【正文】 7 2 方案論證與比較 按照本設(shè)計(jì)功能的要求 ，系統(tǒng)由 6個(gè)部分組成：控制器部分，測量部分，轉(zhuǎn)換部分報(bào)警部分，數(shù)據(jù)顯示部分和鍵盤部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖 所示。 控制器部分 本系統(tǒng)基于 51 系列單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)需要大量的控制 LED 顯示和鍵盤。）另外系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了 AT89S52 通用的比較普通單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 為保證電子秤秤量結(jié)果的準(zhǔn)確度，克服傳感器在低量程段線性度差的缺點(diǎn)。 題目要求稱重范圍 015Kg ，重量誤差不大于 ，考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重— 15Kg。 其原理如下圖所示： 圖 NSTHI系列稱重傳感器原理圖 稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用 惠 更 斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓可由下式給出： 表 壓力傳感器的主要技術(shù)指標(biāo) 9 前級(jí)放大器部分 壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，所以對運(yùn)算放大器要求很高。所以，此中方案不宜采用。 優(yōu)點(diǎn)：輸入級(jí)加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間 級(jí)為差動(dòng)放大電路，滑動(dòng)變阻器 R6 可以調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)，最后一級(jí)可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。對精度影響較大。 增益 范圍 5～10000V/V，通過改變 RG 的大小來改變放大器的增益 ， 基于以上分析，我們決 定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器 INA126 。 計(jì)數(shù)器式 A/D 轉(zhuǎn)換器 的結(jié)構(gòu)很簡單，但轉(zhuǎn)換速度也很慢，所以很少采用。 逐次逼近式 A／ D轉(zhuǎn)換器是采樣速率低于 5MSPS(百萬次采樣每秒 )的中高分辨率應(yīng)用的常見結(jié)構(gòu)，其分辨率一般為 8 位～ 16位， 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換，一般具有采樣 /保持功能。 它的工作電壓范圍比較寬，精度也比較高。 鍵盤處理部分方案論證 由于電子秤需要設(shè)置單價(jià)（十個(gè)數(shù)字鍵），還有復(fù)位，刪除等功能，總共需要設(shè)置 24 個(gè)鍵，鍵盤的擴(kuò)展有采用以下方案： 采用矩陣式鍵盤：矩陣式鍵盤的特點(diǎn)是把檢測線分成兩組，一組為行線，一組列線，按鍵放在 行線和列線的交叉點(diǎn)上。 圖 矩陣式鍵盤 顯示電路部分的選擇 方案 一 ：采用帶字庫的 LCD 顯示。 并且很容易壞，壽命很短，價(jià)格相對而言也比較高 。 可減少接口數(shù)目， 同時(shí) LED 還 有節(jié)能、安全和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn) 。 超限報(bào)警電路是由單片機(jī)的 I/O 口來控制的，當(dāng)稱重物體重量超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)所允許的重量時(shí)，通過程序使單片機(jī)的 I/O 值為高電平，從而三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器 BELL 發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)使報(bào)警燈發(fā)光。由于傳感器輸出的為模擬信號(hào)，所以需要對其進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便單片機(jī)接收。就其組成而言一塊單片機(jī)就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。 ATMEL89 系列單片機(jī)是 ATMEL 公司的以 8031 核構(gòu)成的 8位 Flash單片機(jī)系列。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器允許重復(fù)在線編程，允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)內(nèi)通過 SPI 串行口改寫或用同用的非易失性存儲(chǔ)器改寫。 AT89S52 的主要特性如下： 1） 兼容 MCS51 產(chǎn)品 2） 8K 字節(jié)可擦寫 1000 次的在線可編程 ISP 閃存 3） 到 的工作電源范圍 4） 全 靜態(tài)工作： 0Hz ～ 24MHz 5） 3級(jí)程序存儲(chǔ)器加密 6） 256 字節(jié)內(nèi)部 RAM 7） 32 條可編程 I/O 線 8） 3個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 9） 8個(gè)中斷源 10) UART 串行通道 11) 低功耗空閑方式和掉電方式 12) 通過中斷終止掉電方式 13) 看門狗定時(shí)器 14) 雙數(shù)據(jù)指針 15） 靈活的在線編程（字節(jié)和頁模式 ） 15 圖 AT89S52的結(jié)構(gòu)框圖 此外 ,AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。 單片機(jī)管腳說明 按照功能， AT89S52 的引腳可分為主電源、外接晶體振蕩或振蕩器、多功能I/O 口、控制和復(fù)位等。 （ 1） P0 端口，該口是一個(gè) 8位漏極開路的雙向 I/O 口。在對 Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)， P0 用于 接收代碼字節(jié)；在校驗(yàn)時(shí)，則輸出代碼字節(jié)；此時(shí)需要外加上拉電阻。在對Flash 編程和程序校驗(yàn)時(shí)， P1口接收低 8 位地址。 P2 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。對端口寫 “1” 時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。 表 32 P3端口 引腳與復(fù)用功能表 端口引腳 復(fù)用功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（定時(shí)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí)器 1 的外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 2． RST 復(fù)位輸入端。 DISRTO 位的默認(rèn)狀態(tài)，是復(fù)位高電平輸出功能使能。一般情況下， ALE是振蕩器頻率的6分頻信號(hào)，可用于外部定時(shí)或時(shí)鐘。 4． PSEN 程序存儲(chǔ)器允許信號(hào)。 5． EA/Vpp 外部存取允許信號(hào)。在對 Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳接收 12V 編程電壓 Vpp。 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。如果 RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計(jì)數(shù)器 PC=0000H，這表明程序從 0000H 地址單元開始執(zhí)行。 傳感器和其外圍以及放大電路設(shè)計(jì) 1. 傳感器 力學(xué)傳感器的 種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式 。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D 轉(zhuǎn)換和 CPU ）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。電阻應(yīng)變式稱重傳感器結(jié)構(gòu)較簡單，準(zhǔn)確度高，適用面廣，且能夠在相對比較差的環(huán)境下使用。 cm2/m ） S —— 導(dǎo)體的截面積（ cm2 ） L —— 導(dǎo)體的長度（ m ） 我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長度和截面積都會(huì)發(fā)生變化， 從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時(shí)，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。在實(shí) 20 際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊?，F(xiàn)今運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于幾乎所有的行業(yè)當(dāng)中 直 流放大電路在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中，特別是在一些測量儀器和自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。能夠有效地放大緩慢變化的直流信號(hào)的最常用的器件是運(yùn)算放大器。（開環(huán)差模放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放在無外加反饋 回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。輸出電阻的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的負(fù)載能力。 INA126 的性能特點(diǎn) 如下： 1） 靜態(tài)電流小 ,小于 175μ A。 3） 失調(diào)電壓低 ,小于 250μ V。 7) 壓擺率的典型值 (輸出177。 時(shí) )。該器件兩種等級(jí)，后綴有 A 性能稍差。增益與外接電阻 RG的關(guān)系如表 33所示 表 33 增益與外接電阻 RG 的關(guān)系 22 （ 3） 前端信號(hào)處理部分 電路設(shè)計(jì) 通過調(diào)節(jié) RG的阻值來改變放大倍數(shù)。其電路圖如圖 所示。它是逐次逼 近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。 如下圖為 ADC0809 的 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 圖 ADC0809的 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 圖 ADC0809 各腳功能如下： D7D0： 8 位數(shù)字量輸出引腳。 REF（ +）：參考電壓正端。 （以上兩種信號(hào)用于啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換） . EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。 如下圖為 ADC0809 的引腳圖： 圖 ADC0809的引腳圖 ADC0809 對輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是 0－ 5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。通道選擇表如下表所示 。當(dāng)EOC 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 CLK 為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。 （ 3） 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到 A， B， C 端口上。 2 ADC0809 與單片機(jī)的連接 26 圖 ADC0809 與 ATC89S52 電路圖 此外， 由圖中可以看出 ADC0809 和 8051 之間有一個(gè)二分頻的 D觸發(fā)器。 表 35 D觸發(fā)器的真值表 D Qn+1 說明 0 0 置 0 1 1 置 1 在這個(gè)電路圖中， D觸發(fā)器做了個(gè)二分頻的分頻器，它將 ALE 出來的 1MHZ的頻率分頻成 500KHZ 的頻率。 PA口和 PB口可工作與基本的輸入輸出方式或選通輸入輸出方式。 圖 8155H的引腳圖 28 各引腳的功能說明如下： RESET： 8155H 內(nèi)部復(fù)位信號(hào)輸入端。引腳 IO/M的極性決定地址是 RAM 還是 I/O 口的， 8 位數(shù)據(jù)是寫入到 8155H 芯片或從 8155H芯片讀出，取決于 WR有效還是 RD有效。 IO/M=1， AD0～ AD7 的地址為 8155H I/O 口的地址，選擇 I/O 口。 ALE：地址鎖存允許端。 PC0~PC5：這 6 根線是 PC 口線。 TIMEROUT: 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸出，輸出信號(hào)是矩形還是脈沖波形取決于定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的工作方式。 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜， LED 有 7 段和 8段之分。 MCS51對 LED 管的顯示可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。 30 圖 AT89S52對 LED的接口電路 圖中， A口通過驅(qū)動(dòng)器 74LS244 和所有 LED 的 a,b,c,d,e,f,g， sp 引線相連，各 LED 的控制端 G 和 8155 的 C 口相連，故 A 口為字形口， C 口為字位口。 圖 74LS244的 邏輯引腳功能 圖 引腳功能： 31 1A1~1A4,2A1~2A4 輸入端 /1G, /2G 三態(tài)允許端 (低電平有效 ) 1Y1~1Y4,2Y1~2Y4 輸出端 真值表 如表 36： 鍵盤電路與 AT89S52 單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 矩陣式鍵盤的 結(jié)構(gòu)與工作原理：在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。 鍵盤處理程序的關(guān)鍵是如何識(shí)別鍵碼，單片機(jī)對鍵盤控制的辦法是“掃描” 根據(jù)單片機(jī) 進(jìn)行掃描的方法又可分為程序控制掃描法，定時(shí)掃描法，中斷掃描法。 32 B EL L90 12+ 5VP 圖３ .19 報(bào)警電路圖 當(dāng)電路檢測到稱重的物體超過儀器的量程限制時(shí)， 將產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)給報(bào)警電路，使報(bào)警電路報(bào)警從而提醒工作人員注意。根據(jù)系統(tǒng)的控制任務(wù)，本系統(tǒng)的軟件主要由主程序、初始化程序、顯示子程序、 數(shù)據(jù)采集子程序、鍵盤掃描子程序和報(bào)警子程序等組成。 圖 主程序流程圖 開 始 清單 =0 LED 初始化 自動(dòng)校準(zhǔn) 提示輸入收銀員編號(hào)和日期 讀 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) 計(jì)算金額和總價(jià) 顯示清單 顯示商品單價(jià)重量等信息 N Y 34 子程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 子程序主要包括 A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)及數(shù)據(jù)讀取 子程序、 顯示子程序 、 鍵盤掃描子程序設(shè)計(jì) 、 報(bào)警子程序 等。因此，顯示子程序的設(shè)計(jì)就顯得舉足輕重，設(shè)計(jì)的時(shí)候 也要十分的小心和賣力。 數(shù) 字鍵和小數(shù)點(diǎn)鍵：用于輸入單價(jià)； 累加鍵： 相當(dāng)于確認(rèn)， 并且將金額累加 ， 得到所購買商品的總金額。 最大稱量鍵： 按下此鍵顯示最大稱量值； 商品 1~商品 6： 按下此鍵顯示不同商品的單價(jià)。 為了判斷到底哪一行那一列的鍵按下，事先按一定順序給每一個(gè)鍵編一個(gè)號(hào)，即鍵值。這就需要一段比較程序以及一小段置 1 清 0 程序。傳感器是一種能將特定的被測信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置，本次設(shè)計(jì)中的電子秤就是在它的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的。如果使用精密度較高的傳感器，效果會(huì)更好。 40 致謝 經(jīng)過 六周的忙碌和學(xué)習(xí)，本次設(shè)計(jì)已接近尾聲，作為一個(gè)大專生， 由于經(jīng)驗(yàn)的缺乏，知識(shí)的有限，難免有許多考慮不周的地方，如果沒有指導(dǎo)老師的督促指導(dǎo)，以及同組同學(xué)的團(tuán)結(jié)努力，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是很難的。她的專業(yè)水平和治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)給我很深的感觸，相信在以后的學(xué)習(xí)和工作中會(huì)產(chǎn)生積極的影