【正文】 本課題研究的內(nèi)容是以單片機(jī) STC89C52RC 為控制核心，實(shí)現(xiàn)電子秤的基本策略及價格計算功能。本課題在電子稱的基本功能基礎(chǔ)上擴(kuò)展了電子日歷及時鐘功能。該系統(tǒng)可以分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、人機(jī)交互界面系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、時鐘及語音報數(shù)六大部分組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)部分主要包括 STC89C52RC 和經(jīng)典復(fù)位電路； 數(shù)據(jù)采集部分由稱重傳感器、信號放大和 A/D 轉(zhuǎn)換部分組成，信號放大和 A/D 轉(zhuǎn)換部分主要由專用型高精度 24 位 AD 轉(zhuǎn)換芯片 HX711 實(shí)現(xiàn)；人機(jī)交互界面為鍵盤輸入和點(diǎn)陣式液晶顯示，主要使用 4*4 矩陣鍵盤和 1602 液晶顯示器，可以方便的輸入數(shù)據(jù)和直觀的顯示數(shù)據(jù)；時鐘模塊主要由時鐘芯片 DS1302 和時鐘電路組成；語音報數(shù)模塊可語音 4 報讀電子秤系統(tǒng)的重量、單價、金額等語音內(nèi)容，主要由 SC1010B 電子稱專用語音芯片實(shí)現(xiàn)。 本課題的主要設(shè)計任務(wù)如下所述： (1)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電子稱基本的稱重功能（稱重范圍為 0～ 5Kg，重量誤差不大 于177。 ）； (2)系統(tǒng)應(yīng)具備輸入單價，計算總價及語音報價的功能； (3)系統(tǒng)超出最大測量范圍 5Kg 時應(yīng)有報警指示功能（蜂鳴器報警提示）； (4)該電子稱設(shè)計需完成電子日歷及時鐘顯示功能的擴(kuò)展。在未稱重狀態(tài)下系統(tǒng)應(yīng)具備顯示年月日、星期及時鐘功能。 系統(tǒng)設(shè)計方案 結(jié)合所學(xué)知識，通過查找資料和論證，可通過以下方案來實(shí)現(xiàn)課題要求實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，各方案介紹如下所述。 方案一 數(shù)碼管顯示： 圖 11 數(shù)碼管顯示方案 此方案利用數(shù)碼管顯示物體重量，簡單可行 ，可以采用內(nèi)部帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)。由此設(shè)計出的電子秤系統(tǒng)，硬件部分簡單，接口電路易于實(shí)現(xiàn)，并且在編程時大大減少程序量，在電路結(jié)構(gòu)上只有簡單的輸出輸入關(guān)系。缺點(diǎn)是：硬件部分簡單，雖然可以實(shí)現(xiàn)電子稱基本的稱重功能，但是不能實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，無法根據(jù)實(shí)際情況靈活地設(shè)定各種控制參數(shù)。由于數(shù)碼管只能實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)字和英文字符的顯示，不能顯示漢字以及其他的復(fù)雜字符，不能達(dá)到顯示購物清單的要求。又因?yàn)椴捎昧司哂心?shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)，系統(tǒng)電路過于簡單，系統(tǒng)硬件的擴(kuò)展必受到限制，電子秤的功能過于單一，達(dá)不到設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。 方案二 在前一種方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，增加一鍵盤輸入裝置，增加外界對單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)設(shè)定，使電子稱實(shí)現(xiàn)稱重計價的功能。 結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2所示： 圖 12 帶有鍵盤輸入的結(jié)構(gòu)簡圖 此方案設(shè)計的電子秤，可以實(shí)現(xiàn)稱物計價功能，但是局限于數(shù)碼管的功能，在顯示時只能顯示單價、購物總額以及簡單的貨物代碼等。在顯示重量時，如果數(shù)碼管沒有足夠的位數(shù)，那么稱量物體重量的精度必受到限制，所以此方案需要較多的數(shù)碼管接入電路中。這樣在處理輸入輸出接口時需要另行擴(kuò)展 足夠多的 I/O 接口供數(shù)碼管使用，比較麻煩。 方案三 前端信號處理時，選用放大、信號轉(zhuǎn)換等措施 來增加信號采集強(qiáng)度但會增加相應(yīng)的設(shè)計成本； 顯示方面采用具有字符圖文顯示功能的 LCD 顯示器。這種方案不僅加強(qiáng)了人機(jī)交換的能力，而且滿足設(shè)計要求，可以顯示購物清單、所稱量的物體信息等相關(guān)內(nèi)容 ，當(dāng)需要增加擴(kuò)展功能時可以通過切換液晶顯示界面的方式來實(shí)現(xiàn) 。 結(jié)構(gòu)簡圖如下圖 3所示： 數(shù)據(jù)采集 AD 轉(zhuǎn)換 單片機(jī)處理 LED 顯示 按鍵處理 數(shù)據(jù)采集 AD 轉(zhuǎn)換 單片機(jī)處理 LED 顯示 5 圖 3 帶有鍵盤輸入及液晶顯示的結(jié)構(gòu)簡圖 鑒于 上述三種方案的優(yōu)缺點(diǎn) ， 本系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮到系統(tǒng) 的實(shí)用性及成本的可行性的前提下，設(shè)計完成了最終的電子稱方案，最終的硬件設(shè)計方案圖如圖 4 所示，該方案增加了電子日歷功能，從而使本系統(tǒng)的設(shè)計功能得到了很好的擴(kuò)展與應(yīng)用。 電子秤的主要組成 電子秤的基本結(jié)構(gòu) 電子秤是利用物體的重力作用來確定物體質(zhì)量（重量）的測量儀器，也可用來確定與質(zhì)量相關(guān)的其它量大小、參數(shù)、或特性。不管根據(jù)什么原理制成的電了秤均由以下三部分組成：（ 1）承重、傳力復(fù)位系統(tǒng) :：它是被稱物體與轉(zhuǎn)換元件之間的機(jī)械、傳力復(fù)位系統(tǒng)，又稱電子秤的秤體，一般包括接受被稱物體載荷的承載器、秤橋結(jié)構(gòu) 、吊掛連接部件和限位減振機(jī)構(gòu)等。（ 2）稱重傳感器：即由非電量（質(zhì)量或重量）轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，它是把支承力變換成電的或其它形式的適合于計量求值的信號所用的一種輔助手段。按照稱重傳感器的結(jié)構(gòu)型式不同，可以分直接位移傳感器（電容式、電感式、電位計式、振弦式、空腔諧振器式等）和應(yīng)變傳感器（電阻應(yīng)變式、盧表面諧振式）或是利用磁彈性、壓電和壓阻等物理效應(yīng)的傳感器。對稱重傳感器的基本要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對應(yīng)，并有良好的線性關(guān)系；有較高的靈敏度；對被稱物體的狀態(tài)的影響要?。荒茉谳^差的工作條件下工作；有較好 的頻響特性；穩(wěn)定可靠。（ 3）測量顯示和數(shù)據(jù)輸出的載荷測量裝置：即處理稱重傳感器信號的電子線路（包括放人器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電流源或電壓源、調(diào)節(jié)器、補(bǔ)嘗元件、保護(hù)線路等）和指示部件（如顯示、打印、數(shù)據(jù)傳輸和存貯器件等）。這部分習(xí)慣上稱載荷測量裝置或二次儀表。在數(shù)字式的測量電路中，通常包括前置放大、濾濾、運(yùn)算、變換、計數(shù)、寄存、控制和驅(qū)動顯示等環(huán)節(jié)。 電子秤的工作原理 當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺上時，其重量便通過秤體傳遞到稱重傳感器，傳感器隨之產(chǎn)生力一電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱物體重量成一定函數(shù)關(guān)系（ 一般成正比關(guān)系）的電信號（電壓或電流等）。此信號由放大電路進(jìn)行放大、經(jīng)濾波后再由模／數(shù) ( A/D)器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號再送到微處器的 CPU 處理， CPU 不斷掃描鍵盤和各功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析、由儀表的軟件來控制各種運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果送到內(nèi)存貯器，需要顯示時， CPU發(fā)出指令，從內(nèi)存貯器中讀出送到顯示器顯示，或送打印機(jī)打印。一般地信號的放大、濾波、 A/D轉(zhuǎn)換以及信號各種運(yùn)算處理都在儀表中完成。 電子秤的計量性能 電子秤的計量性能涉及的主要技術(shù)指標(biāo)有：量程、分度值、 分度數(shù)、準(zhǔn)確度等級等。（ 1）量程：電子衡器的最大稱量 Max，即電子秤在正常工作情況下，所能稱量的最大值。（ 2）分度值：電子秤的測量范圍被分成若干等份，每份值即為分度值。用 e 或 d 來表示。（ 3）分度數(shù)：衡器的測量范圍被分成若干等份，總份數(shù)即為分度數(shù)用 n 表示。電子衡器的最大稱量 Max 可以用總分度數(shù) n 與分度值 d 的乘積來表示，即 Max=n d（ 4）準(zhǔn)確度等級：國際法制計量組織把電子秤按不同的分度數(shù)分成 T、 II、 III、Ⅳ四類等級，分別對應(yīng)不同準(zhǔn)確度的電子秤和分度數(shù) n 的范圍，如表 1 所示： 數(shù)據(jù)采集 AD 轉(zhuǎn)換 單片機(jī)處理 LCD 顯示 按鍵處理 信號放大 6 表 11 不同準(zhǔn)確度的電子秤 和分度數(shù) 2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)元器件選型及參數(shù)介紹 系統(tǒng)單片機(jī)選型 單片機(jī)的選擇在整個系統(tǒng)設(shè)計中至關(guān)重要，要滿足大內(nèi)存、高速率、通用性、價格便宜等要求，本課題選擇 AT89S52 作為主控芯片。 AT89S52 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的 AT89S52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89S52 芯片具有以下特性 ?4?： ①指令集和芯片引腳與 Intel 公司的 8051 兼容； ② 4KB 片內(nèi)在系統(tǒng)可編程 Flash 程序存儲器； ③時鐘 頻率為 0～ 33MHz； ④ 128 字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲器（ RAM）； ⑤ 32 個可編程輸入 /輸出引腳； ⑥ 2 個 16 位定時 /計數(shù)器； ⑦ 6 個中斷源， 2 級優(yōu)先級； ⑧全雙工串行通信接口； ⑨監(jiān)視定時器； ⑩ 2 個數(shù)據(jù)指針。 AT89S52 單片機(jī)的 40 個引腳中有 2 個專用于主電源引腳， 2 個外接晶振的引腳， 4 個控制或與其它電源復(fù)用的引腳，以及 32 條輸入輸出 I/O 引腳 ?5?。 AT89S52 單片機(jī)引腳圖如圖 21 所示： 圖 21 單片機(jī)引腳圖 標(biāo)志及等級 電子秤分類 分度數(shù)范圍 特種準(zhǔn)確度 基準(zhǔn)衡器 n 100000 高準(zhǔn)確度 精密衡器 10000 n≤ 100000 中準(zhǔn)確度 商業(yè)衡器 1000 n≤ 10000 普通準(zhǔn)確度 粗衡器 100n≤ 1000 7 )( 43 421 1 RR RRR RE ????))(( 4321 4231 RRRR RRRRE ?? ??3421 RRRR ? 系統(tǒng)稱重傳感器選型 系統(tǒng)采用 壓電傳感器是一種典型的有 源傳感器，又稱自發(fā)電式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應(yīng)的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。 壓電傳感器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學(xué)量的測量，不適合測頻率太低的被測量，更不能測靜態(tài)量。目前多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。壓電器件的弱點(diǎn)：高內(nèi)阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對外接電路要求很高。 電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電 阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片即可單獨(dú)作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。 導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為 △ R/R 后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的 △ R/R 變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。 直流電橋的特點(diǎn)是信號不會受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放 大器放大。 圖 22 為一直流供電的 平衡電阻電橋， inE 接直流電源 E： 圖 22 傳感器內(nèi)部連接圖 當(dāng)電橋輸出端接無窮大負(fù)載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。 當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有： ADABBDo uuuu ??? = （ ） 當(dāng) 滿足條件 R1R3=R2R4 時，即 （ ） Rd Ra Rc Rb Res Bridge Ein Eout 8 ? ?? ?? ?)()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo ?????????? ??????ERR??? ou =0，即電橋平衡。式（ ）稱平衡條件。 應(yīng)變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。 若差動工作，即 R1=R△ R,R2=R+△ R,R3=R△ R， R4=R+△ R,按式（ ），則電橋輸出為 Ek?? () 應(yīng)變片式傳感器有如下特點(diǎn)：（ 1）應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感器。（ 2）分辨力和靈敏度高，精度較高。（ 3）結(jié)構(gòu)輕小，對