大倍数、较小的零点漂移及较强的抗干扰能力。如图2。 图2 .放大部分输入电压IN+和IN分别加在集成运放的反相输入端和同相输入端，从输出端通过反馈电阻*100K接回到反相输入端。为了保证运放两个输入端对地的电阻平衡，同时为了避免降低共模抑制比，通常要求两个电阻相等为1K，接地端电阻与反馈电阻相等都为100K。在理想条件下，由于“虚断”，i+=i-=0，利用叠加定理可求得反相输入端的电

15、位为u-=(Uin+)*100/101)+Uo/101 ,而同相输入端的电位为U+=Uin-*100/101,因为“虚短”，即U-=U+，所以(Uin+)*100/101)+Uo/101= Uin-*100/101，当满足条件两个电阻都为1k,另一个电阻为100k时，整理上式，可求得差分比例运算电路的电压放大倍数为Auf=-100在电路元件参数对称的条件下，差分比例运算电路的差模输入电阻为Rif=2Ri由式Auf=-100可知，电路的输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了差分比例运算。其比值|Auf|同样决定于电阻Rf和R1之比，而与集成运放内部参数无关。由以上分析还可以知道，差分比例运算电

16、路中集成运放的反相输入端和同相输入端可能加有较高的共模输入电压，电路中不存在“虚地”现象。差分比例运算电路除了可以进行减法运算以外，还经常被用作测量放大器。差分比例运算电路的缺点是对元件的对称性要求比较高，如果元件失配，不仅在计算中带来附加误差，而且讲产生共模电压输出。电路的另一个缺点是输入电阻不够高。在该电路图中，传感器接外部电压，经过两个100n电容滤波、稳压后放大约100倍为2.510伏电压进入模拟开关，然后进行V/F转换。2. 3. 2 V/F转换器在介绍V/F转换之前先简单介绍一下积分电路。积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。它是组成模拟计算机的基本单元，用以实现对微分方程

17、的模拟。同时，积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元，利用其冲放电过程可以实现延时、定时以及各种波形的产生。电容C27两端的电压Uc与流过电容的电流ic之间存在着积分关系，即 Uc=1/Cicdt如能使电路的输出电压Uo与电容两端达到的电压Uc成正比，而电路的输入电压Ui与流过电容的电流ic成正比，则Uo与Ui之间即可成为积分运算关系。利用理想运放工作在线性区时“虚短”和虚断“的特点可以实现上述要求。如图三中，输入电压通过模拟开关4052选择后通过R加在集成运放358的反相输入端，并在输出端和反相输入端之间通过电容C引回一个深度负反馈，即是基本积分电路。为使集成运放 图三 V/F 转换两个

18、输入端对地的电阻平衡，通常使同乡输入端的电阻为R=R可以看出，这种反相输入基本积分电路实际上是在反相比例电路的基础上将反馈回路中的电阻Rf改为电容C而得到的。在此处电路中，将同相输入端接在一电阻的分压电路上，即改变了积分电路的基准电压，即将本来的0伏基准改为约2.39伏基准电压。由于集成运放的反相输入端“虚地”，故Uo=-Uc可见输出电压与电容两端电压成正比。又由于“虚断”，运放反相输入端的电流为0，则i1=ic,故Ui=i1R=icR,即输入电压与流过电容的电流成正比。由以上几个表达式可得Uo=-Uc=-1/Cicdt=-1/Rcu1dt,式中电阻与电容的乘积称为积分时间常数，通常用符号表示

19、，即RC。如果在开始积分之前，电容两端已经存在一个初始电压，则积分电路将有一个初始的输出电压Uo(0)，此时Uo=-1/Rcu1dt+Uo(0)。再简单介绍一下双积分转换。双积分转换过程分为两个阶段，第一次固定积分时间上下限，对输入信号进行积分，第二次加反向固定参考电压，对时间进行积分，直到第二次积分的值与第一次积分的值相互抵消为止。其原理框图如下，现将其工作过程说明如下：给出启动信号，S1接通，输入信号Ux开始积分，积分上限为T1。若转换器为n位，则有 T1=2nXTs=NTs且 Uox=-1/RCT1 0Uxdt可以认为Ux在此期间内不变，则有 Uoxm=-T1Ux/RC到达T1时刻后，S

20、1断开，S3接通，对常值-Uref积分，这是一次反向积分，此时有 Uox=-T1Ux/RC+1/RCTx0Urefdt =-T1Ux/RC+TxUref/RC当Uox=0时，则有 Tx=T1Ux/Uref此时计数器中的值应为 Nx=Tx/Ts=Txfs其中Ts、fs为运算周期和频率。将式Tx=T1Ux/Uref代入可得 Nx=Nux/Uref这里N和Uref都是常数，因此计数器的值与输入信号成正比，完成了A/D转换。图中S4用来自动调零，准备下一次启动。为了提高精度，有的芯片还有自动调零功能，补偿放大器的失调电压。双积分A/D转换的优点是转换精度高、抗干扰性强以及有较强的灵敏度。这是因为两次积

21、分用的是同一组器件，只要在转换期间内R、C和Ts不发生变化，就可保证精度。同时由于采用了积分，对叠加在信号上的交流干扰有较强的抑制能力。此外积分器的动态放大倍数为 K=T1/RC适当取值，可加大K值，提高灵敏度。这种方法的缺点是转换速度慢。因为两次积分，所需时间长，此外为了抑制工频干扰，T1值不宜小于20ms。用V/F变换来实现A/D 电压/频率(V/F)变换能把模拟量转变为数字脉冲数，其输入输出关系为 f=K|Ux|式中 f-输出脉冲频率Ux-输入模拟电压K-增益系数实现V/F变换的基本电路有积分复原式、电荷平衡式、交替积分式和电压反馈式四种。因这里用到的是电荷平衡式，所以在此对电荷平衡式的

22、工作原理做一简单介绍。电荷平衡式V/F变换原理电路如下图所示，它由积分电路、比较器和单稳电路组成。当电容C上的电压为0时，比较器发出一脉冲，它触发单稳电路产生一个脉宽为t0的脉冲，使积分器正输入端与恒流源（电流为Ir）接通，因为Ir大，故电容电压正向上升。到达t0时刻，单稳电路复原，将积分器正输入端接地，电容在Uin的作用下反向积分，电压Uc下降，当Uc到0时，第二个循环开始。在t0时间间隔内，Ir电流在C上的累积电荷为Irt0，而在T时间间隔内，Uin的累积电荷为UinT/R,因此有 Irt0=UinT/R则 f=1/T=Uin/Irt0R如果令Ir>>Uin/R,则有T>

23、>t0,此时上式f就是脉冲的频率，满足f=K|Uin|的要求。有了脉冲频率，只要在Ts时间内对脉冲记数，就可得到A/D转换的数字输出。Ts的值由下例方法确定。设Ts时间间隔内的脉冲数为N，即 N=fTs而 Uin/Umax=f/fmax由此两式可得： Ts=Numax/Uinfmax式中Umax-转换器满量程输入电压fmax-转换器满量程输出频率Uinmax-通道输入最大电压 n-计数器位数当Uinmax=Umax时，有 Ts=2n/fmax用V/F变换完成A/D转换的优点是具有较高的线性度和精度，便于隔离和传播。其主要缺点是转换速度较慢。在本设计电路中，模拟开关9，10脚接单片机I/O

24、口。在V/F转换过程中，模拟开关先选通X1，经op07放大100倍后的传感器电压进入，设定一个固定时间上下限T,经过100k电阻，对220n电容充电T时间，随着充电的进行，此时358的1 脚电压不断下降。在该积分电路中，其基准电压从分压电阻上引入，约为2.39V而150欧姆的另一端引出构成一个射极跟随器，射极跟随器的引出端电压接到4052的15脚和做为比较器的一端电压。一般积分电路上的积分电路端的正相输入端接地，此处接了一个2.39伏的电压做为地。这样做的好处是不需要引入一个负的电压来进行反向充电，而其射极跟随器的一端电压接到4052脚来基准电压的1/16来反向充电，以做到提高精度。在传感器充

25、电完成后，模拟开关选择X3,同时打开定时器0和外部中断1有效，开始计时。此时358的1脚电压开始上升，当上升到高于358的5脚电压时，比较器开始翻转，外部中断1接受到中断脉冲，保护计时值，关闭定时器0，同时4052选择开关选择X2,打开外部中断0，对电容进行正向充电。此次充电电压为基准电压的1/16，主要是为了提高V/F转换精度。充电完成后，比较器翻转，外部中断0接受到中断脉冲，保护计时值，然后进行内码处理。最后将重量值送到显示缓冲区进行显示。另外，由于V/F部分对数据的稳定性要求很高，为了防止各方面的电磁干扰，一般需要在V/F外部接上一个屏蔽罩。2. 3. 3电源部分本电路所需的电压为直流5

26、V，因此采用的三端集成稳压器为7805。该电源的电路图如上所示。交流电源经过电桥整流后，再经过两个电容滤波得到的直流输入电压U1接在输入端和公共端之间，在输出端即可得到稳定的输出电压+5V。为了改善滤波条纹，常在输入端接入电容，此处接入的为470u，同时也在输出端接上了一个相同大小的电容，以改善负载的瞬态响应，两个电容均直接接在集成稳压器的引脚处。此处接了两个7805，以得到两个+5V电源,一个电源用来提供单片机部分电源，另一部分用来提供V/F转换部分电源。之所以用两个电源分别提供是为了抗干扰，以使V/F转换后得到的数据更加稳定。2. 3. 4 单片机部分在此先简单介绍一下单片机的性能及本设计

27、所用的89C51单片机。微控制器又称单片机，具有控制功能强，体积小，功耗小等一系列的优点，它在工业控制、智能仪表、节能技术改造、通讯系统、信号处理及家用电器产品中都得到广泛的应用。随着数字技术的发展和单片机的广泛应用，以往采用模拟电路、数字电路实现的电路系统，大部分功能单元都可以通过对单片机硬件功能的扩展及专用控制程序来实现。近年来，微处理器的发展速度足以让世人惊叹。以计算机为主导的信息技术作为一种崭新的生产力，正在向社会的各个领域渗透，也使机电一体化的进程大大加快。机电一体化是当今制造技术和产品发展的主要倾向，也是我国机电工业发展的必由之路。可以认为，它是用系统工程学的观点和方法，研究在机电

28、系统和产品中如何将机械、计算机、信息处理和自动控制技术综合应用，以求机电系统和产品达到最佳的组合。机电一体化产品所需要的是嵌入式微型处理器，各种型号和功能更强的单片机和超级接口芯片不断出现，进一步向高层次发展的重要标志就是构成多机系统和分布式网络。世界上单片机芯片的产量以每年27%的速度递增，到本世纪初已达30亿片，而我国的年需求量也超过了一亿片的数量，这表明单片机有着广阔的应用前景。目前而言，英特尔公司的“MCS-51系列”161是所有单片机应用中的基础，后续的产品基本上是在它们的基础上进行性能改良和设计开发的，MCS-51单片机应用系统功能较强、价格较低，较早应用，目前应用广泛。MCS-5

29、1系列的三个基本产品是8031,8751,8051。它们本是同根生，引脚与指令完全兼容，核心是一个8位的CPU，但内部结构有所不同。8031除CPU外，还包括128字节的RAM, 21个特殊功能寄存器(SFR)、4个8位并行输入输出口、1个全双工串行口，2个16位的定时器/计数器，但内部没有程序存储器，需要在芯片外扩展EPROM芯片。8051包含了8031，芯片内又集成了4K字节的ROM，用作程序存储器，并且8051是掩膜型单片机，不超过4K字节的程序是厂家制作芯片时，代用户烧制的，用户不能修改。所以8051在国内很少见到。问题与8051功能相同的是8751，但是它的4K字节的程序存储器采用了

30、EPROM，用户可以其中反复修改程序。但是8751价格昂贵，甚至比8031外加一片4K字节的EPROM还贵，而且经常擦写的EPROM也较易损坏，8751的EPROM一旦损坏，整个片子就报废了。因此其应用范围也有所限制。Intel公司还在MCS-51系列三种基本型产品的基础上，推出了各类增强型产品，主要有8032/ 8052/ 8752:它们的内部RAM增到256字节，8752 /8052片内的程序存储器容量增到8K字节，定时器/计数器增至3个16位计数器，有6个中断源。另外还有低功耗的CHMOS工艺芯片的80C31/ 87C51/ 80C51:有二种掉电工作方式，其一是让CPU停止工作，其它部

31、分仍继续工作，其二是除片内RAM继续保持数据外，其它部分都停止工作。还有一种可用BASIC语言编程的BASIC52单片机，其芯片内固化有BASIC解释程序，而且BASIC52语言能和MCS-51汇编语台混合使用。高性能的8XCX52系列是以8052为基础，采用CHMOS工艺，并将MCS-96系列中的高速输入/输出、A/D转换器、脉冲宽度调制、看门狗定时器等移植进来构成新一代MCS-51产品，PHILIPS公司生产的8XC552系列即为此类产品。到目前为止，MCS-51也是后继有人了，首先是低功耗、高性能的89C51. AT89C系列和51完全兼容，但内含4K字节的FLASH PEROM(快擦写

32、可编程/擦除只读存储器)，可以电可擦写1000次以上。AT89C系列单片机价格也便宜，使用也方便，是真正单片的单片机。它的时钟频率高达20MHz，芯片上的EEPROM允许在线(+5V)电擦除、电写入，此外还支持软件选择的二种掉电工作方式，非常适于电池供电的场合。采用美国Atmel公司的AT89C51单片机，外部管脚如图2. 1所示。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM-Fal shProgrammable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工

33、业标准的MCS-51的指令集和输出管脚相兼容。该控制器将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器171，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51的主要特性如下: (1)能与MCS-51兼容 (2)有一个4K字节可编程闪烁存储器 (3)使用寿命比较长一般为1000写/擦循环 (4)数据保留时间长般为10年 (5)全静态工作:OHz-24Hz (6)三级程序存储器锁定 (7) 128*8位内部RAM (8) 32条可编程I/0线 (9)两个16位定时器/计数器 (10) 5个中断源 (11)可编程串行通道 (12)低功耗的闲置和掉电模式 (13)片

34、内振荡器和时钟电路 AT89C51的管脚说明如下: VCC端口:供电电压。 GND端口:接地端口。PO端口:PO端口为一个8位漏级开路双向I/0端口，每脚可吸收8个TTL门电流。当PO I-I的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。PO能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，PO端口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，PO输出原码，此时PO外部必须被拉高。P1端口:Pi端口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/0端口，Pi端口缓冲器能接收输出4个TTI,门电流。Pi端口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1端1-l被外部下拉为低电平时，将输出电

35、流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1端口作为低八位地址接收。P2端口:P2端口为一个内部上拉电阻的8位双向I/0口，P2端口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2端口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2端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端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端口输出地址的高八位。在给出地址“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端口输出其特殊功能寄存器的内容。P2端口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3端口:P3

36、端口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/0口，可接收输出4个TTL门电流。当P3端口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，当外部下拉为低电平，P3端口将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P3端口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示: (1) P3. 0 RXD(串行输入端口) (2) P3. 1 TXD(串行输出端口) (3) P3.2 /INTO(外部中断0) (4) P3.3 ANTI(外部中断1) (5) P3.4 TO(记数器0外部输入) (6) P3.5 T1(记数器1外部输入) (7) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) (7) P3.7 /

37、RD(外部数据存储器读选通) (8) P3端口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 (9) 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。 (10) ALE/PROD: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低位字节。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1 F.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，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和MOVC指令

38、时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。 (11) /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/PSEN信号将不出现。 (12) /EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(OOOOH-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 FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 (13) XTALl:反向振荡放大器的输入及内部时

39、钟工作电路的输入。 (14) XTAL2:来自反向振荡器的输出。 振荡器的特性如下: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。输入系内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除:整个FPEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合, 并保持ALE管脚处于低电平lOms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写"1"且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT8

40、9C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。在该电路中，A、B为用来选择模拟开关的片选信号，而ADOUT为V/F转换后比较器输出的信号。单片机IO口P1.7外接蜂鸣器，输出“1”有效，在蜂鸣器处并联一个二极管，用来保护蜂鸣器。单片机18，19脚接11.0592M晶振。9脚外接813L复位芯片。另外单片机外接了一个93C46EEPROM芯片，其6脚接地采用位结构。 2. 3. 5 键盘显

41、示部分键盘采用按键与I/O直接相连的方式，由于P2口内部带有上拉电阻，因此键盘与I/O口相连处就不再另外接上拉电阻。显示部分则采用74ls164驱动的显示电路。2. 3. 6 发送接收部分第二章 画图工具 PROTEL 99SE31 基本概况本系统采用的工具是PROTEL99SE。它是澳大利亚Protel Technology公司推出的一个全32位的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件设计者可以容易地设计原理图、画线路板、画元件封装图和电路仿真，是一个功能强大的电路板设计软件。PROTEL系统工作流程：（1），编辑原理图编辑原理图前，如果需要用到一些现存库中没有的

42、元件，则要自己建立库，添加新的元件，使用户原理图上所有的原器件都能在库中找到。然后创建原理图文件，调用所用的器件，并按要求画导线，实现各部分要实现发功能。（2），原理图向PCB图转化 原理图画好以后，就要向PCB图转化。在转化以前，先进行电气规则检查，检查原理图是否有问题，检查各个器件是否标上名称，名称有没有重复，导线是否连接正确，是否有断点。然后更新PCB，检查是否全部标上，封装是否全部正确，各点的网络连接是否正确。然后新建PCB文件，再把各器件的封装导入到PCB文件中，在PCB文件中，各器件的联系已经用非线表示出来。（3）PCB布线在器件的封装全部导入PCB图以后，下一步就是合理摆放各器件

43、的位置，要求在功能上不会有相互消极影响，而且最好有一定的审美效果，然后是布线，布线有如下特性：32 PCB基本特性一个PCB的构成是在垂直层上使用了一系列的层压、走线和预浸处理。在多层PCB中，设计者为了方便调试，会把信号线布在最外层。PCB上的布线是有阻抗、电容和电感特性的。下面便是PCB布线的普遍方针：增大走线的间距以减少电容耦合的串扰；平行的布电源线和地线以使PCB电容达到最佳；将敏感的高频线布在远离高噪声电源线的地方；加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗。分割分割是指用物理上的分割来减少不同类型之间的耦合，尤其是通过电源线和地线。局部电源和IC间的去耦局部去耦能减少沿着电源干线的噪

44、声传播。连接着电源输入口与PCB之间的大容量旁路电容起着一个低频脉动滤波器的作用，同时作为一个电势贮存器以满足突发的功率需求。此外，在每个IC的电源和地之间都应当有去耦电容，这些去耦电容应该尽可能的接近引脚。这将有助于滤除IC的开关噪声。基准面的射频电流不管是对多层PCB的基准接地层还是单层PCB的地线，电流的路径总是从负载回到电源。返回通路的阻抗越低，PCB的电磁兼容性能越好。由于流动在负载和电源之间的射频电流的影响，长的返回通路将在彼此之间产生互耦。因此返回通路应当尽 的短，环路区域应当尽可能的小。布线分离布线分离的作用是将PCB同一层内相邻线路之间的串扰和噪声耦合最小化。3W规范表明所有

45、的信号（时钟，视频，音频，复位等等）都必须象图20所示那样，在线与线，边沿到边沿间予以隔离。为了进一步的减少磁耦合，将基准地布放在关键信号附近以隔离其他信号线上产生的偶合噪声。接地技术接地技术既应用于多层PCB，也应用于单层PCB。接地技术的目标是最小化接地阻抗，以此减少从电路返回到电源之间的接地回路的电势。a) 单层PCB的接地线在单层PCB中，接地线的宽度应尽可能的宽，且至少应为1.5mm(60ml)。由于在单层PCB上无法实现星型布线，因此跳线和地线宽度的改变应当保持为最低的，否则将引起线路阻抗与电感的变化。b) 双层PCB的接地布线在双层PCB中，对于数字电路优先使用地格栅/点阵布线，

46、这中布线方式可以减少接地阻抗，接地回路和信号环境。像在单层PCB中，地线和电源线的宽度最少为1.5mm。 另外的一种布局是将接地层放在一边，信号和电源线放在另一边。在这种布置方式中将进一步减少接地回路和阻抗，去耦电容可以放置在距离IC供电线和接地层之间尽可能近的地方。c) 保护环保护环是一种可以将充满噪声的环境（比如射屏电路）隔离在环外的接地技术，这是因为在通常的操作中没有电流流过保护环。d) PCB电容在多层板上，由分离电源面和地面的绝缘薄层产生了PCB电容。在单层板上，电源线和地线的平行布放也将导致这种电容效应。PCB电容的一个优点是它具有非常高的频率响应和均匀的分布在整个面或整条线上的低

47、串连电感。它等于一个均匀分布在整个板上的去耦电容。没有任何一个单独的分立元件具有这个特性。布局布线技术a) 过孔过孔一般被使用在多层印制电路板中。当是高速信号时，过孔产生1到4nH的电感和0.3到0.8pF的电容到路径。因此，当铺设高速信号通道时，过孔应该被保持到绝对的最小。对于高速的并行线，如果层的改变是不可避免，应该确保每根信号线的过孔数一样。b) 45度角的路径与过孔相似，直角的路径转动应该被避免，因为它在内部的边缘能产生集中的电场。该场能产生耦合到相邻路径的噪声，因此，当转动路径时全部的直角路径应该采用45度的。c) 星型的信号排列虽然星型排列适用于来自多个PCB印制的电路板的地线连接

48、，但它带有能产生多个短截线的信号路径。因此，应该被避免用星型排列于高速和敏感的信号上。d) 不变的路径宽度 信号路径的宽度从驱动到负载应该是常数。改变路径宽度对路径阻抗产生改变，从而，能产生反射和造成线路阻抗不平衡。所以最好保持路径的宽度不变。 具体流程框图如图二十二所示： 图二十四33 布线时的注意事项1. 单面焊盘：不要用填充块来充当表面贴装元件的焊盘，应该用单面焊盘，通常情况下单面焊盘不钻孔，所以应将孔径设置为0。2. 过孔与焊盘：过孔不要用焊盘代替，反之亦然。3. 文字要求：字符标注等应尽量避免上焊盘，尤其是表面贴装元件的焊盘和在Bottem层上的焊盘，更不应印有字符和标注。如果实在空

49、间太小放不了字符而需放在焊盘上的，又无特殊声明是否保留字符，我们在做板时将切除Bottem层上任何上焊盘的字符部分（不是整个字符切除）和切除TOP层上表贴元件焊盘上的字符部分，以保证焊接的可靠性。大铜皮上印字符的，先喷锡后印字符，字符不作切削。板外字符一律做删除处理。4. 阻焊绿油要求：A. 凡是按规范设计，元件的焊接点用焊盘来表示，这些焊盘（包括过孔）均会自动不上阻焊，但是若用填充块当表贴焊盘或用线段当金手指插头，而又不作特别处理，阻焊油将掩盖这些焊盘和金手指，容易造成误解性错误。B. 电路板上除焊盘外，如果需要某些区域不上阻焊油墨（即特殊阻焊），应该在相应的图层上（顶层的画在Top Sol

50、der Mark层，底层的则画在Bottom Solder Mask 层上）用实心图形来表达不要上阻焊油墨的区域。比如要在Top层一大铜面上露出一个矩形区域上铅锡，可以直接在Top Solder Mask层上画出这个实心的矩形，而无须编辑一个单面焊盘来表达不上阻焊油墨。C对于有BGA的板，BGA焊盘旁的过孔焊盘在元件面均须盖绿油。5. 铺铜区要求：大面积铺铜无论是做成网格或是铺实铜，要求距离板边大于0.5mm。对网格的无铜格点尺寸要求大于15mil×15mil，即网格参数设定窗口中Plane Settings中的(Grid Size值)-(Track Width值)15mil，Tra

51、ck Width值10,如果网格无铜格点小于15mil×15mil在生产中容易造成线路板其它部位开路，此时应铺实铜，设定:(Grid Size值)-(Track Width值)-1mil。6. 外形的表达方式:外形加工图应该在Mech1层绘制，如板内有异形孔、方槽、方孔等也画在Mech1层上，最好在槽内写上CUT字样及尺寸，在绘制方孔、方槽等的轮廓线时要考虑加工转折点及端点的圆弧，因为用数控铣床加工，铣刀的直径一般为2.4mm，最小不小于1.2mm。如果不用1/4圆弧来表示转折点及端点圆角，应该在Mech1层上用箭头加以标注，同时请标注最终外形的公差范围。 7. 焊盘上开长孔的表达方

52、式：应该将焊盘钻孔孔径设为长孔的宽度，并在Mech1层上画出长孔的轮廓，注意两头是圆弧，考虑好安装尺寸。8. 金属化孔与非金属化孔的表达：一般没有作任何说明的通层（Multilayer）焊盘孔，都将做孔金属化，如果不要做孔金属化请用箭头和文字标注在Mech1层上。对于板内的异形孔、方槽、方孔等如果边缘有铜箔包围，请注明是否孔金属化。常规下孔和焊盘一样大或无焊盘的且又无电气性能的孔视为非金属化孔。9. 元件脚是正方形时如何设置孔尺寸：一般正方形插脚的边长小于3mm时，可以用圆孔装配，孔径应设为稍大于（考虑动配合）正方形的对角线值，千万不要大意设为边长值，否则无法装配。对较大的方形脚应在Mech1

53、绘出方孔的轮廓线。10. 当多块不同的板绘在一个文件中，并希望分割交货请在Mech1层为每块板画一个边框，板间留100mil的间距。11.钻孔孔径的设置与焊盘最小值的关系：一般布线的前期放置元件时就应考虑元件脚径、焊盘直径、过孔孔径及过孔盘径，以免布完线再修改带来的不便。如果将元件的焊盘成品孔直径设定为X mil，则焊盘直径应设定为X+18mil。D 焊盘铜箔， 基材， X 孔， d 孔的剖面图 X：设定的焊孔径(我公司的工艺水平，最小值0.3mm)。d：生产时钻孔孔径（一般等于X+6mil）D：焊盘外径：（d-X）/2：孔金属化孔壁厚度过孔设置类似焊盘：一般过孔孔径0.3mm，过孔盘设为X+16mil。12.建议值：线宽8mil ，线距8mil