【文章內(nèi)容簡介】 第 5 頁 共 61 頁 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)是集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)很多功能集成在一塊小芯片上，它具有一個完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分組件：外部總線系統(tǒng)、內(nèi) 存和 CPU 同時集成實(shí)時時鐘通訊接口、定時器和實(shí)時時鐘等外圍設(shè)備。單片機(jī)也稱作單片微電腦或單片微型計(jì)算機(jī)，它是把中央處理器（ CPU）、隨機(jī)存取存儲器（ RAM）、只讀存儲器（ ROM）、輸入 /輸出端口（ I/O）等主要計(jì)算機(jī)功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。 單片機(jī)選型 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī)，從 8 位到 16 位再到 32 位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有很多與主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，相輔相成，為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地。 自從上世紀(jì) 80 年代初 Intel 公 司推出 MCS51 系列單片機(jī)以后，全球諸多著名的半導(dǎo)體廠商相繼生產(chǎn)與 51 系列兼容的單片機(jī)，使得單片機(jī)型號不斷增加，功能不斷增強(qiáng)，品種不斷豐富 [3]。本系統(tǒng)采用 STC89C51RC 作為核心單片機(jī)系統(tǒng)， STC89C51RC是一種高性能、低功耗 8 位微控制器。引腳圖如下圖 所示。 圖 單片機(jī)引腳圖 單片機(jī)各引腳介紹： ? I/O 口引腳 P0（第 32 腳 ~39 腳）：雙向 8 位三態(tài) I/O 口。當(dāng)接外部存儲器時，總線復(fù)用，不僅可以作為數(shù)據(jù)總線，也可作為地址總線的低 8 位。 ? I/O 口引腳 P1（第 1 腳 ~8 腳）： 8 位準(zhǔn) 雙向 I/O 口。由于此端口沒有高阻態(tài)，所以無法輸入進(jìn)行鎖存，所以并不是真正意義上的雙向 I/O。 xx 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 第 6 頁 共 61 頁 ? I/O 口引腳 P2（第 21 腳 ~28 腳）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。當(dāng)使用外部存儲器時，總線復(fù)用，不僅可以作為數(shù)據(jù)總線，也可作為地址總線的高 8 位。 ? I/O 口引腳 P3（第 10 腳 ~17 腳）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。 P3 口不僅可以作為一般的數(shù)據(jù)總線使用，這 8 個引腳還有各自的特殊功能，屬于復(fù)用雙功能口。作為第二功能使用時，各引腳的定義如表 所示，值得強(qiáng)調(diào)的是， P3 口每一條引腳均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。 表 P3 口第二功能表 引腳 特殊功能 RXD（串行輸入端） TXD（并行輸入端） INT0(外部中斷 0) INT1(外部中斷 1) T0（定時器 /計(jì)數(shù)器 0 輸入端） T1（定時器 /計(jì)數(shù)器 1 輸入端） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端） ? 電源引腳 Vcc（第 40 腳）：接 +5V 電壓。 ? 電源引腳 Vss（第 20 腳）：接地。 ? 外部晶振引腳 XTAL1 與 XTAL2（第 19 腳 ,18 腳）：接外部晶振 時，將振蕩信號輸入給單片機(jī)內(nèi)部的時鐘發(fā)生器。 ? EA（第 31 腳）：當(dāng) EA 為低電平時，不管內(nèi)部是否有程序存儲器（ 8031 型號單片機(jī)沒有內(nèi)部存儲器），單片機(jī)只訪問外部程序存儲器。當(dāng) EA 為高電平時，先訪問內(nèi)部程序存儲器，當(dāng)尋址地址超過容量時，自動訪問外部程序存儲器。 ? PSEN(第 29 腳 )：當(dāng)從外部程序存儲器讀取指令時，每個機(jī)器周期內(nèi) PSEN 兩次有效，時外部程序存儲器的讀選通信號。 ? ALE（第 30 腳）：當(dāng)不訪問外部存儲器時， ALE 引腳周期性的輸入正脈沖信號，可以作為對外輸出的時鐘，頻率為振蕩器頻率的 1/6。當(dāng)訪問外部 存儲器時， ALE 用于地址低位字節(jié)的鎖存。 ? RST（第 9 腳）：當(dāng) RST 上出項(xiàng)兩個機(jī)器周期以上的高電平時，單片機(jī)將復(fù)位。 單片機(jī) STC89C51RC 內(nèi)部 ROM空間大小為 4K，地址范圍從 0000H 到 0FFFH。 RAM空間大小為 128 字節(jié)，地址范圍從 00H 到 FFH。地址 80H 到 FFH 為特殊功能寄存器區(qū)，用于計(jì)數(shù)器 /定時器，串行通信，累加器以及一些特殊的控制寄存器。 xx 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 第 7 頁 共 61 頁 單片機(jī)晶振電路和復(fù)位電路 （ 1）晶振電路 晶振是晶體振蕩器的簡稱在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián) 再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，給單片機(jī)提供工作所需要的時鐘信號 [4]。理論上來說，振蕩頻率越高表示單片機(jī)運(yùn)行速度越快，但同時對存儲器的速度和印刷電路板的要求也就越高。如同木桶原理。同時單片機(jī)性能的好壞，不僅與 CPU 運(yùn)算速度有關(guān)，而且與存儲器的速度、外設(shè)速度等都有很大關(guān)系。因此一般選用 6~12MHZ。并聯(lián)諧振電路對電容的值沒有嚴(yán)格要求，但會影響振蕩器的穩(wěn)定、振蕩器頻率高低、起振快速性等。陶瓷封裝電容可以進(jìn)一步提高溫度穩(wěn)定性 STC89C51RC 內(nèi)部有一個高 增益反相放大器用于構(gòu)成振蕩器。 晶振有一個重要的參數(shù) ， 那就是負(fù)載電容值選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地 。 這兩個電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容。 一般的晶振的負(fù)載電容為 15pF 或 ， 如果再考慮元件引腳的等效輸入電容 ，則兩個 22pF 的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇 。 晶振與單片機(jī)的腳 XTAL0 和腳 XTAL1 構(gòu)成的振蕩電路中會產(chǎn)生偕波 。 這個波對電路的影 響不大 ， 但會降低電路的時鐘振蕩器的穩(wěn)定性 ， 為了電路的穩(wěn)定性起見 。 ATMEL公司只是建議在晶振的兩引腳處接入兩個 10pf50pf 的瓷片電容接地來削減偕波對電路的穩(wěn)定性的影響 ， 所以晶振所配的電容在 10pf50pf 之間都可以的 。 本系統(tǒng)采用了 12 MHZ 的晶振。 圖 單片機(jī)時鐘原理圖 （ 2）復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位電路有兩種，上電自動復(fù)位方式以及手動復(fù)位方式。本系統(tǒng)已具備電源開關(guān)鍵，可以使用上電自動復(fù)位方式。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能使單xx 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 第 8 頁 共 61 頁 片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。 51 單片機(jī)是高電平復(fù) 位，給單片機(jī)加 5V電源（上電）啟動時的情況：這時電容充電相當(dāng)于短路（電容特性：通交流，隔直流，上電瞬間相當(dāng)于交流），可以認(rèn)為 RST 上的電壓就是 VCC，這是單片機(jī)就是復(fù)位狀態(tài)。隨著時間推移電容兩端電壓升高，即造成 RST 上的電壓降低，當(dāng)?shù)椭灵撝惦妷簳r，即完成復(fù)位過程。外部復(fù)位電路是為提供兩個機(jī)器周期以上的高電平而設(shè)計(jì)的。 RST 腳上只要保持 10ms以上高電平，系統(tǒng)就會有效復(fù)位。電容 C1 可取 10~33μF， R 取 10kΩ，充電時間常數(shù)為1010610103=100ms。其電路如圖 所示： 圖 單 片機(jī)復(fù)位原理圖 電容的作用就是緩沖使 RST 端保持高電平一段時間，以達(dá)到有效復(fù)位，電容越大，保持的時間就越久。單片機(jī)的復(fù)位需要至少持續(xù)兩個機(jī)器周期以上的高電平的時間，所以在剛開始上電的時候圖 中的電容 C1 充電，所以在單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST 上會出現(xiàn)大于 2 個機(jī)器周期的高電平，使單片機(jī)復(fù)位。 數(shù)據(jù)采集模塊 使用型號為 CZLA、量程為 10kg 的電阻應(yīng)變式壓力傳感器，對被測物體進(jìn)行壓力采集并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸出電壓信號通常很小，此時需要 利用 HX711 轉(zhuǎn)換模塊中的可編程放大器進(jìn)行放大 。放大后的模擬電壓 信號經(jīng) 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 HX711 電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過 2 線串行方式與單片機(jī)通信，即可完成數(shù)據(jù)的采集工作。數(shù)字采集模塊原理圖如圖 所示。 圖 數(shù)據(jù)采集模塊圖 xx 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 第 9 頁 共 61 頁 壓力傳感器 （ 1）壓力傳感器的選擇 在本設(shè)計(jì)中，我們需要使用壓力傳感器來對物品重量進(jìn)行測量。壓力傳感器在 壓力檢測系統(tǒng)中 是一個重要的元件，因此，在選擇壓力傳感器時需要考慮其量程和參數(shù)，還要考慮它的性價比和兼容性等等。由壓力傳感器將所測壓力信號轉(zhuǎn)換成容易測量的電信號輸出，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換及單片機(jī)處理后傳送給液晶顯示壓力值，或供報警使 用。壓力傳感器的種類有很多，比如應(yīng)變式傳感器， 電容 式 壓力傳感器 、 壓電傳感器， 諧振式 壓力傳感器 直接位移式傳感器或是利用磁彈性、壓阻等物理 效應(yīng)的傳感器。 壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的 壓電效應(yīng) 制成的傳感器 [5]。但壓電傳感器只能用于動態(tài)測量。由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。 電阻應(yīng)變式傳感器具有悠久的歷史。 電阻應(yīng)變式傳感器具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即如果有外力存在，那么 金屬會發(fā)生微弱的形變，從而改變其電阻值。它具有結(jié)構(gòu)簡單，精度高，易于實(shí)現(xiàn)小型化等特點(diǎn)， 因此是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。 對于大應(yīng)變有較大的非線性的輸出信號較弱，但可以通過一些措施來補(bǔ)償。 電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為 △ R/R 后，因?yàn)閴毫鞲衅髟诠ぷ鲿r應(yīng)變片的形變量很小，導(dǎo)致電阻變化很微弱，測量得到的結(jié)果未必準(zhǔn)確，并且由于結(jié)果數(shù)值很小，導(dǎo)致我們處理起來將會十分困難。因此，我們可以把測量結(jié)果經(jīng)過某些電路將電阻變化或形變量轉(zhuǎn)化為電信號，以此來提高測量效率和精確度 [6]。此處通常選用測量電橋作為轉(zhuǎn)換電路。 此處的 測量電橋選用直流電橋，因?yàn)橹绷麟姌蚩垢蓴_能力強(qiáng)，但是輸出信號小，所以需要對轉(zhuǎn)換的電信號通過高效的放大電路進(jìn)行放大。 R R R3 和 R4 組成惠更斯電橋，將兩對電阻應(yīng)變片的阻值變化轉(zhuǎn)變成輸出電壓，其工作原理如圖 所示。 圖 測量電橋原理圖 （ 2） 電阻應(yīng)變式傳感器測量原理 電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片等組成。傳感器內(nèi)部線路采xx 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 第 10 頁 共 61 頁 用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，轉(zhuǎn)換元件電阻應(yīng)變片也會受到拉伸或變形，它的阻值將發(fā)生變化，從而使電橋失去平衡，產(chǎn)生相應(yīng)的差動信號，供后續(xù)電路測量和處理。電 阻應(yīng)變式傳感器測量原理圖如圖 所示。 圖 電阻應(yīng)變式傳感器測量結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)外界施加一個垂直正壓力 P 作用于金屬橫梁上時，橫梁產(chǎn)生形變，電阻應(yīng)變片R R3 受壓彎拉伸，阻值增加； R R4 受壓縮，阻值減小。電橋失去平衡，產(chǎn)生不平衡電壓，不平衡電壓與作用在傳感器上的載菏 P 成正比，從而將非電量轉(zhuǎn)化成電量輸出 [7]。 （ 3） 電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變式壓力傳感器是將所測物體壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來進(jìn)行測量的。應(yīng)變片即是該型傳感器的核心，它是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體 ， 是一種將被測件上的應(yīng)變的變化轉(zhuǎn) 換成為一種電信號的敏感 器件 。通常是將應(yīng)變片通過特殊的方式使其緊密的粘合在應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時， 電阻 應(yīng)變片也跟著產(chǎn)生形變，應(yīng)變片的阻值也改變，從而使加在 電阻 上的電壓發(fā)生變化 [7]。 電阻應(yīng)變片主要由四部分組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖 所示，電阻絲是應(yīng)變片敏感元件；基片、覆蓋片起定位和保護(hù)電阻絲的作用，并使電阻絲和被測試件之間絕緣，引出線用以連接測量導(dǎo)線。 圖 電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 信號放大電路 壓力傳感器的輸出電壓范圍為 0～ 20mV，而 A/D 轉(zhuǎn)換的輸入電壓需要為 0～ 2V，xx 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 第 11 頁 共 61 頁 因此放大環(huán)節(jié)要有 100 倍左右的增益。對放大環(huán)節(jié)的要求是增益可調(diào)的（ 70～ 150 倍），根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況增益設(shè)為 100 倍即可。 由壓力傳感器的測量原理 可知，電阻應(yīng)變片組成的傳感器是把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的相對變化率 ΔR/R，而應(yīng)變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應(yīng)變片電阻值200Ω，靈敏系數(shù) K 為 3，彈性體在額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?1000ε，則應(yīng)變電阻相對變化率為： ΔR/R = Kε= 3100010－ 6 = （ 31） 由式 31 可以看出電阻變化 ΔR只有 ，其電阻變化率只有 %。這么小的電阻變化既難以直接準(zhǔn)確地測量，又不便直接處理。所以必須采用轉(zhuǎn) 換電路，把應(yīng)變片的 ΔR/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，但是這個電壓或電流信號很小，需要增加增益放大電路來把這個電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成可以被 A/D 轉(zhuǎn)換芯片接收的信號。 我們采用結(jié)合 HX711芯片的放大電路，圖 如下 所示 ： 圖 HX711 芯片 放大電路 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換 模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。能夠完成這一任務(wù)的器件稱之為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器。本次設(shè)計(jì)中 A/D 轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換位數(shù)字量進(jìn)行輸出。 （ 1） A/D 轉(zhuǎn)換模塊器件選擇 xx 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 第 12 頁 共 61 頁 目前許多類型的單片 機(jī)內(nèi)部已帶有 A/