1、基于單片機電子秤硬件電路設計根據設計要求與設計思路，此電路由一塊AT89S52、按鍵輸入電路、時鐘電路、復位電路、 LCD 顯示段碼驅動電路、 LCD 顯示位碼驅動電路、12位LCD顯示器電路、蜂鳴器電路。圖 3.1 硬件電路設計框圖 在本系統中用于稱量的主要器件是稱重傳感器一次變換元 件），稱重傳感器在受到壓力或拉力時會產生電信號，受到不同壓 力或拉力是產生的電信號也隨著變化，而且力與電信號的關系一般 為線性關系。由于稱重傳感器一般的輸出范圍為020mV，對A/D轉換或單片機 的工作參數來說不能使 A/D 轉換和單片機正常工作，所以需要對輸 出的信號進行放大。由于傳感器輸出的為模擬信號，所以

2、需要對其 進行 A/D 轉換為數字信號以便單片機接收。單片機根據稱重傳感器 輸出的電信號和速度傳感器輸出的速度信號計算出物體的重量。在本系統中，硬件電路的構成主要有以下幾部分： AT89C52 的 最小系統構成、電源電路、數據采集、人-機交換電路等。3.1 AT89S52 的最小系統電路3.1.1單片機芯片AT89S52介紹單片機采用MCS-51系列單片機。由ATMEL公司生產的AT89S52是 一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash 存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業 80C51產品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8位CP

3、U 和在線系統可編程Flash,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統 提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字 節Flash，256字節RAM，32位I/O 口線，看門狗定時器，2個數據 指針，三個16 位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工 串行口，片內晶振及時鐘電路。空閑模式下，CPU停止工作，允許 RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中 斷或硬件復位為止。而且，它還具有一個看門狗WDT）定時/計數 器，如果程序沒有正常工作，就會強制整個系統復位，還可以在程 序

4、陷入死循環的時候，讓單片機復位而不用整個系統斷電，從而保 護你的硬件電路。AT89S52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出I/O）端口，同 時內含2個外中斷口， 2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通 信口，片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程 器。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復 擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。其芯片引腳圖如上圖所 示。12互332333435363712互332333435363738393.1.2.單片機管腳說明VCC:供電 GND:接地。-40P0 口： P0 口為一個8P12P20P13P21P1

5、4P22P15P23P16P17P24P25P26P27AT89S52P07PSENP06TOP05T1P04EN/VPP03TXDP02RESET頤12 AT89S52引腳圖P00RXDXIRDX2INTI ALE位漏級開路雙向I/O口,INTOP10P11222324252627282914153111g10191821每腳可吸收8TTL門流。當P1 口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原 碼，此時P0外部必須被拉高。P1 口： P1 口是一個

6、內部提供上拉電阻的8位雙向1/0口，P1 口緩 沖器能接收輸出4TTL門電流。P1 口管腳寫入1后，被內部上拉為高， 可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于 內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接 收。P2口： P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/0口，P2口緩沖器 可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“ 1”時，其管腳被內部上 拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部 拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程 序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的 高八位。在給出地址“

7、1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位 地址數據存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。 P2 口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口： P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸 出4個TTL門電流。當P3 口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平， 并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流 ILL ）這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示：表3.1 P3. 0口引腳功能表P3 口引腳第二功能P3.0RXD串行口輸入）P3.1TXD串行口輸出）P3.2INT0外部中斷0輸入）P3.3

8、INT1外部中斷1輸入）P3.4T0定時器0外部脈沖輸入）P3.5T1定時器1外部脈沖輸入）P3.6WR外部數據存儲器寫脈沖輸出）P3.7RD外部數據存儲器讀脈沖輸出）P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器 周期的高電平時間。ALE/PROG :當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用 于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈 沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振 蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。 然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，

9、將跳過一 個ALE脈 沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在 執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如 果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指 期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時， 這兩次有效的/PSE N信號將不出現。/EA/VPP :當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器 0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時， /EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲 器。在FLA

10、SH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源VPP）。XTAL1 :反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2 :來自反向振蕩器的輸出。3.1.3 AT89S52的最小系統電路構成AT89S52 單片機的最小系統由時鐘電路、復位電路、電源電路 及單片機構成。單片機的時鐘信號用來提供單片機片內各種操作的 時間基準，復位操作則使單片機的片內電路初始化，使單片機從一 種確定的初態開始運行。單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩方式和 外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器（簡稱晶振 或陶瓷諧振器，就構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高 增益反相放大器，

11、當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩 時鐘脈沖。當MCS-51系列單片機的復位引腳RST（全稱RESET出現2個機 器周期以上的高電平時，單片機就執行復位操作。如果RST持續為 高電平，單片機就處于循環復位狀態。根據應用的要求，復位操作 通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求 接通電源后，自動實現復位操作。上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單 片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態，其中包括使程序計數器PC = 0000H，這 表明程序從0000H地址單元開始執行。系統復位是任何微機系統執行的第一步，使整個控

12、制芯片回到 默認的硬件狀態下。51單片機的復位是由RESET引腳來控制的，此 引腳與高電平相接超過24 個振蕩周期后， 51 單片機即進入芯片內 部復位狀態，而且一直在此狀態下等待，直到RESET引腳轉為低電 平后，才檢查EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則執行芯片內 部的程序代碼，若為低電平便會執行外部程序。電源電路設計U9LM7805FUSE1220J.FU8LM7812VinVoutDN3G2H+12vVinDNVoutU10LM7905VinVoutDNG21C7104FMFC132C5104gF104pF220電源TRANS1BRIDGELED1T2DNGD221220, iF10

13、4lF2GE220V源C10104,FC11104,FU9LM7805FUSE1220J.FU8LM7812VinVoutDN3G2H+12vVinDNVoutU10LM7905VinVoutDNG21C7104FMFC132C5104gF104pF220電源TRANS1BRIDGELED1T2DNGD221220, iF104lF2GE220V源C10104,FC11104,F104,FTRANS2v FUSE2H+12V4JMFC2Q?COMPONENT2VoutViU9 LM7805 +5Vin VouDNBRID士C8 C-LEDrii10k_圖 3.3 電源電路圖U8LM7812Vi

14、nVoulDNG220V的交流電經過變壓器后輸出15V的電壓，經整流濾波電路 后，通過LM7812和LM7905進行DC/DC變換得到+ 12V和+5V、-5V 供器和系統的其他芯片使用。在變壓器的原邊加入熔斷保護裝置和MFC 網絡，使得系統獲得的電源更穩定，效果更好，且電路短路 時，熔斷裝置會迅速切斷電源，保護其他電路元件不被損壞，供電 電路如圖3.3 所示。3.3 數據采集部分電路設計數據采集部分電路包括傳感器輸出信號放大電路、A/D轉換器 與單片機接口電路。3.3.1 傳感器和其外圍以及放大電路設計傳感器實際上是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的 裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處

15、的實際工作環境，這點對正 確使用傳感器至關重要，它關系到傳感器能否正常工作以及它的安 全和使用壽命，乃至整個衡器的可靠性和安全性。因此傳感器外圍 電路的抗干擾能力是數據采集部分電路設計的關鍵環節。傳感器檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓 輸出，由于惠斯登電橋具有很多優點，如可以抑制溫度變化的影 響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償 問題等，又因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數一致，各 種干擾的影響容易相互抵消，所以在本設計中選用最終方案我們選 擇的是上海開沐自動化有限公司生產的NS-TH1系列稱重傳感器，額 定載荷20Kg，該稱重傳感器均采用全橋式等臂

16、電橋。由于傳感器輸出的電壓信號很小，是mV級的電壓信號，因此為 了提高系統的抗干擾能力，在傳感器外圍電路的設計過程中，增加 了由普通運放設計的差動放大器增益調節電阻 Rg 選用 10K 電阻， 是為了滿足系統抗干擾的要求而設計。其電路圖如3.2所示。這是一個電阻應變片式稱重傳感器，將電阻應變片貼在金屬的 彈性體即力敏感器）上，并連接成一差動全橋電路。電阻應變片實 心軸沿軸向線應變為：實心軸沿圓周向線應變為3-1)實心軸沿圓周向線應變為3-1)SP20C-G501的輸出電壓為SP20C-G501的輸出電壓為扌應壓力為l-50KPa。供電電流變動會直接影響傳感器的輸出電壓，因此希望電流變動要小。此

17、 外，增大或減小驅動電流可調整輸出電壓，但電流過小，輸出電壓 降低同時抗噪聲能力減弱；電流過大，會使傳感器發熱等，將對傳 感器特性影響加大。因此在電路中使用1mA的驅動電流。即使用的 電流為1mA左右。電路中，采用通用運算放大器LM324，由穩態二 極管VS提供2.5V的輸出電壓經電阻R2和R3分壓得到基準電壓， 作為運放A1輸入電壓，并供給1mA的電流。傳感器的驅動電流流過 基準電阻R4,其上的壓降等于輸入電壓。R13和R14為失調電壓的溫度補償電阻，阻值選擇500k-1.5M。輸入采用高輸入阻抗的差動輸入方式，再有差動放大器電 路進行放大，輸出1-5V的電壓。RP2用于調整電路輸入的靈敏度

18、， RP1用于失調電壓的調整，調整時，壓力為0KPa時輸出電壓為1V， 調整RP1，當壓力為達到20Kg的力時，輸出電壓為5V即可。而有式（3-5得三運放放大電路的輸出信號與輸入信號的關系式 為：(3-6(3-7150之間，完全符合設計(3-6(3-7150之間，完全符合設計有（3-6可以得到電橋輸入電壓U0與被測重量x成正比，即3-8）式中：電橋的電源電壓一一傳感器系數A/D轉換芯片與AT89S52單片機接口電路設計AD574 是美國 Analog Device 公司生產的 12 位單片 A/D 轉換 器。它采用逐次逼近型的A/D轉換器，最大轉換時間為25us，轉換 精度為 0.05%，所以

19、適合于高精度的快速轉換采樣系統。芯片內部 包含微處理器借口邏輯有三態輸出緩沖器），故可直接與各種類型 的 8 位或者 16 位的微處理器連接，而無需附加邏輯接口電路，切能 與 CMOS 及 TTL 電路兼容。 AD574 采用 28 腳雙列直插標準封裝，其 引腳圖如下:i13TorjcAOcsAD57420ViN lOVm BIN BOUT Vee VccVI DGND1212i13TorjcAOcsAD57420ViN lOVm BIN BOUT Vee VccVI DGND1212反BIPOFF012345678 _y o 1 E SDDDDDDDDDDmc16互Ts亙202?222324

20、25262728圖3.5 AD574管腳圖A/D574 有 5 根控制線，邏輯控制輸入信號有A0：字節選擇控制信號。CE：片啟動信號。/CS:片選信號。當/CS=0, CE=1同時滿足時，AD574才處于工 作狀態，否則工作被禁止。R/-C：讀數據/轉換控制信號。12/-8：數據輸出格式選擇控制信號。當其為高電平時，對應12 位并行輸出；為低電平時，對應8位輸出。當R/-C=0，啟動A/D轉換：當A0=0，啟動12位A/D轉換方 式；當A0=1，啟動8位轉換方式。當R/-C=1，數據輸出，A0=0時，高8位數據有效；A0=1時， 低4位數據有效，中間4位為0，高4位為三態。輸出信號有：STS:

21、工作狀態信號線。當啟動A/D進行轉換時，STS為高電 平；當 A/D 轉換結束時為低電平。則可以利用此線驅動一信號二極 管的亮滅，從而表示是否處于A/D轉換。其它管腳功能如下：10Vin,20Vin：模擬量輸入端，分別為10V和20V量程的輸入 端，信號的另一端接至 AGND。DB11DB0： 12位數字量輸出端，送單片機進行數據處理。REF OUT : 10V內部參考電壓輸出端。REF IN ：內部解碼網絡所需參考電壓輸入端。BIP OFF ：補償校正端，接至正負可調的分壓網絡， 0 輸入時 調整數字輸出為0 ；AGND :接模擬地。DGND :接數字地。由于對 AD574 8、10、12

22、引腳的外接電路有不同連接方式，所 以 AD574 與單片機的接口方案有兩種，一種是單極性接法，可實現 輸入信號010V或者020V的轉換；另一種為雙極性接法，可實 現輸入信號-5+5V或者-10+10V之間轉換。我們采用單極性接法，電路接線圖如下圖3-4 所示:8D7D8Q8D7D8Q6D?Q5D6Q4D5Q3D4Q2D3QID2QIQCocINTOP10P11P12P20P13P21P14P22P15P23P16P17P24P25P26P27AT89S52P07PSENP06TOP05T1P04EN/7PP03TXDP02RESETP01P00RXDXIRDX2WRINTIALEP3.0圖3

23、.6 AD574與AT89S52的接線圖根據芯片管腳的原理，無論啟動、轉換還是結果輸出，都要保證CE端為高電平，所以可以將單片機的/RD引腳和/WR端通過與非 門與 AD574 的 CE 端連接起來。轉換結果分高 8 位、低 4 位與 P0 口 相連，分兩次讀入，所以 12/-8 端接地。同時，為了使 CS、A0、 R/-C 在讀取轉換結果時保持相應的電平，可以將來自單片機的控制 信號經74LS373鎖存后再接入。CPU可采用中斷、查詢或者程序延 時等方式讀取 AD574 的轉換結果，本設計采用中斷方式，則將轉換 結束狀態STS端接到P3.2外部中斷/INT0）。其工作過程如下：當單片機執行對

24、外部數據存儲器的寫指令，并使CE=1，/CS=0，R/-C=0，A0 時，進行 12 位 A/D 轉換啟動。CPU等待STS狀態信號送P3.2 口，當STS由高電平變為低電 平時，就表示轉換結束。轉換結束后，單片機通過分兩次讀外部數 據存儲器操作，讀取12位的轉換結果數據。當 CE=1， /CS=0， R/-C=1， A0=0 時，讀取高 8 位；當 CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=1 時，讀取低 4 位。測量算法A/D轉換結果D與被測量x存在以下關系：3-9）式中：S傳感器及其測量電路的靈敏度即被測量X轉換成電壓 U 的轉換系數）K放大器的放大倍數一一A/D轉換器滿量程輸入電壓一一

25、A/D轉換器滿量程輸出數字而被測量X總是以其測量數字N和測量單位xl表示 靜 態 驅 動 所有的段都有獨立的驅動電路，表示段電極與公共電極之間 連 續 施 加 電 壓 。 它 適 合 于 簡 單 控 制 的 LCD 。2多路驅動方式構成矩陣電極，公共端數為n按照1/n的時序分別依次驅 動公共端，與該驅動時序相對應，對所有的段信號電極作選擇驅 動 。 這 種 方 式 適 合 于 比 較 復 雜 控 制 的 LCD 。在多路驅動方式中，像素可分為選擇點、半選擇點和非選擇點。為了提高顯示的對比度和降低串擾，應合理選擇占空比du ty)和偏 壓 (bias 。施加在LCD上所表示的ON和OFF時的電壓

26、有效值與占空比和偏壓的關系如下Vo:LCD驅動電壓N:占空比(1/Na:偏壓(1/a多路驅動方式可分為點反轉驅動和幀反轉驅動。點反轉驅動 適合于低占空比應用，它在各段數據輸出時，將數據反轉。幀反轉 驅動適合于高占空比應用， 它在各幀輸出時， 將數據反轉。對于多灰度和彩色顯示的控制方法，通常采用幀頻控制(FRC)和脈寬調制(PWM方法。幀頻控制是通過減少幀輸出次數，控 制輸出信號的有效值，來實現多灰度和彩色控制。而脈寬調制是通 過改變段輸出信號脈寬，控制輸出信號的有效值，來實現多灰度和 彩色控制。如圖 3.7 所示。圖 3.73.5鍵盤電路與AT89S52單片機接口電路設計矩陣式鍵盤的結構與工作

27、原理： 在鍵盤中按鍵數量較多時， 為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵 盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按 鍵加以連接。這樣，一個端口 如 P1 口）就可以構成 4*4=16 個按 鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數越多，區別 越明顯，比如再多加一條線就可以構成 20 鍵的鍵盤，而直接用端口 線則只能多出一鍵9 鍵）。由此可見，在需要的鍵數比較多時，采 用矩陣法來做鍵盤是合理的。矩陣式鍵盤的按鍵識別方法 ：確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下介紹一種“行掃描法”。行掃描法 行掃描法又稱為逐行 或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法，

28、如上圖所示鍵盤，介紹過 程如下。判斷鍵盤中有無鍵按下 將全部行線 Y0-Y3 置低電平，然后 檢測列線的狀態。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按 下，而且閉合的鍵位于低電平線與 4 根行線相交叉的 4 個按鍵之 中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。 判斷閉合鍵所在 的位置 在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方 法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它 線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線 的電平狀態。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的 按鍵就是閉合的按鍵。在本系統中鍵盤采用矩陣式鍵盤并采用中斷工作方式。鍵盤為

29、4 X 4 鍵盤，包括 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、十個數字及確認 和清除鍵。采用中斷工作方式提高了 CPU 的利用效率，沒鍵按下時 沒有中斷請求，有鍵按下時，向CPU提出中斷請求，CPU響應后執 行中斷服務程序，在中斷程序中才對鍵盤進行掃描。下圖就是鍵盤 電路與AT89S52單片機接口電路圖。圖 3.8 鍵盤電路與 AT89S52 單片機接口電路圖3.6 報警電路的設計當電路檢測到稱重的物體超過儀器的測量限制時，將產生一個 信號給報警電路。使報警電路報警從而提醒工作人員注意，超限報 警電路如圖 3.9 所示。它是有 89S52 的 P2.6 口來控制的，當超過設置的重量時5Kg）

30、，通過程序使P2.6 口值為高電平，從而使三極管導通，報警 電路接通，使蜂鳴器SPEAKER發出報警聲，同時使報警燈LED發 光。由于持續的聲音不能夠引起人們的關注，所以本系統的報警電 路采用間斷的聲音和頻閃的燈光來實現。這一任務的實現主要靠程 序來完成，在此不再贅述。第四章 系統軟件設計 程序設計是一件復雜的工作，為了把復雜的工作條理化，就要 有相應的步驟和方法。其步驟可概括為以下三點： 分析系統控制要求，確定算法：對復雜的問題進行具體的分 析，找出合理的計算方法及適當的數據結構，從而確定編寫程序的 步驟。這是能否編制出高質量程序的關鍵。 根據算法畫流程圖：畫程序框圖可以把算法和解題步驟逐步

31、 具體化，以減少出錯的可能性。編寫程序：根據程序框圖所表示的算法和步驟，選用適當的 指令排列起來，構成一個有機的整體，即程序。程序數據的一種理想方法是結構化程序設計方法。結構化程序 設計是對利用到的控制結構類程序做適當的限制，特別是限制轉向 語句（或指令的使用，從而控制了程序的復雜性，力求程序的上、 下文順序與執行流程保持一致性，使程序易讀易理解，減少邏輯錯 誤和易于修改、調試。根據系統的控制任務，本系統的軟件設計主 要由主程序、初始化程序、顯示子程序、數據采集子程序和延時程 序等組成。主程序設計量程標志。設計流程圖如圖4.1 所示。子程序設計系統子程序主要包括 A/D 轉換啟動及數據讀取程序設計、鍵盤輸入控制程序設計、顯示程序設計、以及中斷程序設計等。4.2.1 A/D 轉換啟動及數據讀取程序設計A/D 轉換子程序主要是指在系統開始運行時，把稱重傳感器傳遞過來的模擬信號轉換成數字信號并傳遞到單片機所涉及到的程序設計。設計流程圖如圖4-2 所示。A/D 轉換啟動及數據讀取程序流程圖數制轉換子程序設計在數制轉換前要進行系數調整，在IN0輸入的數