【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(shuō)能把被控對(duì)象的各種模擬信息變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信息。實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換器種類較多， 常用的有計(jì)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(jì)數(shù)器式、雙積分式和逐次逼近式三種類型。 本 次設(shè)計(jì)的 電子秤量程為 10kg，精確到 ，在選擇 A/D轉(zhuǎn)換芯片時(shí)，位數(shù)是重要的指標(biāo)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(shè)備。操作員可以通過(guò)鍵盤向計(jì)算機(jī)輸入數(shù) 據(jù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。 鍵的多少根據(jù) 設(shè)計(jì)功能所需 而定。每一8 個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)， 按鍵未按下時(shí)，鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)處于斷開(kāi)狀態(tài)，按鍵按下時(shí)，兩個(gè)觸點(diǎn)閉合。當(dāng) 單片機(jī)接收到按鍵的觸點(diǎn)信號(hào)后作 出相應(yīng)的 處理。因此，相對(duì)于單片 機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)鍵盤接口信號(hào)是輸入信號(hào)。 本文介紹的是非編碼鍵盤， 非編碼鍵盤可分為獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤接口電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵接口必須占用一根I/O 口線，在按鍵較多時(shí)， I/O 口線浪費(fèi)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(shí)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(dāng)重物放在秤上時(shí)，由 LED 直接顯示重物的重量。使用者可以按動(dòng)鍵盤鍵 09 以及小數(shù)點(diǎn)位來(lái)設(shè)定重物單價(jià)，以 kg 為單位。當(dāng)按動(dòng)顯示模式 按鍵時(shí)分別顯示質(zhì)量 、單價(jià)或者 總價(jià)。 顯示部分采用了當(dāng)今常用的 LED驅(qū)動(dòng)芯片 MAX7219。 MAX7219 是 Maxim公司推出的 8 位 LED 串行顯示驅(qū)動(dòng)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(jī)的 I/O 口的使用且硬件簡(jiǎn)單，只需一個(gè)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(gè)數(shù) (1～ 8 個(gè) ,級(jí)聯(lián)可成 倍增加 )；可進(jìn)行譯碼或不譯碼顯示，減少了編程量；內(nèi)含硬件動(dòng)態(tài)掃描控制，可設(shè)置低功耗停機(jī)方式。 故本電子秤最終采用了該芯片作為 LED 驅(qū)動(dòng) 。 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的方案。先簡(jiǎn)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(fù)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(shè)計(jì)方案 ，一一論證，最后選擇了第三種設(shè)計(jì)方案。包括壓力傳感器、信號(hào)處理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、 鍵盤和顯示電路幾種模塊。下面對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行介紹和選型。經(jīng)過(guò)論證，稱重傳感器采用電阻應(yīng)變式傳感器；信 號(hào)處理部分采用 專用儀表放大器 AD620， 此芯片內(nèi)部采用差動(dòng)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(jiǎn)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(hào)可以實(shí)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(dāng)今常用的 LED 驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)可以分成以下幾個(gè)部分： 系統(tǒng)主控電路 ，前端信號(hào)采集、處理、轉(zhuǎn)換模塊，人機(jī)接口界面以及系統(tǒng)電源部分。 系統(tǒng)主控電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)芯片 AT89S51 介紹 芯片 AT89S51 主控制器采用 AT89S51 單片機(jī)作為微處理器， AT89S51 是美國(guó) 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(guò)軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下， 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。 AT89S51 的主要特性 ? 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 4KB 的 Flash 存儲(chǔ)器，允許在線編程； ? 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)中斷源、五個(gè)中斷矢量 和 2級(jí)中斷優(yōu)先級(jí) 構(gòu)成 ； ? 串行口是一個(gè)全雙工的串行通信口； ? 具有兩個(gè)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(biāo)志 POF； 與 89C51 單片機(jī)相比， AT89S51 具有更突出的優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)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(gè)，方便了對(duì)片外 RAM 的訪問(wèn)過(guò)程； ? 新增加了片內(nèi)看門狗定時(shí)器 WDT，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力； ? 增加了掉電標(biāo)志； ? 增加了掉電狀態(tài)下的中斷恢復(fù)模式。 單片機(jī) 引 腳說(shuō)明 單片機(jī)的引腳圖見(jiàn)圖 31 所示： 圖 31 AT89S51 的引腳圖 引腳功能說(shuō)明： AT89S51 單片機(jī)芯片為 40 個(gè)引腳，下面 簡(jiǎn)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(kāi)路型雙向 I/O 端口，端 口置 1(對(duì)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(lái)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(duì)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， 、 可以分別被用作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入 ()和觸發(fā)輸入()；對(duì)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) 412 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(jiàn)表 31所示 ： 表 31 P3引腳功能復(fù)用 RST： 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(kāi)始運(yùn)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(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(duì)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： 13 訪問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)允許端。當(dāng)該引腳訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，應(yīng)輸入低電平。要使AT89S51 只訪問(wèn)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。 的最小系統(tǒng)電路構(gòu)成 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(duì) 51 系列單片機(jī)來(lái)說(shuō) ,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(jiàn)圖 32 所示： 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(kāi)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)。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，主要是防止由于電源開(kāi)關(guān)或插頭分合過(guò)程中引起的抖動(dòng)。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(lái)搭建復(fù)位電路。對(duì)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。 R2， C4 為 上電復(fù)位 電 路。當(dāng)單片機(jī)加電時(shí)由于 RC 充電的效果，使得復(fù)位腳保持一會(huì) 高電平使單片機(jī)內(nèi)部寄存器徹底復(fù)位。 數(shù)據(jù)處理部分電路設(shè)計(jì) 傳感器 14 表 32 YZC 的相關(guān)參數(shù) AD620 放大 電路設(shè)計(jì) 如圖 33所示， 為 AD620 放大電路圖， 其中 8管腳要跨接一個(gè)電阻來(lái)調(diào)整放大倍數(shù) ，可得到 1～ 1000 范圍內(nèi)的任意增益 。 7管腳提供正負(fù)相等的工作電壓，由 3管腳輸入的放大電壓即可從管腳 6輸出放大后的電壓值。管腳5 則是參考基準(zhǔn)，如果接地則管腳 6的輸出即為與地之間的相對(duì)電壓。 AD620 的放大增益關(guān)系式為 （ 31） 1G ??g （ 32） AD620 簡(jiǎn)單的放大 濾波 電路 見(jiàn)圖 33 所示 ： 圖 33 AD620 濾波 放大電路圖 上 片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) ? AD574 是美國(guó)模擬數(shù)字公司（ Analog）推出的單片高速 12 位逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯示片，具有外接元件少，功耗低，高精度等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只能外接少量的阻容件 ? 數(shù)據(jù)輸出格式： 12 位 /8 位 ? 芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式 AD574 A0： 字節(jié)地址短周期控制端。與 12/—8 端用來(lái)控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸15 出格式。須注意的是， 12/—8 端 TTL 電平不能直接 +5V 或 0V 連接 ； R/C_：讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制端 ； CE：使能端 ； V+：正電源輸入端，輸入 +15V電源 ； RE輸入端。 AD574的接口電路 8051 單片機(jī)與 AD574A 的接口電路 見(jiàn) 圖 34 所示 ，其中還使用了三態(tài)鎖存器 74LS373 和 74LS00 與非門電路，邏輯控制信號(hào)由 (CS、 R/C和 A0)由 8051 的數(shù)據(jù)口 P0 發(fā)出，并由三態(tài)鎖存器 74LS373 鎖存到輸出端 Q0、 Q1 和 Q2 上，用于控制 AD574A 的工作過(guò)程。 AD 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出也通過(guò) P0 數(shù)據(jù)總線連至8051，由于我們只使用了 8 位數(shù)據(jù)口， 12 位數(shù)據(jù)分兩次讀進(jìn)單片機(jī)，所以 R/C接地。當(dāng) 8051 的 查詢到 STS 端轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)后，先將轉(zhuǎn)換后的 12 位 A/D數(shù)據(jù)的高 8 位讀進(jìn) 8051，然后再將低 4 位讀進(jìn) 8051。這里不管 AD574A 是處在啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果，使能端 CE 都必須為 1，因此將 8051 的寫控制線 WR 和讀控制線 RD 通過(guò)與非門 74LS00 與 AD574A 的使能端 CE 相連 。 圖 34 單片機(jī)與 AD574 的 接 口電路 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 LED驅(qū)動(dòng)芯片 MAX7219。 它連接微處理器與 8位數(shù)字的 7段數(shù)字 LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者 64個(gè)獨(dú)立的LED。 其上包括一個(gè)片上的 B型 BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動(dòng)器，而且還有一個(gè) 8*8的靜態(tài) RAM用來(lái)存儲(chǔ)每一個(gè)數(shù)據(jù)。 MAX7219采用 24腳