基于AT89S51单片机的电子称设计

-.z摘要称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活严密相连。目前，商用电子秤的使用非常普及，逐渐会取代传统的杆秤和机械案秤。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建立、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的上下，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。因此，称重技术的研究和衡器工业的开展各国都非常重视。通过分析近年来电子衡器产品的开展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的开展趋势是小型化、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。本文是基于AT89S51单片机的一种电子称重设备的设计说明。论文首先简要表达了电子秤的主要背景以及总体的设计方式；然后详细阐述了数字电子秤的设计流程，以及硬件系统和软件系统的设计，并给出了硬件电路的设计细节。本系统主要分为四大局部，信号前级为称重传感器和放大滤波电路，电阻应变式称重传感器，利用全桥测量原理，将重力信号转换成电信号来测量。单片机为主要部件，完成数据处理和对各个局部的控制，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〕。人机界面局部由六位LED管显示与4×4位矩阵键盘组成，可以由键盘控制显示重量和价钱等信息。关键字：电子秤；称重传感器；AT89S51单片机；A/D转换器；LED数码管AbstractWeighingtechnologyfromtimeimmemorialattention,asameasurementmethod,widelyusedinindustry,scientificresearch,transportation,andtradefields,andpeople'slivesarecloselylinked.Atpresent,theuseofelectronicmercialverypopular,andgraduallywillreplacethetraditionalGanChengandmachinery.Electronicisakindofelectronweighingapparatus,instrumentsisthenationallegalmeasuringinstruments,livelihood,nationaldefense,scienceresearch,domesticandforeigntradeindispensablemeasureequipment,instruments,producttechnicallevelwilldirectlyinfluencethefromallwalksoflifeandsocialmodernizationleveleconomicbenefit.Therefore,weighingtechnologyresearchanddevelopmentofallindustrialinstrumentsveryseriously.Weighinginrecentyearsthroughanalysisofelectronicproductsandthedevelopmentofdomesticandinternationalmarketdemand,electronicweighingtheoveralldevelopmenttrendissmallandmodular,integrated,intelligent;theirtechnicalperformancetrendrateishigh,highaccuracy,stabilityHigh,highreliability,itsfunctionisweighingmeasurestendtocontrolinformationandnon-controlinformationboththe"intelligent"functionsofitsapplicationperformancetendtobeprehensiveandbinationsof.ThisarticleisbasedonAT89S51ofanelectronicweighingequipmentdesign.Itfirstlybrieflydiscussesthemainbackgroundandelectronicoveralldesign,Andthene*poundsthedigitalelectronicdesignprocess,andthehardwareandsoftwaredesignofthesystemisgiven,andthehardwarecircuitdesigndetails.Thistypeofdigitalelectronicweigheriskeen,correctandconvenienttouse.Itshuman-puterinterfacehasagoodinteractivefunctionanditcanbeusedinvarycircumstances,suchasfamilyandshoppingmall,etc.Keywords:anelectronicscale;Weighingtransducer;AT89S51;A/Dconverter;LEDdigitaltube-.z目录1绪论11.1电子称重器背景介绍11.2现状及其开展动态22系统方案的设计42.1称重器的工作原理42.2电子称重器的设计思路52.3系统总体设计方案论证与选择62.4各模块功能的方案论证与选择82.4.1称重传感器模块8前置信号处理模块11转换器152.4.4键盘及显示模块152.5本章小结163硬件电路设计183.1系统主控电路的设计18单片机芯片AT89S51介绍18单片机引脚说明19的最小系统电路构成213.2数据处理局部电路设计233.2.1传感器和外围放大电路设计23转换芯片与AT89S51单片机接口电路设计243.3显示电路设计263.4键盘电路设计283.5硬件抗干扰措施283.6本章小结294系统软件设计304.1主程序设计304.2A/D转换的实现324.3数据信号处理344.4键盘扫描实现344.5LED显示的实现374.6软件抗干扰404.6本章小结405仪表可靠性及性能指标415.1仪表可靠性设计415.2系统的性能指标415.3本章小结416完毕语42致谢43参考文献44附录原理图45-.z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局部。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的开展奠定了其础，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%的机械秤进展了机电结合式的电子化改造。我国的衡器在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开展，电子称重技术及其应用*围将更进一步的开展，并被人们越来越重视。1.2现状及其开展动态1、电子衡器的现状电子衡器一般是指装有电子装置的衡器。因其种类繁多，且涉及到贸易结艺装备与测试仪表老化、开发能力缺乏、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。2、电子衡器的开展动态电子衡器产品量大面广、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，薄型或超薄型的圆形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底面与称重传感器外径一样的盲孔内，形成低外形的秤体构造，称重传感器的数量和位置由秤的额定载荷和力学要求计算决定。对中等或较大容量的电子平台秤、电子地上衡，已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢，并联排队列焊接成一个整体的竹排式构造的秤体，4个称重传感器分别安装在最外边两根薄壁型钢两端的切口内，安装在称重传感器承力点上的固定支承就是秤体的承计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重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*围不断扩大，它已渗透到一些学科和工业自动控制领破口，解决电子衡器中的工程化产品的定型设计。生产工艺，质量保证，可靠性考核等规模生产中的关键技术与工艺，提高批量生产能力，使我国的民族衡器工业走上**持续开展的轨道。2系统方案的设计2.1称重器的工作原理1、名词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。此信号由放大电路进展放大、经滤波后再由模/数〔A/D〕器进展转换，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展必要的判断、分析、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。电子秤原理图见图2-1所示。图2-1电子秤工作原理3、电子秤的根本构造不管根据什器、秤桥构造、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。按照称重传感器的构造型式不同，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、声外表谐振式〕或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。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、存放、控制和驱动显示等环节。2.2电子称软件部还是稳定性都是令人满意的，它具有较好的标定校准方法，性能稳定，操作简单，价格低廉，满足各行各业对现代电子衡器的需求。2.3系统总体设计方案论证与选择在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种：方案一数码管显示方案构造简图见图2-2所示：图2-2数码管显示方案此方案利，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。优点。但其缺点是外围电路比拟复杂,编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。其实现方案的原理图见图2-5所示。图2-5单片机实现方案原理框图鉴于本电子秤的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第三种设计方案。2.态输出，要求很高的输出阻抗，需要低电容低噪声电缆，对外电路的要求比拟高。方案二电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化的传感器，它具有构造简单、灵敏度高、动态响应好、可等优点。电容式传感器不仅能测量荷重、位移、振动、加速度等机械量，还能测量压力、液面、成分含量等热工量。电边缘影响的条件下，平板电容器的电容量C为(2-1)一个参数，则电容量就将产生变化。虽然电容式传感器有构造简单和良好动态特性等优点，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。因C太小，故容抗=1/C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率P=C，C很小，则P也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。〔2〕初始电容而发生变化的现象。由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接准确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的电阻率的变化△R/R转换成电压或电流变化。其转换电路需要有专用的测量电桥。下面介绍直流电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。直流供电的平衡电阻电桥见图2-7所示，接直流电源E：图2-7传感器构造原理图当电桥输出端接(2-4)应变片式传感器有如下特点：〔1〕应用和测量*围广，应变和灵敏度高，精度较高。〔3〕构造轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、额定称重——10Kg。本电子称重系统所采用的是电阻应变片式传感器YZC-1B，它的量程10kg，输出灵敏度为2.0mv/V，鼓励电压为10V，非线性度为0.02。由于在量程*围内传感器的线性较好，可以在不影响准确度的情况下近似认为重物质量与传感器输出信号线性对应。2.4.2前置信号使存储元件〔通常是电容器〕两端的电压UB随被采样信号UA变化。当采样间隔终止时，D变为高电平,模拟开关断开,UB则保持在断开瞬间的值不变。缓冲放大器的作用是放大采样信号，它在电路中的连接方式有两种根本类型：一种是将信号先放大再存储，另一是先存储再放大。对理想的采样保持电路，要求开关没有偏移并能随控制信号集成运算放大器的根本元件构成具有各种特性的放大器来完成。放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求：〔1〕输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。〔2〕抗共模电压干扰能力强。〔3〕在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。我们考虑了以下几种方案：方案一利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。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。方案二由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。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，见图2-8所示：图2-8利用普通运放构成的放大器电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。方案三采用专用仪表放大器，如：AD620，INA126等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。以AD620为例，内部构造见图2-9所示：图2-9AD620的内部等效图引脚图见图2-10所示：图2-10AD620的接口图电路的工作原理：A1、A2工作在负反响状态，其反向输入端的电压与同相输入端的电压相等。即Rg两端的电压分别为Vin+、Vin-。因此〔2-5〕设图上图中电阻R1=R2=R，则A1、A2两输出端的电压差U12为〔2-6〕将式公式〔2-6〕代入公式〔2-5〕得〔2-7〕放大器的增益Av为〔2-8〕可见，仅需调整一个电阻Rg，就能方便的调整放大器的增益。由于整个电路对称，调整时不会造成共模抑制比的降低。在接口图〔2-9〕中，通过改变可变电阻R3的阻值大小来改变放大器的增益，放大器增益计算公式如下：〔2-9〕AD620具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。其最大输入偏置电流为20nA，这反映了它的高输入阻抗。AD620在外接电阻Rg时，可实现1~1000*围内的任意增益；工作电源*围为±2.3~±18V；最大电源电流为1.3mA；最大输入失调电压为125V；在G=100时频带宽度为120kHz。基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器AD620。2.4.3A/D转换器A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量的装置，也就是说能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。实现A/D转换器种类较多，常用的有计数法，双积分法和逐次逼近法A/D转换器。因此常用的A/D转换器有计数器式、双积分式和逐次逼近式三种类型。本次设计的电子秤量程为10kg，准确到0.051、键盘输入键盘是一组按键的组合，它是常用的输入设备。操作员可以通过键盘向计算机输入数据，实现简单的人机对话。键的多少根据设计功能所需而定。每一个键相当于一个机械开关触点，按键未按下时，键的两个触点处于断开状态，按键按下时，两个触点闭合。当单片机接收到按键的触点信号后作出相应的处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。本文介绍的是非编码键盘，非编码键盘可分为独立式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘接口电路配置灵活，软件构造简单，但每个按键接口必须占用一根I/O口线，在按键较多时，I/O口线浪费较大。而矩阵式键盘适用于按键较多的键盘。可采用了4×4矩阵式2、输出显示本模块实现了人与电子秤的交互功能，由4×4位键盘和6位共阴极LED七段码二极管组成。当重物放在秤上时，由LED直接显示重物的重量。使用者可以按动键盘键0-9以及小数点位来设定重物单价，以kg为单位。当按动显示模式按键时分别显示质量、单价或者总价。显示局部采用了当今常用的LED驱动芯片MA*7219。MA*7219是Ma*im公司推出的8位LED串行显示驱动器，它采用3线串口传送数据，占用资源少可以节省单片机的I/O口的使用且硬件简单，只需一个外部电阻即可方便地调节LED的亮度；可灵活地选择显示器的个数(1～8个,级联可成倍增加)；可进展译码或不译码显示，减少了编程量；内含硬件动态扫描控制，可设置低功耗停机方式。故本电子秤最终采用了该芯片作为LED驱动。2.5本章小结本章主要介绍了系统总体设计的方案。先简单介绍了称重器的工作原理及构造组成，它主要分承重、传力复位系统、称重传感器、键盘输入和显示输出三大块。然后给出了四种系统总体设计方案，一一论证，最后选择了第三种设计方案。包括压力传感器、信号处理电路、A/D转换器、单片机、键盘和显示电路几种模块。下面对各个模块进展介绍和选型。经过论证，称重传感器采用电阻应变式传感器；信号处理局部采用专用仪表放大器AD620，此芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单；A/D转换模块采用我们熟悉的AD574转换器，利用不同的控制信号可以实现高精度的12位转换和8位转换；键盘采用矩阵式键盘，显示局部采用了当今常用的LED驱动芯片MA*7219。本章的方案及模块确实定为第三章的硬件-.z3硬件电路设计根据设计要求以及系统所需要实现的功能，在设计系统时可以分成以下几个局部：系统主控电路，前端信号采集、处理、转换模块，人机接口界面以及系统电源局部。3.1系统主控电路的设计单片机芯片AT89S51介绍1、芯片AT89S51主控制器采用AT89S51单片机作为微处理器，AT89S51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机。AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机，其指令集和传统的51单片机指令集是一样的。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，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。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes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，2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。此外，AT89S51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RAM的数据，停顿芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。2、AT89S51的主要特性片内程序存储器4KB的Flash存储器，允许在线编程；片内数据存储器内含128字节的RAM；I\O具有32给可编程I\O线；中断系统由6个中断源、五个中断矢量和2级中断优先级构成；串行口是一个全双工的串行通信口；具有两个数据指针DPTR0和DPTR1；低功耗节电模式有空闲模式和掉电模式；AT89S51的电源电压为4.0-5.5V；具有片内看门狗指令；灵活在线编程方式；具有掉电标志POF；与89C51单片机相比，AT89S51具有更突出的优点，主要表现在：新增加了在线可编程功能ISP〔IN—SystemProgram〕,在现场程序调试和修改更加方便灵活；数据指针增加到两个，方便了对片外RAM的过程；新增加了片内看门狗定时器WDT，提高了系统的抗干扰能力；增加了掉电标志；增加了掉电状态下的中断恢复模式。单片机引脚说明单片机的引脚图见图3-1所示：图3-1AT89S51的引脚图引脚功能说明：AT89S51单片机芯片为40个引脚，下面简单表达各引脚的功能。VCC/GND：电源/接地引脚；P0口：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1(对端口写1)时作高阻抗输入端；P0还可以用作总线方式下的地址数据复用管脚，用来操作外部存储器。在这种工作模式下，P0口具有内部上拉作用。对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节、校验程序、输出指令字节时，要求外接上拉电阻；P1口：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用；另外，P1.0、P1.1可以分别被用作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和触发输入(P1.1/T2E*)；对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息；P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口；输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用；P2口在存取外部存储器时，可作为高位地址输出；内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息；P3口：P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。P3引脚功能复用见表3-1所示：表3-1P3引脚功能复用RST：在振荡器运行时，有两个机器周期(24个振荡周期)以上的高电平出现在此管脚时，将使单片机复位。只要这个管脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0—P3口均置1，管脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能存放器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开场运行程序；*TAL1、*TAL2：*TAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，*TAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到*TAL1，而*TAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz至24MHz内选择，电容取30PF左右。ALE/PROG：外部存储器时，ALE(地址锁存允许)的输出用于锁存地址的低位字节，即使不外部存储器，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率的1/6)，在外部数据存储器时，出现一个ALE脉冲；PSEN：外部程序存储器的选通信号输出端。当AT89S51由外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期输出2个脉冲，即两次有效。但外部数据存储器时，将不会有脉冲输出；EA/Vpp：外部允许端。当该引脚外部程序存储器时，应输入低电平。要使AT89S51只外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH)，这时该引脚必须保持低电平。AT89S51的最小系统电路构成单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统包括:单片机、晶振电路、复位电路。其中复位电路采用上电复位。其最小系统电路图见图3-2所示：存器等进展复位，使各个存放器的值设为预定状态才能顺利开场工作。复位电路的好坏决定着单片机能否正常工作。复位电路根本功能是在系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号，主要是防止由于电源开关或插头分合过程中引起的抖动。复位电路可以使用专用复位芯片，也可以用电阻电容搭建。本文从可靠性和本钱考虑最终选用电阻电容来搭建复位电路。对于51内核的单片机，RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，可以完成复位操作。R2，C4为上电复位电路。当单片机加电时由于RC充电的效果，使得复位脚保持一会高电平使单片机内部存放器彻底复位。3.2数据处理局部电路设计传感器表3-2YZC的相关参数2、AD620放大电路设计如图3-3所示，为AD620放大电路图，其中1、8管脚要跨接一个电阻来调整放大倍数，可得到1～1000*围内的任意增益。4、7管脚提供正负相等的工作电压，由2、3管脚输入的放大电压即可从管脚6输出放大后的电压值。管脚5则是参考基准，如果接地则管脚6的输出即为与地之间的相对电压。AD620的放大增益关系式为〔3-1〕 〔3-2〕AD620简单的放大滤波电路见图3-3所示：图3-3AD620滤波放大电路图上片机接口电路设计AD574是美国模拟数字公司〔Analog〕推出的单片高速12位逐次比拟型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显示片，具有外接元件少，功耗低，高精度等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只能外接少量的阻容件数据输出格式：12位/8位芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式1、AD574A0：字节地址短周期控制端。与12/端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是，12/端TTL电平不能直接+5V或0V连接；R/：读转换数据控制端；CE：使能端；V+：正电源输入端，输入+15V电源；RE输入端。2、AD574的接口电路8051单片机与AD574A的接口电路见图3-4所示，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由(、R/和A0)由8051的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作过程。AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051，由于我们只使用了8位数据口，12位数据分两次读进单片机，所以R/接地。当8051的P3.0查询到STS端转换完毕信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进8051，然后再将低4位读进8051。这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，使能端CE都必须为1，因此将8051的写控制线和读控制线通过与非门74LS00与AD574A的使能端CE图3-4单片机与AD574的接口电路3.3显示电路设计本设计中显示局部采用了当今常用的LED驱动芯片MA*7219。它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。MA*7219采用24脚双列直插式封装，其引脚见图3-5所示。图3-5MA*7219引脚图管脚描述：DIN：串行数据输入端口。在时钟上升沿时数据被载入内部的16位存放器；DIG0–DIG7：八个数据驱动线路置显示器共阴极为低电平。关闭时7219此管脚输出高电平；GND：地线〔4脚和9脚必须同时接地〕；LOAD：载入数据。连续数据的后16位在LOAD端的上升沿时被锁定；CLK：时钟序列输入端。最大速率为10MHz.在时钟的上升沿，数据移入内部移位存放DIN输入的数据在16.5个时钟周期后在此端有效。当使用多个MA*7219时用此端方便扩展。在本系统中，将MA*7219的DIN、LOAD、CLK分别连接了单片机的P2.5、P2.6、P2.7口，直接利用单片机的I/O口来进展数据的传输。7219的SEGA～SEGG作为LED的数据线，DIG0～DIG7作为位选线。在V+和ISET之间加一个10kΩ外部电阻来调节LED亮度。显示局部电路见图3-6所示。图3-6MA*7219接线图3.4键盘电路设计本电子称重器的核心部件是51单片机，所以我们的抗干扰措施主要是针对单片机。还用到称重传感器，所采用的应变式传感器是高阻抗器件，其绝缘性能、机械构造的稳定性等，直接影响工作特性的稳定。因此，应变片传感器的绝缘材料必须有很高的绝缘性能、足够的机械强度、高形状稳定性及良好的抗湿性能。下面重点介绍单片机的抗干扰措施。随着科学技术的迅速开展，人们对单片机测控系统的各种性能要求越来越高。而系统的可靠性更倍受人们的关注，这是因为系统的可靠性决定了系统能否到达所需要的精度。就单片机测控系统来讲，其主要干扰是来自电源和信号传输通道的干扰。1、电源的抗干扰措施普通用电中含有多种高次谐波，它们很容易经电源进入单片机系统，还有一些射频发射、电磁波等也会由电源线感应反响进入单片机系统造成干扰。因此，在电源电路中必需采取有效地滤波措施，来抑制这些高频干扰的侵入。电源滤波的一般方法是在电源变压器初、次级分别设置低通滤波器和线间电容滤波器，使50Hz市电基波通过，而抑制掉高频信号。此外在变压器的初、次级之间均采用屏蔽层隔离，其中初级屏蔽层接大地，次级屏蔽层接系统逻辑地，以减少其分布电容，提高抗共模干扰的能力。2、信号传输通道的抗干扰措施信号传输通道包括系统的前向通道和后向通道，其主要干扰有：杂散电磁场通过感应和辐射方式进入通道的干扰；由于地阻抗耦合、漏电流等因素产生的加性干扰；以及因传输线衰减、阻抗失配等因素引起的乘性干扰。对于这三类干扰，可以采用以下几种措施加以排除。〔1〕光电隔离技术光电耦合器对干扰信号具有良好的隔离性能，一是它的输入阻抗很小，约为100fl-lldl，而干扰源内阻则很大，通常为105Q～108Q，因此能分压到光电耦合器输入端的噪声很小；--是光电耦合器输入局部的发光二极管是在电流状态下工作的，即使干扰噪声有较高的电压幅度，但由于能量小，不能提供足够的电流使发光二极管发光而被抑制掉；三是光电耦合器的输入回路与输出回路之间分布电容极小，绝缘电阻很大，回路一边的干扰很难通过光电耦合器馈送到另一边去。因此，采用光电耦合器可将单片机与前向通道、后向通道及其他局部从电气上隔离开来，能有效地防止干扰信号的侵入。〔2〕接地技术本系统既有模拟电路又有数字电路，因此数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连，如果两者不分，则会互相干扰。〔3〕输入输出信号线采用屏蔽双绞线屏蔽双绞线对于静电干扰和电磁干扰有很好的抑制作用，有条件的话应尽量采用。但使用中应注意：〔1〕线缆敷设时不要过分用力或使电缆打结、防止弯曲超过900、防止过紧地缠绕电缆，以保护双绞47线的扭绞状态；〔2〕做线时，防止损坏线缆的外皮、不要切坏线缆内的导线；〔3〕接线时，双绞线的开绞长度尽量小，不要超过20mm；〔4〕双绞线的屏蔽层采用设备端单端接地方式。3.6本章小结本章主要介绍电子称重器的硬件设计。AT89S51的最小系统电路构成，数据处理局部电路设计，显示电路设计，键盘电路设计以及硬件抗干扰措施。抗干扰技术是一项复杂的工程，但又是单片机系统设计过程中必须考虑的环节，有效运用硬件抗干扰技术，才能保证系统长期稳定、可靠运行。4系统软件设计本系统程序使用模块化的程序设计思想，主程序通过调用子程序以实现各局部功能。先进展软件的总体设计，然后进展各功能模块设计。4.1主程序设计电子秤需要有数据采集、处理、存结果、送显示的运行过程。根据这一要求，电子秤的信息测量与处理分三个阶段：在微处理器的控制下，经传感器转换的电压信号通过输入电路送入A/D转换器处理，存入到数据存储器中；微处理器对采集的测量数据进展必要的数据处理，把数据信号处理为显示所要求的信号格式，通过输出接口电路输出并显示。主流程图见图4-1所示：图4-1主流程图图4-2MA*7219初始化流程图在程序中首先定义函数voidWrite_7219(ucharaddress,uchardat))，以MA*7219的各存放器的地址作为其参数，完成对MA*7219进展送数据以及写控制字命令。MA*7219的流程图见图4-2所示。在初始化子程序中,调用该函数依次往地址0*0f,0*09,0*0a,0*0b,0*0c写入数 f在单片机对采样数据进展处理后应该对数据进展显示。在主程序中定义全局变量charPrint_c，键盘子程序改变其值，当最低位为1时显示重量，当第二位为1时显示总价，当第三位为1时显示单价。此时程序查询Print_c的值，以向MA*7219显示输出相应的数据。4.2A/D转换的实现为了实现数字滤波的功能，采取了由单片机控制AD574连续采样5次数据，每隔200ms采样一次，并且将转换的数字信号传给单片机。为了提高CPU的效率和系统具有良好的时效性，采用中断方式控制AD转换的完毕。AD574A的转换完毕信号STS与单片机的P3.3相连，可作为中断申请号。本系统的中断效劳程序是T0采样中断效劳程序，另外还有一个AD574申请CPU取数的外部中断效劳程序。AD转换主程序流程图见图4-3所示：图4-3AD转换流程图T0中断效劳子程序见图4-4所示：图4-4T0中断效劳程序流程图系统响应T0定时中断后，CPU执行了一条由中断系统提供的硬件LCALL指令，转向T0中断效劳程序入口，中断效劳程序首先恢复T0计数器初值，随后保护现场。现场保护完成以后进入信号采样阶段，即执行采样子程序，在采样完毕后调用A/D转换程序AD574将数据进展转换，其中还包括A/D转换的中断效劳程序。采样和A/D转换循环三次后，进入数字滤波程序，将中值作为采集到的数据保存起来。4.3数据信号处理数据经过A/D转换后还不是要显示的信息，还需进展处理才能得出所要显示的数据，本次设计采用数字滤波的方法，可以对频率很低的信号滤波，通过改变数字滤波程序就可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数，比修改模拟滤波，先从P2口输出0*0f，读入数据保存；再从P2口输出0*f0，再次读入数据，两次数据相加，即可从所得的数判断按下的键所在的位置。在键盘扫描程序中使用了延时去抖动的方法，其流程图如键盘两次使用反转法进展扫描键盘，中间延时50ms，完毕后判断两次扫描所得到的键值是否一致，假设一致则返回键值，不一致则返回0。本程序中扫描键盘使用了函数为}图4-5去抖动键盘扫描流程图当读入键值后，调用读键值函数读取各个键值。所读的键值应为按图4-6所示排列的值，在读键值函数中使用swich语句，根据不同值选择不同的操作。当按键是置数键Set_Price时，调用函数Set_price()。其函数流程图如4-8所示，函数先将使用for循环调用Write_7219()将所有的LED关闭。调用Read_key()函数从键盘中读取一位数据显示并存储，此时利用while语句判断键值是否为释放，假设释放则读取下一位数据显示并存储，最后将十进制数据转化为十六进制数存储以备乘总价显示时使用。图4-6键值分部图当按键是显示模式设置时，调用Set_Display_mode()函数，设定一个全局变量mode_display数计数，初始值为1，按下一次加1，当加到3时重新值1。当mode_display为1时表示显示重量，为2时表示显示总价，为3时表示显示单价。设置单价的流程图见图4-7所示：图4-7Set_price()函数流程图4.5LED显示的实现MA*7219与单片机通信是串行通信，在CLK的上升沿，一位数据被加载到内部16位移位存放器中。串行通信的格式如表4-1所示：表4-1串行通信的格式D14D13D12D11D10D9D8D6D5D4D3D2D1D0×D15××地址MSB数据LSB如表4-1所示，在单片机写入数据时，应在每个CLK高电平时将数据写入DIN口，高8位为地址低8位为数据共16个周期。所以在单片机向MA*7219写数据的函数voidWrite_7219(ucharaddress,uchardata)中，以8位地址和8位数据为两个形参，按照通讯时序将16位数据一一写入MA*7219。其流程图见图4-8所示。图4-8写MA*流程图显示使用switch语句判断全局变量mode_display，当值为1时调用Display_weight()显示重量，当值为2时调用Display_sum()显示总价，当值为3时调用Display_price()显示单价。Display_weight()将滤波后的到得重量信号sum转化为十进制数，并逐位发送到MA*7219显示。Display_sum()将重量信号和单价信号相乘，并逐位发送到MA*7219显示。Display_price()将单价信号转化为十进制数，逐位发到MA*7219显示。其中，Display_sum()函数应显示的位数最多，最复杂，流程图见图4-9所示：图4-9Display_sum()函数流程图如图4-9所示，本系统的重量最大为10.00Kg，单价最大为9.9元，这样相乘后总价最大为99.000，考虑到实际情况，最后一位0不需要显示，可以舍去。为了防止在单片机中进展浮点数运算，用整形运算模拟定点小数，这样，可以取出各个位的值。显示时，先将LED全部关闭，再将Bit6位置标志E，表示此时显示的是总价信息。然后将相乘后的各位取出，首先判断千位，如果为零的话，不显示，判断百位；如果千位不为零，则以下所有位都要显示。当判断到十位时，将该数与0*80相与，即将最高位置1，表示显示小数点位。最后显示个位，这样就将总价信息显示出来。4.6软件抗干扰单片机抗干扰除了有硬件抗干扰措施，还须有软件抗干扰措施。其中软件抗干扰措施设计灵活、不需增加硬件资源、本钱低。下面简单介绍几种常用的软件抗干扰方法。〔1〕采用数字滤波消除传感器通道中的干扰信号常用的数字滤波方法有：平均值法、中值法、一节递推数字滤波法等。平均值法是对一点数据连续屡次采样，计算其平均值以作为点的采样结果，这样可以减少系统的随机干扰对采样结果的影响；利用中值法根据干扰造成采样数据偏大或偏小的情况，对一个采样点连续采集多个信号，对采样值进展比拟，取中值作为该点的采集结果，也可以有效的减少干扰信号的影响；利用一阶递推数字滤波法还可完成RC低通滤波器的算法，实现用软件方法代替硬件RC滤波器。〔2〕利用软件陷阱提高程序运行的可靠性软件陷阱就是在程序存储器的空余地址中全部添加1条跳转指令，一旦程序跑飞，只要程序指针指向这些地址，就可被强行跳转至指针制定的地方，使程序恢复正常运行。〔3〕采用指令用冗余技术当程序运行时，可能因*种干扰使决定程序流向的转移指令(如RETI、RET、LCALL、JNC等)和对系统状态起重要作用的指令(如SETB、EA等)不能被正确执行，造成程序流向的错误。因此采用指令冗余，即在这些指令后面再重复写上这些指令，即可保证程序的正确流向。4.6本章小结在前一章中，主要介绍的电子称重器的硬件设计。紧接着就需要有软件设计，才能完成电子称的称重功能。首先设计了主程序，然后进展各功能模块的设计，主要包括A/D转换、数据处理、键盘扫描及显示局部的实现。最后还需要有软件抗干扰，才能保证程序正常的运行。5仪表可靠性及性能指标5.1仪表可靠性设计可靠性是电子称重器设计的主要技术指标。称重器的现场使用环境如温度、适度、放射性、腐蚀性等有时会对称重结果产生影响，而且冲击、振动、跌落等破坏性情况也可能时有发生。可见，仪表的可靠性研究尤其重要。仪表可靠性设计应当遵循简单化、抗干扰、低功耗、易操作等设计原则。简单化是在保证可靠性的根底上的一个要求；在前面的硬件和软件设计中均提到相关的抗干扰措施，另外好的材料不仅能提