【文章內(nèi)容簡介】 tem programmable)的可反復(fù)擦寫 10000 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(jì)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(jià)比的解決方案。AT89S52 芯片具有以下特性： （1）指令集和芯片引腳與 Intel 公司的 8051 兼容； （2）8KB 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(jì)數(shù)器； （7）2 個中斷優(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。數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)8 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 個控制與其它電源復(fù)用的引腳，以及 32 條輸入輸出 I/O 引腳。AT89S52 單片機(jī)引腳圖如圖 31 所示。圖 31 AT89S52 單片機(jī)引腳圖 傳感器的選擇 壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)壓電式傳感器。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。數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9圖 32 為一直流供電的平衡電阻電橋，Ein 接直流電源 E。Rd RaRc RbEinEout圖 32 電阻應(yīng)變式傳感器原理圖 設(shè)各橋臂的初始電阻為 Ra=Rb=Rc=Rd=R，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，4 個橋臂電阻分別產(chǎn)生微小變化，輸出信號電壓可由下式給出： ????Rcb2Rad2Einout ?????上式說明電橋的輸出電壓 Eout 和四個橋臂的應(yīng)變片感受應(yīng)變量的關(guān)系。 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，對試件影響小，對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好； （4）商品化，使用方便，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動化測量。 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 無線數(shù)據(jù) HX711 是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括片內(nèi)時鐘振蕩器、穩(wěn)壓電源等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有響應(yīng)速度快、集成度高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。芯片管腳圖如圖 33 所示。數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)10圖 33 HX711 管腳定義該芯片與后端 MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道 A 或通道 B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道 A 的可編程增益為 128 或 64，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值分別為177。20mV、177。40mV。通道 B 則為固定的 64 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的 A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復(fù)位功能簡化了開機(jī)的初始化過程。 顯示器的選擇本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)陣字符型 LCD1602 液晶顯示，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件，但采用 LCD 液晶顯示會造成設(shè)計(jì)成本增加。LCD1602 可以顯示 2 行 16 個字符，有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0D7 和 RS、R/W、EN 三個控制端口，工作電壓為 5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光調(diào)節(jié)。具體引腳說明如下表 31 所示。數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)11表 31 LCD1602 液晶顯示器引腳說明編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明1 VSS 電源地 9 D2 Data I/O2 VDD 電源正極 10 D3 Data I/O3 VL 液晶顯示偏壓信號 11 D4 Data I/O4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇端 12 D5 Data I/O5 R/W 讀/寫選擇端 13 D6 Data I/O6 E 使能信號 14 D7 Data I/O7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正極8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源負(fù)極 LCD1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了 160 個不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、日文假名等。每一個字符都有一個固定的代碼，它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。因此，用 LCD1602 能很好的滿足設(shè)計(jì)要求。 硬件電路的設(shè)計(jì)以下部分內(nèi)容是本設(shè)計(jì)最主要的內(nèi)容，通過這部分的設(shè)計(jì)，電子秤設(shè)計(jì)的電路原理以及怎么工作的將得到完整的呈現(xiàn)。 電源電路由于該系統(tǒng)中 51 單片機(jī)及 AD 轉(zhuǎn)換芯片及液晶顯示器所需供電電壓均為 5V 電壓，所以要保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，需要設(shè)計(jì)一個可以穩(wěn)定提供 5V 電壓的供電系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用單電源接口供電方式，USB 接口供電方便程序調(diào)試。該系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)如圖 24 所示。圖 34 電源接口電路圖數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)12 主控電路主控電路由 AT89S52 單片機(jī)及晶振電路和復(fù)位電路組成，該電路作為整個系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心單元，其連接方式如圖 35 所示。圖 35 主控電路圖復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，單片機(jī)系統(tǒng)在上電啟動運(yùn)行時，都需要先復(fù)位。其作用是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，因而，復(fù)位是一個很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部復(fù)位電路才能實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)復(fù)位電路采用按鍵手動復(fù)位加上電復(fù)位來實(shí)現(xiàn)，K1 為復(fù)位按鍵，復(fù)位按鍵按下后，復(fù)位端通過 1K 的小電阻與電源接通，電容迅速放電，使 RST 引腳為高電平；當(dāng)復(fù)位按鍵彈起后，電源通過 10KΩ的電阻對 10μF的電容 C1 重新充電，RST 引腳端出現(xiàn)復(fù)位正脈沖。初始復(fù)位不改變 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的狀態(tài)，復(fù)位后單片機(jī)片內(nèi)各特殊功能寄存器的狀態(tài)見表 32，表中“x”為不定數(shù)。數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)13表 32 復(fù)位后單片機(jī)片內(nèi)各特殊功能寄存器狀態(tài)復(fù)位時，ALE 和 PSEN 成輸入狀態(tài)，ALE=PSEN=1，片內(nèi) RAM 不受復(fù)位影響。復(fù)位后，P0P3 口輸出高電平且使這些雙向口皆處于輸入狀態(tài)，并將 07H 寫入堆棧指針 SP，同時將PC 和其余特殊功能寄存器清零。此時，單片機(jī)從起始地址 0000H 開始重新執(zhí)行程序。所以，當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行出錯或者進(jìn)入死循環(huán)時，可使其復(fù)位后重新運(yùn)行。單片機(jī)工作是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一拍一拍地進(jìn)行的，這個脈沖是由單片機(jī)控制器中的時序電路發(fā)出的。單片機(jī)的時序就是 CPU 在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。為了保證各部件間的同步工作，單片機(jī)內(nèi)部電路應(yīng)在唯一的時鐘信號下嚴(yán)格地按時序進(jìn)行工作。AT89S52 內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，但要形成時鐘脈沖，外部還需附加電路，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳 XTAL1 和XTAL2 兩端跨接晶體振蕩器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路。C7 和 C10 的值通常選擇為 30pF 左右，對頻率有微調(diào)作用，晶振 Y1 選擇 12MHz。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)引腳 XTAL1 和 XTAL2 靠近。特殊功能寄存器 初始狀態(tài) 特殊功能寄存器 初始狀態(tài)ACC 00H TMOD 00HPC 0000H TCON 00HPSW 00H TL0 00HSP 07H TH0 00HDPTR 0000H TL1 00HP0P3 0FFH TH1 00HIP xx000000B B 00HIE 0x000000B SCON 00HPCON 0xxx0000B SBUF 不定數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)14單片機(jī)的 31 腳（EA）接+5V 電源，表示允許使用片內(nèi) ROM。 顯示電路顯示部分采用 LCD1602 液晶顯示，液晶板上排列著若干 5*7 或 5*10 點(diǎn)陣的字符顯示位，每個顯示位可顯示 1 個字符，從規(guī)格上分為每行 12340 位，有一行、兩行及四行三類。其與單片機(jī)的連接電路如圖 36 所示。圖 36 顯示電路圖P1 的引腳 1 和引腳 2 為液晶 1602 地和電源引腳。3 腳為背光調(diào)節(jié)引腳，通常用 10K 電位器接地，背光可通過電位器來調(diào)節(jié)亮度，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”現(xiàn)象，由于可以不調(diào)節(jié)背光亮度，本設(shè)計(jì)電路采用 3K 電阻代替。4 腳、5 腳、6 腳為液晶片選控制引腳，分別連接到單片機(jī)的 、 、 端口。RS 為寄存器選擇端，高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平選擇指令寄存器；R/W 為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作；RS 和 R/W 同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址；RS 為低電平，R/W 為高電平時可以讀入信號；RS 為高電平，R/W 為地電平時可以寫入數(shù)據(jù)。EN 為使能端，當(dāng) EN 由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。714 腳為 8位雙向數(shù)據(jù)線接口，與單片機(jī)的 P0 口相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；116 腳為液晶的背光控制腳，分別接到電源和地。由于單片機(jī) P0 口內(nèi)部沒有上拉電阻，要想液晶顯示器正常穩(wěn)定工作，必須給 P0 加一個上拉電阻，用 8 位排阻加入電路。數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)15 超重報(bào)警電路報(bào)警指示電路由一種低電壓、大電流、小信號的 PNP 型硅三極管 8550 驅(qū)動蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī) I/O 口控制三極管的基極，當(dāng)單片機(jī)的 I/O 口輸出為低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的正極與電源接通，蜂鳴器通電發(fā)出報(bào)警聲；當(dāng)單片機(jī) I/O 口輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器停止報(bào)警。超重報(bào)警指示電路如圖 37 所示。圖 37 超重報(bào)警電路圖 按鍵輸入電路鍵盤是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最常用的人機(jī)對話輸入設(shè)備。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)專用的小鍵盤。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，鍵盤有兩種基本類型：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤本身除了按鍵以外，還包括產(chǎn)生編碼的硬件電路，使用雖然方便，但價(jià)格較高，在一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中很少采用。非編碼鍵盤靠軟件來識別鍵盤上的閉合鍵，由此得出鍵碼，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中普遍采用。若每一個按鍵都占用一條 I/O 口線，當(dāng)按鍵數(shù)目較多時，就要使用大量的 I/O 口線，為了減少鍵盤與單片機(jī)接口時所占用 I/O 口線的數(shù)目，通常設(shè)置兩組互不連接的行線和列線，在行線與列線的交叉處設(shè)置一個按鍵，本次設(shè)計(jì)即是利用單片機(jī)技術(shù)，采用中斷查詢的方法，設(shè)計(jì)了一個 4*4 的鍵盤模塊，無按鍵按下時，行線與列線不連接，有鍵按下時，行線與列線接通，并利用數(shù)液晶顯示器顯示相應(yīng)的按鍵值。按鍵輸入電路用來在電子稱測量過程中輸入單價(jià)值，按鍵輸入電路采用 4*4 矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)，矩陣鍵盤電路如圖 38 所示。數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)16圖 38 按鍵輸入電路圖在這種行列式無編碼鍵盤中，對按鍵的識別由軟件完成，通常有兩種方法：一是速度較快的線反轉(zhuǎn)法；二是傳統(tǒng)的行掃描法。 （1）線反轉(zhuǎn)法這種方法通過兩個步驟來實(shí)現(xiàn)，即： ① 先讓所連接的端口高四位為高 1，低四位為低 0。若矩陣鍵盤上有按鍵被按下，則高四位中會有一個電平從 1 被翻轉(zhuǎn)到 0，低四位則不會改變電平狀態(tài)，然后即可確定矩陣鍵盤上被按下的按鍵的所在行的具體位置。 ② 所連接的端口高四位為低 0，低四位為高 1。若矩陣鍵盤上有按鍵被按下，則低四位中會會有一個電平 1 翻被轉(zhuǎn)為 0，高四位則不會改變電平狀態(tài)，然后即