【文章內(nèi)容簡介】 1） 輸入阻抗應遠大于信號源內(nèi)阻。否則，放大器的負載效應會使所測電壓造成偏差。 （ 2） 抗共模電壓干擾能力強。 （ 3） 在預定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應足夠小以保證 要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。 我們考慮 了 以下幾種方案： 方案一 利用普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大器。 普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大器會引入大量噪聲。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此種方案不宜采用。 方案二 由高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差動放大器。 差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放 (如 OP07)做成一個差動放大器， 見 圖 28 所示： C2C4C1C3R1R3R2R4R5R6231A231A231A231AR10R8+5 5R7R9V1V2Vo 圖 28 利用普通運放構(gòu)成的放大器 電阻 R R2 和電容 C C C C4 用于濾除前級的噪聲， C C2 為普6 通小電容，可以濾除高頻干擾， C C4 為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。 方案三 采用專用儀表放大器，如： AD620， INA126 等。 此類芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。 以 AD620 為例，內(nèi)部結(jié)構(gòu) 見 圖 29所示 ： 圖 29 AD620的內(nèi)部等效圖 引腳圖 見圖 210 所示： 圖 210 AD620的接口圖 電路的工作原理： A A2 工作在負反饋狀態(tài)，其反向輸入端的電壓與同相輸入端的電壓相等。即 Rg 兩端的電壓分別為 Vin+、 Vin。因此 RgVVi ininG ?? ?? （ 25） 設圖上圖中電阻 R1=R2=R，則 A A2 兩輸出端的電壓差 U12 為 )( 2112 RgRRiU G ??? )21)((RgRVV inin ??? ?? （ 26） 將式 公式 （ 26）代入 公 式（ 25）得 ))(21(12 VVUV ininO RgR ?? ????? （ 27） 放大器的增益 Av 為 7 VV UA inin OV ???? )21(RgR??? （ 28） 可見，僅需調(diào)整一個電阻 Rg，就能方便的調(diào)整放大器的增益。由于整個電路對稱，調(diào)整時不會造成共模抑制比的降低。在接口圖（ 29）中， 通過改變可變電阻 R3 的阻值大小來改變放大器的增益，放大器增益計算公式如下： 13KG R ??? （ 29） AD620 具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點。其最大輸入偏置電流為 20nA，這反映了它的高輸入阻抗。 AD620 在外接電阻 Rg時，可實現(xiàn) 1~1000 范圍內(nèi)的任意增益；工作電源范圍為177。 ~177。 18V；最大電源電流為 ；最大輸入失調(diào)電壓為 125? V； 在 G=100 時 頻帶寬度為 120kHz。 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AD620。 A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器是一種能把輸入模擬電壓或電流變成與它成 正比的數(shù)字量 的裝置 ，也就是說能把被控對象的各種模擬信息變成計算機可以識別的數(shù)字信息。實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換器種類較多， 常用的有計數(shù)法， 雙積分 法和 逐次逼近 法 A/D 轉(zhuǎn)換器 。因此常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器有計數(shù)器式、雙積分式和逐次逼近式三種類型。 本 次設計的 電子秤量程為 10kg，精確到 ，在選擇 A/D轉(zhuǎn)換芯片時，位數(shù)是重要的指標之一。常用的逐次逼近式傳感器有 ADC0809 和 AD574。 ADC0809 是帶有 8 位 A/D 鍵盤輸入 鍵盤是 一組按鍵的組合 ， 它是常用的輸入設備。操作員可以通過鍵盤向計算機輸入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)簡單的人 機對話。 鍵的多少根據(jù) 設計功能所需 而定。每一8 個鍵相當于一個機械開關(guān)觸點， 按鍵未按下時，鍵的兩個觸點處于斷開狀態(tài)，按鍵按下時，兩個觸點閉合。當 單片機接收到按鍵的觸點信號后作 出相應的 處理。因此，相對于單片 機系統(tǒng)來說鍵盤接口信號是輸入信號。 本文介紹的是非編碼鍵盤， 非編碼鍵盤可分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤接口電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵接口必須占用一根I/O 口線，在按鍵較多時， I/O 口線浪費較大。而矩陣式鍵盤適用于按鍵較多的鍵盤。可 采用了 4 4矩陣式 輸出顯示 本模塊實現(xiàn)了人與電子秤的交互功能 ，由 4 4 位鍵盤和 6 位共陰極 LED七段碼二極管組成。當重物放在秤上時，由 LED 直接顯示重物的重量。使用者可以按動鍵盤鍵 09 以及小數(shù)點位來設定重物單價，以 kg 為單位。當按動顯示模式 按鍵時分別顯示質(zhì)量 、單價或者 總價。 顯示部分采用了當今常用的 LED驅(qū)動芯片 MAX7219。 MAX7219 是 Maxim公司推出的 8 位 LED 串行顯示驅(qū)動器，它采用 3 線串口傳送數(shù)據(jù)，占用資源少可以節(jié)省單片機的 I/O 口的使用且硬件簡單，只需一個外部電阻即可方便地調(diào)節(jié) LED 的亮度；可靈活地選擇顯示器的個數(shù) (1～ 8 個 ,級聯(lián)可成倍增加 )；可進行譯碼或不譯碼顯示，減少了編程量；內(nèi)含硬件動態(tài)掃描控制，可設置低功耗停機方式。 故本電子秤最終采用了該芯片作為 LED 驅(qū)動 。 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)總體設計的方案。先簡單介紹了稱重器的工作原理及結(jié)構(gòu)組成 ，它主要分 承重、傳力復位系統(tǒng) 、 稱重傳感器 、鍵盤輸入和顯示輸出三大塊。然后給出了四種 系統(tǒng)總體設計方案 ，一一論證，最后選擇了第三種設計方案。包括壓力傳感器、信號處理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換器、單片機、 鍵盤和顯示電路幾種模塊。下面對各個模塊進行介紹和選型。經(jīng)過論證，稱重傳感器采用電阻應變式傳感器；信號處理部分采用 專 用儀表放大器 AD620， 此芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單 ； A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用我們熟悉的 AD574 轉(zhuǎn)換器 ， 利用不同的控制信號可以實現(xiàn)高精度的 12 位轉(zhuǎn)換和 8 位轉(zhuǎn)換 ；鍵盤采用矩陣式鍵盤， 顯示部分采9 用了當今常用的 LED 驅(qū)動芯片 MAX7219。 本章的方案及模塊的確定為第三章的硬件 10 3 硬件電路設計 根據(jù)設計要求以及系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能，在設計系統(tǒng)時可以分成以下幾個部分： 系統(tǒng)主控電路 ，前端信號采集、處理、轉(zhuǎn)換模塊，人機接口界面以及系統(tǒng)電源部分。 系統(tǒng)主控 電路的設計 單片機芯片 AT89S51 介紹 芯片 AT89S51 主控制器采用 AT89S51 單片機作為微處理器， AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機 。 AT89S51是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機 ，其指令集和傳統(tǒng)的 51 單片機指令集是一樣的。 由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， 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廉的方案。 AT89S51 具有如下特點： 40 個引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外， AT89S51 設計和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(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位。 AT89S51 的主要特性 ? 片內(nèi) 程序存儲器 4KB 的 Flash 存儲器，允許在線編程； ? 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)含 128 字節(jié)的 RAM； ? I\O具有 32 給可編程 I\O線； ? 中斷系統(tǒng) 由 6個中斷源、五個中斷矢量 和 2級中斷優(yōu)先級 構(gòu)成 ； ? 串行口是一個全雙工的串行通信口； ? 具有兩個數(shù)據(jù)指針 DPTR0 和 DPTR1； 11 ? 低功耗節(jié)電模式有空閑模式和掉電模式； ? AT89S51 的電源電壓為 ； ? 具有片內(nèi)看門狗指令； ? 靈活在線編程方式； ? 具有掉電標志 POF； 與 89C51 單片機相比， AT89S51 具有更突出的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在： ? 新增加了在線可編程功能 ISP（ IN— System Program） ,在現(xiàn)場程序調(diào)試和修改更加方便靈活； ? 數(shù)據(jù)指針增加到兩個，方便了對片外 RAM 的訪問過程； ? 新增加了片內(nèi)看門狗定時器 WDT，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力； ? 增加了掉電標志； ? 增加了掉電狀態(tài)下的中斷恢復模式。 單片機 引 腳說明 單片機的引腳圖見圖 31 所示： 圖 31 AT89S51 的引腳圖 引腳功能說明： AT89S51 單片機芯片為 40 個引腳，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 8 位漏極開路型 雙向 I/O 端口，端口置 1(對端口寫 1)時作高阻抗輸入端； P0 還可以用作總線方式下的地址數(shù)據(jù)復用管腳，用來操作外部存儲器。在這種工作模式下， P0 口具有內(nèi)部上拉作用。對內(nèi)部 Flash 程序存儲器編程時，接收指令字節(jié)、校驗程序、輸出指令字節(jié)時，要求外接上拉電阻； P1 口： P1 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口，輸出時可驅(qū)動 4個 TTL。端口置 1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用； 另外， 、 可以分別被用作定時器 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入 ()和觸發(fā)輸入()；對 內(nèi)部 Flash 程序存儲器編程時，接收低 8位地址信息； P2 口： P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口；輸出時可驅(qū)動 412 個 TTL。端口置 1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用； P2 口在存取外部存儲器時，可作為高位地址輸出；內(nèi)部 Flash 程序存儲器編程時，接收高 8位地址和控制信息； P3 口： P3 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口，輸出時可驅(qū)動 4個 TTL。端口置 1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。 P3 引腳功能復用 見表 31所示 ： 表 31 P3引腳功能復用 RST： 在振蕩器運行時，有兩個機器周期 (24 個振蕩周期 )以上的高電平出現(xiàn)在此管腳時，將使單片機復位。只要這個管腳保持高電平， 51 芯片便循環(huán)復位。復位后 P0— P3 口均置 1，管腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器和特殊功能寄存器 SFR全部清零。當復位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為 ROM 的 00H 處開始運行程序； XTAL XTAL2： 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，外部振蕩信號應直