【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 v 01v 02R92 00 ΩR 1 08 20 ΩA /D _ inQ1N P NL S 1S P E A K E RR 1 32 00 ΩV C CB e e pV C CB e e p1 2J2132V VGNDIN OUTU27 8L 0 5D1D2+C54 70 u FV C CV C C 圖 31 系統(tǒng)總體電路圖 下面將系統(tǒng)的各個(gè)組成部分逐節(jié)介紹。 單片機(jī)應(yīng)用 單片機(jī)選型 單片機(jī)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)了信號(hào)處理、鍵盤掃描、按鍵處理、顯示控制、顯示輸出等至多重要的工作。最大限度地利用好單片機(jī)的資源，是一個(gè)系統(tǒng)性價(jià)比的關(guān)鍵所在 [5]。在選用單片機(jī)方面，有 如 下幾個(gè)方案： 方案一、選用 STC89C52RC 單片機(jī)。 STC89C52RC 單片機(jī)是宏晶公司推出的一款完全兼容 MCS51的單片機(jī)，片內(nèi)集成了 8K 的 FLASH 程序存儲(chǔ)器、 512 字節(jié)的 RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 1K 存儲(chǔ)容量的E2PROM、 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針、 1 個(gè) UART、 8 個(gè)中斷源、 4 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、 3 個(gè)定時(shí)器。單片機(jī)可通過 32個(gè) I/O 口與外部電路連接。 方案二、選用 STC12C5A32S2 單片機(jī)。 STC12C5A32S2 單片機(jī)同樣是宏晶公司出產(chǎn)的一款高性能51 單片機(jī)。此款單片機(jī)運(yùn)行速度較高， 1個(gè)機(jī)器周期即為 1個(gè)時(shí)鐘周期，相對(duì)于傳統(tǒng)的 51 單片機(jī)，同樣晶振條件下，運(yùn)行速度提高了 12 倍。另外具有 P4 口、雙串口、 A/D 轉(zhuǎn)換、大容量程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 E2PROM 等資源。 方案三、選用 STM32F101 單片機(jī)。 STM32F101 單片機(jī)是 ARM 公司推出的一款以 “CortexM3”為內(nèi)核的高性能 16 位單片機(jī)。此款單片機(jī)具有 2 路 12 位的 A/D、 4MB/s 的 UART、 18MB/s 的 SPI 總線。內(nèi)部集成了 復(fù)位電路、低電壓檢測(cè)、調(diào)壓器、精確的 RC 振蕩電路等，且此款單片機(jī)的功耗極低，在72MHz 時(shí)鐘頻率下消耗 36mA，待機(jī)狀態(tài)是僅 為 2μA，是一款性價(jià)比極高的 ARM 內(nèi)核的單 片機(jī)。 湖州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文 6 方案三的單片機(jī)性能十分強(qiáng)大，但是由于從未接觸過，短時(shí)間內(nèi)無法上手，故此次設(shè)計(jì)不選用方案三。方案一和方案二都是出自宏晶公司的單片機(jī)，對(duì)于方案一的單片機(jī)比較熟悉， 但是若選用方案一的單片機(jī)，則在模擬信號(hào)與單片機(jī)之 間增加 A/D 轉(zhuǎn)換電路，這樣不僅電路復(fù)雜，而且成本增加，而方案二的單片機(jī)所具有的 10 位 A/D 資 源基本已能滿足使用，綜合以上幾點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用方案二的STC12C5A32S2 單片機(jī)。 STC12C5A32S2 單片機(jī)簡(jiǎn)介 STC12C5A32S2 單片機(jī)是宏晶公司生產(chǎn)的一款隸屬于 STC12 系列的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼與傳統(tǒng)的 51單片機(jī)兼容，但指令執(zhí)行速度是傳統(tǒng) 51 單片機(jī)的 8～ 12倍。片內(nèi)集成了 MAX810 專用復(fù)位電 路 、 2 路 PWM、 8 路 10 位的 A/D 轉(zhuǎn)換。 STC12C5A32S2單片機(jī)引腳示意圖如圖 32。 圖 32 STC12C5A32S2 單片機(jī)引腳示意圖 STC12C5A32S2 單片機(jī)的部分特性如下： 增強(qiáng)型的 8051CPU， 1 個(gè)時(shí)鐘周期即為一個(gè)機(jī)器周期； 工作電壓為： － ；工作頻率為： 0－ 35MHz； 片內(nèi)集成了 32K 容量的程序存儲(chǔ)器 ROM、 1280 字節(jié)的 RAM、 28K 容量的 E2PROM； 通用 I/O 口 32個(gè)，可擴(kuò)展至 36個(gè)，復(fù)位后 P0口為準(zhǔn)雙向口，其余為雙向口，所有 I/O 口均可設(shè)置成四種模式： 準(zhǔn)雙向口 /弱上拉 ； 推挽 /強(qiáng)上拉 ； 僅為輸入 /高阻 ； 開漏 。 每個(gè) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力為 20mA； ISP/IAP 模式 ，通過串口（ ）即可下載用戶程序； 內(nèi)部集成 MAX810 復(fù)位電路； 湖州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文 7 1 4 個(gè) 16 位定時(shí)器：兩個(gè)兼容于傳統(tǒng) 8051 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 16 位定時(shí)器 T0和 T1，沒有定時(shí)器 2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通信的波特率發(fā)生器，還有 2 路 PCA 模塊實(shí)現(xiàn) 2 個(gè) 16位定時(shí)器； 外部中斷 I/O 口 7 路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，并新增支持上升沿中斷的 PCA模塊， Power Down 模式可由外部 中斷喚醒， 相關(guān)引腳有： INT0/、 INT1/、 T0/、T1/、 RxD/、 CCP0/、 CCP1/； A/D 轉(zhuǎn)換， 8 路 10 位精度 ADC，轉(zhuǎn)換速度為 250K/S； 工作溫度范圍為： 075℃ 。 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 一個(gè)基本的單片機(jī)模塊，需要單片機(jī)，時(shí)鐘電路以及復(fù)位電路。本系統(tǒng)采用了 的晶振，輔以兩個(gè) 22pF 的電容為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)。復(fù)位電路的作用是向單片機(jī)的 RST 復(fù)位引腳輸入一個(gè)持續(xù)時(shí)間上大于 2個(gè)機(jī)器周期的高電平，即可完 成對(duì)單片機(jī)的復(fù)位操作。單片機(jī)模塊的電路圖如圖 33。 E A /V P31X119X218R E S E T9RD17WR16IN T 012IN T 113T014T115P 10 / T1P 11 / T2P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U1S T C 1 2 C 5A 3 2 S 2Y1C12 2p FC22 2p F+ C31 0u FS 17R 1 11 0KR S TR S TP 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07P 20P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27ERWRSA /D _ inV C CB e e pV C C 圖 33 單片機(jī)模塊電路圖 HL8 型稱重傳感器 簡(jiǎn)介 HL8 型稱重傳感器是由一塊應(yīng)變片，上面黏合 4 塊應(yīng)變電阻構(gòu)成橋式應(yīng)變電阻傳感器 ，其 內(nèi)部示意圖如圖 34。 湖州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文 8 圖 34 橋式應(yīng)變電阻傳感器內(nèi)部示意圖 技術(shù)參數(shù)如表 31。 表 31 HL8 型稱重傳感器技術(shù)參數(shù) 量程 (kg) 3 綜合誤差 (%) 額定輸出溫度飄移 (%℃ ) ≤ 靈敏度 (mv/v) 177。 零點(diǎn)輸出 (mV/V) 177。 非線性 (%) 輸入電阻 (Ω ) 1000177。50 重復(fù)性 (%) 輸出電阻 (Ω ) 1000177。50 滯后 (%) 絕緣電阻 (MΩ) ≥2021(100VDC) 蠕變 (%) 推薦激勵(lì)電壓 (V) 5～ 10 零點(diǎn)漂移 (%) 工作溫度范圍 (℃ ) 10～ +50 零點(diǎn)溫度漂移 (%℃ ) 過載能力 (%) 150 傳感器的尺寸為 80mm120mm120mm。 前置信號(hào)放大電路 傳感 器輸出的信號(hào)是毫伏級(jí)的微弱電壓信號(hào)，很難被 A/D 轉(zhuǎn)換器采集到，即使可以采集到，也因?yàn)樾盘?hào)微弱而不能有效分析，同樣是沒有意義的。所以在傳感器與 A/D 轉(zhuǎn)換器之間需要搭建前置信號(hào)放大電路，用以放大微弱的傳感器信號(hào) [6]。 放大電路方案 選擇 放大電路常用設(shè)計(jì)方案有如下幾種： 方案一、采用三極管構(gòu)成的放大電路。 放大電路有 3 種基本形式：共射極放大電路，共基極放大電路和共集電極放大電路。在放大電路設(shè)計(jì)中，往往采用了幾種不同的放大電路形式相互輔助。 方案二、采用以運(yùn)算放大器為核心的放大電路。 OP07 或者 LM358 運(yùn)算放大器為主要器件，輔以與放大倍數(shù)對(duì)應(yīng)的電阻，即可達(dá)到所需放大的倍數(shù) [7]。 方案一的放大電路適用于音頻信號(hào)的放大，而方案二的放大電路適用于傳感器等微小信號(hào)的放大?？紤]到對(duì)兩方案的熟悉程度，最終選擇方案二作為放大電路設(shè)計(jì)方案，采用 LM358 雙運(yùn)放芯片為放大電路核 心。 湖州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文 9 LM358 芯片 簡(jiǎn)介 LM358 是一塊 8 引腳的運(yùn)算放大器芯片，內(nèi)部包含了兩個(gè)運(yùn)算放大器，具有獨(dú)立性、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)奶匦?[8]?？刹捎脝坞娫磁c雙電源的工作模式。在傳感放大器、直流增益模塊和其他使用運(yùn)算放大器 的場(chǎng)合使用。 LM358 的引腳圖與內(nèi)部示意圖如圖 35。 圖 35 LM358 引腳圖與內(nèi)部示意圖 LM358 的特性 : 內(nèi)部頻率補(bǔ)償； 直流電壓增益高 (約 100dB)； 單位增益頻帶寬 (約 1MHz)； 電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?(3—30V)； 雙電源 (177。 一 177。15V)； 低功耗電流，適合于電池供電； 低輸入偏流； 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流； 共模輸入電壓范圍寬，包括接地； 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍； 1 輸出電壓擺幅大 (0 至 )。 以 LM358 為核心的前置信號(hào)放大電路如圖 36。 圖中， R R R R8 與運(yùn)算放大器構(gòu)成一級(jí)差分放大電路。當(dāng) R5 與 R6 阻值相等， R7 與 R8阻 值 相 等 時(shí) ，其 對(duì) 電 壓的 放 大 倍數(shù) 可 由 公式 57RRAv? 求 得 ， 即 一 級(jí) 放大 器 輸 出電 壓? ?010257 vvRRv ?? 。傳感器輸出的滿量程電壓差為 40mV，取 R R8 阻值為 82KΩ， R R6 阻值為820Ω，則可將傳感器信號(hào)放大為 4V。由 R R10 與 LM324 的運(yùn)算放大器，構(gòu)成了二 級(jí)同相放大器。湖州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文 10 其電壓放大倍數(shù)計(jì)算公式為：9 109R RRAv ??。二級(jí)放大電路可將傳感器輸出的電壓進(jìn)一步放大到接近 A/D 轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。 A R 1L M 3 2 4A R 2L M 3 2 4R58 2 0 ΩR68 2 0 ΩR78 2 K ΩR88 2 K ΩV C Cv 0 1v 0 2R92 0 0 ΩR 1 08 2 0 ΩA /D _ in 圖 36 前置信號(hào)放大電路圖 顯示部分 一個(gè)系統(tǒng)讓人們能夠使用，就要具備合理的人機(jī)接口設(shè)備，要有輸入輸出設(shè)備，顯示部分的作用，就是系統(tǒng)將有價(jià)值的信息顯示出來，以便用戶獲得相應(yīng)的信息。常用的顯示設(shè)備有數(shù)碼管， LCD 顯示屏，各類點(diǎn)陣等。 顯示方案 選擇 顯示常用方案有如下幾種： 方案一、采用數(shù)碼管做顯示器件。數(shù)碼管是一種常用的顯 示器件，可顯示數(shù)字，小數(shù)點(diǎn)與部分英文字母。具有驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，功耗小，讀取方便等優(yōu)點(diǎn)。市場(chǎng)上的許多電子秤采用了數(shù)碼管的顯示方式。 方案二、采用 1602 液晶作為顯示器件。 1602 液晶 是電子產(chǎn)品常用的顯示器件之一，與單片機(jī)通過3 個(gè)控制口與一個(gè)并行口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？梢燥@示阿拉伯?dāng)?shù)字，標(biāo)點(diǎn)符號(hào)，字母等，顯示內(nèi)容與數(shù)碼管相比較大大豐富。且驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，界面人性化，用在顯示內(nèi)容不多的場(chǎng)合。 1602 液晶 采用 5V 供電。 方案三、采用 12864 液晶 做顯示器件。 12864 液晶 可以顯示 4 行 8 字的內(nèi)容。除了 1602 液晶 能顯示的 ASCII 碼之外，還可顯示漢字，圖形等 1602 液晶 不能顯示的信息，是十分人性化的一款顯示器件。12864 液晶 有 20 個(gè)引腳，其中與單片機(jī)通信的接口有 15 個(gè)。與 1602 液晶 一樣，采用 5V 供電。 由于本系統(tǒng)只需要顯示重量，價(jià)格等信息，基本的數(shù)字信息得到滿足即可，出于成本控制考慮，不選擇 12864 液晶。若采用數(shù)碼管顯示，則需要很多的段選位選接口，這樣會(huì)浪費(fèi)單片機(jī)很多 I/O 口資源，而且動(dòng)態(tài)掃描也會(huì)降低顯示亮度，基于以上考慮，選擇 1602 液晶作為顯示器件。 1602 液晶簡(jiǎn)介 1602LCD 一塊可以顯示 16 個(gè)字符 2 行的液晶顯示屏。 1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（ CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了 160 個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，顯示的字符包括數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)、大小寫英文字母、日文等簡(jiǎn)單文字符號(hào)。 1602 液晶的引腳接線圖如圖 37。 湖州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文 11 GND1VDD2V03RS4RW5E6D07D18D29D310D411D512D613D714A15K161 60 2P00P01P02P03P04P0