【文章內(nèi)容簡介】 并行比較型ADC采用多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱Flash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n1個(gè)比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也高，只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。串并行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個(gè)n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱為 Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級(jí)型ADC，而從轉(zhuǎn)換時(shí)序角度又可稱為流水線型ADC，現(xiàn)代的分級(jí)型AD中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。（4）ΣΔ調(diào)制型ΣΔ型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度)信號(hào)，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。（5）壓頻變換型壓頻變換型是通過間接轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時(shí)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。2．A/D轉(zhuǎn)換器選用的原則：（1）A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器決定分辨率的高低，在系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)比系統(tǒng)允許引用誤差高一倍以上。（2）A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。不同類型的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率大不相同。積分型的轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾豪秒到幾十毫秒，只能構(gòu)成低速A/D轉(zhuǎn)換器，一般用于壓力、溫度及流量等緩慢變化的參數(shù)測試。逐次逼近型屬于中速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為納秒級(jí)，用于個(gè)通道過程控制和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。（3）是否加采樣/保持器。（4）A/D轉(zhuǎn)換器的有關(guān)量程引腳。有的A/D轉(zhuǎn)換器提供兩個(gè)輸入引腳，不同量程范圍內(nèi)的模擬量可從不同引腳輸入。（5）A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)束。一般A/D轉(zhuǎn)換器可由外部控制信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，這一啟動(dòng)信號(hào)可由CPU提供。轉(zhuǎn)換結(jié)束后A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)觸發(fā)器置位，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志電平，通知微處理器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。（6）A/D轉(zhuǎn)換器的晶閘管現(xiàn)象。其現(xiàn)象是在正常使用時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器芯片電流驟增，時(shí)間一長就會(huì)燒壞芯片。 單片機(jī)型號(hào)的選定1．單片機(jī)選定準(zhǔn)則市場上的單片機(jī)型號(hào)很多，功能也有差異，在選擇單片機(jī)型號(hào)的時(shí)候主要應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：（1）市場貨源系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只能在市場上能夠提供的單片機(jī)中選擇，特別是作為產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)，所選的單片機(jī)型號(hào)必須有穩(wěn)定、充足的貨源。（2）單片機(jī)性能應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和各種單片機(jī)的性能，選擇最容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的型號(hào)，而且能達(dá)到較高的性能價(jià)格比。單片機(jī)性能包括片內(nèi)硬件資源、運(yùn)行速度、可靠性、指令系統(tǒng)功能、體積和封裝形式等方面。影響性能價(jià)格比的因素除單片機(jī)的性能價(jià)格外，還包括硬件和軟件設(shè)計(jì)的容易程度、相應(yīng)的工作量大小，以及開發(fā)工具的性能價(jià)格比。（3）研制周期在研制任務(wù)重、時(shí)間緊的情況下，還要考慮所選的單片機(jī)型號(hào)是否熟悉，是否能馬上著手進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與研制周期有關(guān)的另一個(gè)重要因素是開發(fā)工具，性能優(yōu)良的開發(fā)工具能加快系統(tǒng)地研制進(jìn)程。2．AT89S51單片機(jī)介紹根據(jù)以上對單片機(jī)選型知識(shí)的介紹，本設(shè)計(jì)選用AT89S51單片機(jī)，下面對此型號(hào)單片機(jī)進(jìn)行簡介。AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)。AT89S51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)，其指令集和傳統(tǒng)的51單片機(jī)指令集是一樣的。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 此外，AT89S51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?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。3 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖圖31為系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)方框圖，系統(tǒng)共分為三大部分：數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)控制模塊以及鍵盤和顯示模塊。各模塊所采用的主要芯片型號(hào)已于圖中有所標(biāo)示。圖31 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)方框圖 單片機(jī)主控單元的設(shè)計(jì) 單片機(jī)引腳說明AT89S51單片機(jī)芯片為40個(gè)引腳，圖32為單片機(jī)AT89S51引腳圖。下面簡單敘述各引腳的功能。VCC/GND：電源/接地引腳；P0口：P0是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/O端口，端口置1(對端口寫1)時(shí)作高阻抗輸入端；P0還可以用作總線方式下的地址數(shù)據(jù)復(fù)用管腳，用來操作外部存儲(chǔ)器。在這種工作模式下，P0口具有內(nèi)部上拉作用。對內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收指令字節(jié)、校驗(yàn)程序、輸出指令字節(jié)時(shí)，要求外接上拉電阻；P1口：P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口，輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL。端口置1時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用； 另外，、()和觸發(fā)輸入()；對內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收低8位地址信息；P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口；輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL。端口置1時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用； P2口在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，可作為高位地址輸出；內(nèi)部Flash程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收高8位地址和控制信息；P3口：P3是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口，輸出時(shí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL。端口置1時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。P3引腳功能復(fù)用見表31所示：表31 P3口引腳功能復(fù)用串行通訊輸入(RXD)串行通訊輸出(TXD)外部中斷0( INT0)外部中斷1(INT1)定時(shí)器0輸入(T0)定時(shí)器1輸入(T1)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通RDRST：在振蕩器運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期)以上的高電平出現(xiàn)在此管腳時(shí)，將使單片機(jī)復(fù)位。只要這個(gè)管腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后P0—P3口均置1，管腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片為ROM的00H處開始運(yùn)行程序；XTALXTAL2：XTAL1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時(shí)鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz至24MHz內(nèi)選擇，電容取30PF左右。ALE/PROG：訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE(地址鎖存允許)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(hào)(此頻率是振蕩器頻率的1/6)，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)ALE脈沖；PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)輸出端。當(dāng)AT89S51由外部程序存儲(chǔ)器取指令或常數(shù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期輸出2個(gè)脈沖，即兩次有效。但訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不會(huì)有脈沖輸出；EA/Vpp：外部訪問允許端。當(dāng)該引腳訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，應(yīng)輸入低電平。要使AT89S51只訪問外部程序存儲(chǔ)器(地址為0000HFFFFH)， 這時(shí)該引腳必須保持低電平。圖32單片機(jī)AT89S51引腳圖 AT89S51最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機(jī)來說,最小系統(tǒng)包括:單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。其中復(fù)位電路采用上電復(fù)位。其最小系統(tǒng)電路圖見圖33所示：圖33 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖對于AT89S51單片機(jī)，其最小系統(tǒng)只需要電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路就能工作。由于我們的程序存儲(chǔ)器（ROM）采用內(nèi)部Flash存儲(chǔ)單元，所以單片機(jī)上的EA接高。微處理器系統(tǒng)在開始工作時(shí)必須對微處理器內(nèi)部的寄存器等進(jìn)行復(fù)位，使各個(gè)寄存器的值設(shè)為預(yù)定狀態(tài)才能順利開始工作。復(fù)位電路的好壞決定著單片機(jī)能否正常工作。復(fù)位電路基本功能是在系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。復(fù)位電路可以使用專用復(fù)位芯片，也可以用電阻電容搭建。本文從可靠性和成本考慮最終選用電阻電容來搭建復(fù)位電路。對于51內(nèi)核的單片機(jī)，RST是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期)的高電平時(shí)，可以完成復(fù)位操作。 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì) 傳感器單元設(shè)計(jì)根據(jù)第二章對各種類型傳感器特性的介紹，本設(shè)計(jì)決定采用LpsⅢ型稱重傳感器，該傳感器為雙孔平衡梁形式，是制作電子計(jì)價(jià)秤的專用產(chǎn)品，也可用于制造由單只傳感器構(gòu)成的電子案秤、臺(tái)秤及專用衡器等。其主要技術(shù)指如表32所示：表32 LpsⅢ型稱重傳感器技術(shù)指標(biāo)額定載荷Kg3,6,10,20,30,50靈敏度mV/V177。準(zhǔn)確度等級(jí)C3最大分度數(shù)3000最小檢定分度值Fmax/10000綜合誤差%.重復(fù)性%.蠕變%./30min177。最小靜載荷%Fmax1最大安全載荷%Fmax150極限過載荷%Fmax200輸入電阻415～445輸出電阻349～355溫度補(bǔ)償范圍℃10～+50使用溫度范圍℃20～+60接線方式輸入（+）:紅,輸入（）:白，輸出（+）:綠輸出（）:藍(lán)，屏蔽:黃 A/D轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)根據(jù)對各種A/D轉(zhuǎn)換器的介紹與分析，本設(shè)計(jì)選定ADC0832作為本設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換模塊。下面對該芯片的情況進(jìn)行簡要的介紹。ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。具有體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高的特點(diǎn)，具體參數(shù)如下：178。 8位分辨率；178。 雙通道A/D轉(zhuǎn)換；178。 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；178。 5V電源供電時(shí)輸入電壓在0~5V之間；178。 工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32uS；178。 一般功耗僅為15mW；178。 8P、14PDIP（雙列直插）、PICC多種封裝；178。 商用級(jí)芯片溫寬為0℃～70℃，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為40℃～85℃；下面對ADC0832的引腳進(jìn)行說明，圖34為該芯片的引腳圖：圖34 ADC0832引腳圖178。 ：片選端，低電平芯片使能；178。 CH0：模擬輸入通道0，或作為IN+/使用；178。 CH1：模擬輸入通道1，或作為IN+/使用；178。 GND：芯片參考零點(diǎn)位（地）；178。 DI：數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制；178。 DO：數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出；178。 CLK：芯片時(shí)鐘輸入；178。 Vcc/REF：電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。ADC0832的接口電路正常情況下，ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI，但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO與DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。單片機(jī)與ADC0832的接口電路如圖35所示。圖35 單片機(jī)與ADC0832連接圖當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可以任意，當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。 鍵盤和顯示電路單元設(shè)計(jì) 鍵盤電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，采用的是44的矩陣式鍵盤，，列線通過電阻接+5V。商品的單價(jià)已由程序設(shè)定好，并可由鍵盤選擇各種商品的價(jià)格。 顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中顯示部分采用了當(dāng)今常用的LM4229液晶顯示模塊。其與單片機(jī)的接線如圖36所示，為完善其功能，電路中添加了上拉電阻。圖36 液晶顯示模塊LM4229與單片機(jī)接線圖 系統(tǒng)總體原理圖在系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)完成后，把各模塊根據(jù)其功能和信號(hào)處理的流程連接起來，便得到系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的原理圖，如圖37所示，為簡潔起見，其中的接線部分采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)連接。圖37 系統(tǒng)總體原理圖 硬件抗干擾設(shè)計(jì)電子秤在使用中，常常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的異?，F(xiàn)象，電子秤本身的質(zhì)量問題是一個(gè)方面，但更重要的方面是外界干擾和接地引起的異常。本電子稱重器的核心部件是單片機(jī)，所以我們的抗干擾措施主要是針對單片機(jī)。還用到稱重傳感器，所采用的應(yīng)變式傳感器是高阻抗器件，其絕緣性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等，直接影響工作特性的穩(wěn)定。因此，應(yīng)變片傳感器的絕緣材料必須有很高的絕緣性能、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、高形狀穩(wěn)定性及良好的抗?jié)裥阅?。下面重點(diǎn)介紹單片機(jī)的抗干擾措施。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對單片機(jī)測控系統(tǒng)的各種性能要求越來越高。而系統(tǒng)的可靠性更倍受人們的關(guān)注，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的可靠性決定了系統(tǒng)能否達(dá)到所需要的精度。就單片機(jī)測控系統(tǒng)來講，其主要干擾是來自電源和信號(hào)傳輸通道的干擾。電源的抗干擾措施普通用電中含有多種高次諧波，它們很容易經(jīng)電源進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，還有一些射頻發(fā)射、電磁波等也會(huì)由電源線感應(yīng)反饋進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)造成干擾。因此，在電源電路中必需采取有效地濾波措施