基于单片机的便携式电子称设计Q

1、便携式电子称设计摘 要如今人们都追求高质量的生活，但质量高低，得有个评判的标准，于是，电子称诞生了。电子称具有称重精确度高，简单实用，携带方便，成本低，制作简单，测量准确，分辨率高，不易损坏和价格便宜等优点，是人们日常生活购物称重的首选。电子称电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，显示电路。本课程设计采用单片机 AT89S52 为控制核心，实现了电子称的基本控制功能。本设计慎重考虑了单片机、测量电路、A/D转换器等元器件的选择，然后进行了电子称的硬件部分、软件部分设计，并给出了相关的汇编语言程序。关键词 AT89S52 压力传感器 A/D转换器 LCD显示器目 录1 绪论11.1

2、电子称重技术的发展11.2 电子称的组成11.2.1 电子称的基本结构11.2.2 电子称的工作原理21.2.3 电子称的计量性能21.3 设计思路32 元器件的选择42.1 控制器部分的选择42.2 传感器的选择42.2.1 传感器的分类42.2.2 传感器静态特性62.2.3 传感器动态特性72.2.4 传感器的线性度72.2.5 传感器的灵敏度72.2.6 传感器的分辨力72.2.7 传感器的选择及其组成的测量电路82.2.8 传感器的转换电路的设计92.3 前级放大电路方案的选择102.4 A/D 转换器的选择132.4.1 A/D 转换器简介132.4.2 A/D 转换器方案选择14

3、2.5 人机交换界面143 硬件总体设计153.1 AT89S52的最小系统电路153.1.1 单片机芯片AT89S52介绍153.1.2 单片机管脚说明163.1.3 AT89S52的最小系统电路构成183.2 电源电路模块193.3 单片机控制与ICL7135A/D转换器连接模块193.4 信号采集模块203.4.1 传感器和其外围以及放大电路设计203.4.2 A/D转换器ICL7135芯片介绍203.5 报警电路223.6 系统总电路图224 软件流程图的设计234.1 数据处理子程序的设计234.1.1 A/D转换流程图的设计234.1.2 数制转换流程图的设计244.2 数据显示子

4、程序的设计254.3 报警子程序的设计264.4 程序设计265 总结27参考文献28附录29附录1：程序设计29附录2：单片机控制与ICL7135A/D转换器连接模块33附录3：信号采集模块34附录4：ICL7135外接键盘显示模块电路35附录5：系统总图及元器件清单3639 / 42文档可自由编辑打印1 绪论1.1 电子称重技术的发展 电子称重技术，是近年随着电子技术发展而普遍用于计量测试的实用技术。其基本原理是通过高灵敏度称重传感器采集称重数据，经二次仪表处理后，在显示器上显示出被称重物体的重量而完成整个称重。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

5、技术装备和检测试验手段基本达到国际水平。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。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。电子称属于电子衡器的一种，它的发展也遵循这一趋势。 随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给

6、传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远距离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。做为重量测量仪器，智能电子称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。1.2 电子称的组成1.2.1 电子称的基本结构电子称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

7、什么原理制成的电子称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，又称电子称的秤体，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

8、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、滤波、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。1.2.2 电子称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

9、系）的电信号（电压或电流等）。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，并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，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。1.2.3 电子称的计量性能电子称的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。（1）量程：电子衡器的最大称量Max，即电子称在正常工作情况下，所能称量的最大

10、值。（2）分度值：电子称的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。（3）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max = nd（4）准确度等级国际法制计量组织把电子称按不同的分度数分成、四类等级，分别对应不同准确度的电子称和分度数n的范围，基准衡器的等级是特种准确度 ，它的分度数范围n>100000精密衡器的等级是高准确度，它的分度数范围10 000 < n100 000商业衡器的等级是高准确度，它的分度数范围1 000 <n10 000粗衡器的等级是普通准确度，它的

11、分度数范围100 <n1 0001.3 设计思路目前,台式电子称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。便携式电子称具有高精度智能电子称体积小、计量准确、携带方便的特点，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的

12、广泛应用，电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。本系统在设计过程中，除了能实现系统的基本功能外，还增加了打印和通讯功能，可以实现和其他机器或设备（包括上位PC机和数据存储设备）交换数据.除此之外，系统的微控制器部分选择了兼容性比较好的AT89系列单片机，在系统更新换代的时候，只需要增加很少的硬件电路，甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。另外由于实际应用当中，秤可以有一定量的过载，但不能超出要求的范围，为此在设计中，还加入了过载提示和声光报警功能。综上所述，本课题的主要设计思路是：利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信

13、号送入单片机。2 元器件的选择2.1 控制器部分的选择本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器，而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。再则由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，可以选用带EPROM的单片机，由于应用程序不大，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。INTEL公司的8051和8

14、751都可使用，在这里选用ATMENL生产的AT89SXX系列单片机。AT89SXX系列与MCS-51相比有两大优势：第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路体积更小。此外价格低廉、性能比较稳定的MCPU，具有8K×8ROM、256×8RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。最后我最终选择了AT89S52这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。AT89S52内部带有8KB的程序存储器，基本上已经能够满足需要。2.2 传感器的选择2.2.1 传感器的分类传感器是一种

15、检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。也可以从其它方面对传感器进行分类：它们的转换原理（传感器工作的基本物理或化学效应）；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号

16、量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。常见传感器的应用领域和工作原理：1.按照其用途，传感器可分类为：压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速传感器、射线辐射传感器、热敏传感器、24GHz雷达传感器。2.按照其原理，传感器可分类为：振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、 生物传感器等。3、以其输出信号为标准可将传感器分为：模拟传感器将被测量的非

17、电学量转换成模拟电信号。数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出（包括直接或间接转换）。开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：（1）按照其所用材料的类别分 金属、聚合物、陶瓷、混合物（2）按材料的物理性质分 导体、绝缘体、半导体、磁性材料（3）按材料的晶

18、体结构分 单晶、多晶、非晶材料与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：（1）在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。（2）探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。（3）在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。按照其制造工艺，可以将传感器区分为：集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造

19、的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底（基板）上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺（溶胶-凝胶等）生产。完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数

20、的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。2.2.2 传感器静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。（1）线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。（2）灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要

21、指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。（3）迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。（4）重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。（5）漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，次现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。2.2.3 传感器动态特性所谓动态特性，是指传感器在

22、输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和响应效率来表示。2.2.4 传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和

23、满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。2.2.5 传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化y对输入量变化x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测

24、量范围愈窄，稳定性也往往愈差。2.2.6 传感器的分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。2.2.7 传感器的选择及其组成的测量电路称重系统中使用的测力传感器通常是指称重传感器。称

25、重传感器有拉伸式和压缩式两种，最常用的是应变式称重传感器和压阻式称重传感器。称重传感器是电子称重系统的心脏，它的性能在很大程度上决定了电子称重系统的准确度和稳定性，所以，称重传感器的选择极其重要。根据设计要求，选用电阻应变式传感器，它是以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。由此可见，电阻应变片、弹性体和检

26、测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。1. 应变式电阻传感器的工作原理（1） 金属的电阻应变效应电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。它的一个重要参数是灵敏系数K。设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作，这种材料的泊松系数是。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R： R = L/S（） （21）当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长L，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少r。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作。对式（21）求全微分，

27、即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。有： R = L/S + L/S SL/S2 （22）用式（21）去除式（22）得到： R/R = / + L/L S/S （23）另外，知道导线的横截面积S = r2，则 s = 2r*r，所以 S/S = 2r/r （24）从力学知识知道： r/r = -L/L （25）其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。是表示材料横向效应泊松系数。把式（24）、（25）代入（23），有R/R = / + L/L + 2L/L =（1 + 2（/）/（L/L）*L/L = K *L/L （26）其中，K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （27）式（26）

28、说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.73.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。 在力学中L/L称作为应变，记作，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便，常常把它的百万分之一作为单位，记作。这样，式（26）常写作： R/R = K （28）（2） 应变片的测量原理用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化

29、，通过转换电路转化为相应的电压或电流的变化。2. 电阻应变式传感器的分类和选择电阻应变式传感器分类有很多种，测量力的主要有应变式力传感器和应变式压力传感器，而应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量，从设计要求上选用应变式力传感器。所以，可测定外载荷的大小的CZL-YB-3系列称重传感器具有体积小，结构先进，价格低廉等特点，广泛用于家用手提电子称，小型电子台称和厨房称等，是理想的用于制作便携式电子称的称重传感器。2.2.8 传感器的转换电路的设计测量电路把电阻变化转换为电压或电流的变化，从而完成了将外力变换为电信号的过程。因为全桥差动电路灵敏度高，并且具有温度补偿作用，所以转换电路采用全桥

30、差动电路。应变片全桥是指四个桥臂都接有应变片，它由箔式电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，测量电桥的电源由稳压电源E供给。物体的重量不同，电桥不平衡程度不同。滑动式线性可变电阻器。RP1组成零调整电路，当载荷为0时，调节RP1使数码显示屏显示零。如下图所示： 图2.1 RP1组成零调整电路此时相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂所接的应变片承受相同应变，设计时要求：R1=R2=R3=R4=R 、R5=R6、R2=R3=R 、R1=R4=-R ，传感器输出的电压为：U=1/4E（R1/ R1+R2/R2+R3/ R3+R4/ R4）=E*R/R2.3 前级放大电路方案的选择称

31、重传感器输出电压振幅范围020mV。而A/D转换的输入电压要求为02V，因此放大环节要有100倍左右的增益。对放大环节的要求是增益可调的（70150倍），根据本设计的实际情况增益设为100倍即可，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。按照输入电压20mV，分辨率20000码的情况，漂移要小于1V。由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（±1V），从而保证了放大环节对零点漂移的要求。残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。由称重传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成R/R，而应变

32、电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120，灵敏系数 K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000，应变电阻相对变化量为： R/R = K×= 2×1000×10-6=0.002 （29）由式（29）可以看出电阻变化只有0.24，其电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的R/R变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A/D转换芯片接收的信号。在前级处理电路部分，我考虑可以采用以下几种方案：方案（一）：利用普通低

33、温漂运算放大器构成前级处理电路；普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。方案（二）：主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路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。其设计电路如图2.2所示。方案（三）：采用专用仪表放大器，如：INA126，INA121等构成前级处理电路LM358双运算放大器内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在

34、推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合，其内部结构如图2.3所示。LM358的特点：. 内部频率补偿 . 低输入偏流. 低输入失调电压和失调电流 . 共模输入电压范围宽，包括接地 . 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 . 直流电压增益高（约100dB） . 单位增益频带宽（约1MHz） . 电源电压范围宽：单电源（330V）； . 双电源（±1.5 一±15V） . 低功耗电流，适合于电池供电 图2.2利用普通运放设计的差动放大器 图2.3 LM358内部结构图LM358的参数：输

35、入偏置电流45 nA 输入失调电流50 nA 输入失调电压2.9mV 输入共模电压最大值Vcc1.5v 共模抑制比80dB 电源抑制比100dB2.4 A/D 转换器的选择2.4.1 A/D 转换器简介模数转换器 即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输

36、出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。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。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，也有近年来新发展起来的-型和流水线型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

37、、 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，其分辨率一般不高于8位。（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

38、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

39、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，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。（4）压频变换型ADC：其优点是：精度高、价格较低、功耗较低。缺点是：类似于积分型ADC，其转换速率受到限制，12位时为100300SPS。2.4.2 A/D 转换器方案选择作为电子称，系统对 A/D的转换速度要求并不高，双积综合的分析其优点和其价格低廉的因素，在加上设计要求测量精度小于等于+0

40、.01%，选择使用双积分A/D转换器ICL7135（精度相当于14位二进制数）。 ICL7135是四位半的双积分A/D转换器，采用28脚DIP封装，可直接与单片机进行连接，它带有输出译码器，可直接驱动液晶显示器。ICL7135与液晶显示器被设计成一个量程为5mV的电压表。便携式电子手提秤的量程为5kg，称重传感器在5kg时的输出约为5mV。其主要性能特点：1）输入阻抗达109以上，对被测电路几乎没有影响；2）自动校零；3）有精确的差分输入电路；4）自动判别信号极性；5）有超、欠压输出信号；6）采用位扫描与BCD码输出。2.5 人机交换界面显示部分可以将处理得出的信号在显示器上显示，让人们直观的

41、看到被测体的质量，也可以进行报警提示。LCD液晶显示器是一种极低功耗显示器，从电子表到计算器，从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器。本设计采用的显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。3 硬件总体设计本课程设计的电子称以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，构成一件简单电子称，其中测量电路中

42、最主要的元器件就是电阻应变式传感器，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。而二运放大电路的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。ICL7135A/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控制电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。在本系统中，硬件电路的构成主要有以下几部分：AT89C52的最小系统构成、电源电路、数据采集、人-机交换电路等。 系统硬件的基本工作原理框图如图3.1所示。压力传感器前端信号处理器A/D转换器A89S52键盘控制LCD显示器图3.1系统硬件的基本工作原

43、理框图3.1 AT89S52的最小系统电路3.1.1 单片机芯片AT89S52介绍单片机采用MCS-51系列单片机。由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定

44、时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编

45、程，亦适于常规编程器。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。其芯片引脚图如图3.2所示。3.1.2 单片机管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口

46、管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2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口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在F

47、LASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并图3.2 AT89S52引脚图 用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如表3.3所示。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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。ALE/PROG：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地位字节。在FLASH编程期间，此引脚

48、用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，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，MOVC指令是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。表3.3 P3.0口引脚功能表P3口引脚第二功能P3.0RXD（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2INT0（外部中断0输入）P3.3INT1（外部中断1输入）P3.4T0（定时器0外部脉冲输入）P3.

49、5T1（定时器1外部脉冲输入）P3.6WR（外部数据存储器写脉冲输出）P3.7RD（外部数据存储器读脉冲输出）/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。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-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）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

50、 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.3 AT89S52的最小系统电路构成AT89S52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。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。单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期

51、以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，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，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由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

52、，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查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。3.2 电源电路模块 图3.4电源电路模块 此电路如图3.4所示是为ICL7135A/D转换器供电的正负5V双极性稳压电源，稳压电源为通用型三段固定稳压器7805和7905，由电源变压器的次级分别向7805和7905输入端供电使其输出电压分别为+5V和-5V的电源电压。3.3 单片机控制与ICL7135A/D转换器连接模块A/D转换电路与单片机的连接图，见附录2， 1316（B1，B2，B4，B8）为BCD码输出端，与单片机的P2.4P2.7

53、相连，通过ICL7135A/D转换器把来自运算放大器的模拟信号转变为数字信号传给单片机进行编译控制，21脚（BUSY）为忙状态输出端，与单片机定时器/计数器中断INT0相连，由于“busy”输出端（ICL7135的21脚）高电平的宽度等于积分和反积分时间之和。ICL7135内部规定积分时间固定为10001个时钟脉冲时间，反积分时间长度与被测电压的大小成比例。如果利用单片机内部的计数器对ICL7135的时钟脉冲计数，利用“busy”作为计数器门控信号，控制计数器只能在busy为高电平时计数，通过BUSY对INTO施加中断信号来控制BCD码的输出，CLK时钟信号输入端，用个时钟发送器对其提供时钟脉

54、冲。3.4 信号采集模块信号采集模块由运算放大器和A/D转换器组成，见附录3。3.4.1 传感器和其外围以及放大电路设计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。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确使用传感器至关重要，它关系到传感器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。因此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。由于传感器输出的电压信号很小，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Rg选用10K 电阻，是为了满足系统抗干扰的要求

55、而设计。3.4.2 A/D转换器ICL7135芯片介绍ICI7135是4位双积分A/D转换芯片，可以转换输出±20000个数字量，有STB选通控制的BCD码输出，与微机接口十分方便.ICL7135具有精度高（相当于14位A/D转换），价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关，每个转换周期均有：自校准（调零），正向积分（被测模拟电压积分），反向积分（基准电压积分）和过零检测四个阶段组成，其中自校准时间为10001个脉冲，正向积分时间为10000个脉冲，反向积分直至电压到零为止（最大不超过20001个脉冲）.故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数，到反向积分为零时停止计数.将计数的脉冲个数减10000，即得到对应的模拟量.图1给出了ICL7135时序，由图可见，当BUSY变高时开始正向积分，反向积分到零时BUSY变低，所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止。 ICL7135引脚如图3.5所示。它的每一引脚功能说明如下：1脚：电源端； 2脚（VREF）基准电压输入端；3脚模拟地； 4脚（INT）积分器输入端；5脚（AZ）积分器和比较器反相输入端； 图3.5 ICL7135引脚图6脚（BUF）缓冲器输出端；7脚（CREF+）基准电容正端；8脚（CREF-）