数字电子秤设计.docx

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数字电子秤设计

一、设计目的………………………………………………………2

二、设计要求………………………………………………………2

三、总体设计………………………………………………………2

四、各部分硬件电路的设计………………………………………3

4.1　传感器的选择………………………………………………………3

４.２三运放大电路的设计………………………………………………６

4.3　ＡDC0809A/Ｄ转换器………………………………………………６

４．4LED显示电路的设计………………………………………………8

4.5　控制器单片机的选择………………………………………………9

五、整体电路图……………………………………………………1３

5.１总体电路图…………………………………………………………13

5．2　程序流程图…………………………………………………………１4

5.3软件设计………………………………………………………………１４

六、设计总结…………………………………………………………１6

参考书籍………………………………………………………………17

一、设计目的

称重技术自古以来就被人们所重视,作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。

电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具,是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低,将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。

经过多年的发展,电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高;其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能;其应用性能趋向于综合性和组合性。

本课程设计的电子秤以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系,建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为重量纲（ｇ）即成为一台原始电子秤。

其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。

电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种,本设计采用全桥测量电路,使系统产生的误差更小,输出的数据更精确。

而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足Ａ/D转换器对输入信号电平的要求。

ＡDC0809A／D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号,进行模数转换，经单片机AT89Ｓ52进行数据处理最后把数字信号输送到显示电路中去,最后由显示电路显示出测量结果。

二、设计要求

设计的主要要求如下:

1）运用电阻应变式传感器并采用全桥测量电路进行数据采集

2）将采集的数据井三运放大器放大并经模数转换器转换为数字信号

3）数字信号送入AT8９S52单片机进行数据处理最后通过LED显示，最小显示单位为1g

4）写出详细的实验报告

三、总体设计

基本工作原理框图如图3－1所示：

图3-1基本工作原理框图

电路方框图如图3-2所示：

图３－2电路方框图

四、各部分硬件电路的设计

４．1　传感器的选择

４．1.1电阻应变式传感器的组成以及原理

电阻应变式传感器是将被测量的力,通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。

由电阻应变片和测量线路两部分组成。

常用的电阻应变片有两种:

电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片,为获得高电阻值,电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层,起保护作用。

电阻应变片也会有误差,产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意,其中温度的影响最重要,环境温度影响电阻值变化的原因主要是:

A.电阻丝温度系数引起的。

B.电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。

对于因温度变化对桥接零点和输出,灵敏度的影响,即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿。

由于惠斯登电桥具诸如抑制温度变化的影响，抑制干扰，补偿方便等优点，所以采用惠更斯测量电路精度高、温度特性好、工作稳定等优点,广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秤的一次仪表。

该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成,其工作原理如图４.１-1所示：

图4.1-1称重传感器原理图

全桥测量电路中,将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值:

R１=R2=Ｒ3=R４,其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时,其桥路输出电压Uｏut=KEε。

其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

应变式传感器安装示意图4.1－2所示:

图4.1－２

4.1.2电阻应变式传感器的测量电路

电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成ΔR/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120Ω,灵敏系数　Ｋ=２，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为10００ε，应变电阻相对变化量为：

ΔR／Ｒ＝K×ε=　２×１000×10-6　=0.00２　　

由上式可以看出电阻变化只有0.24Ω,其电阻变化率只有0．２％。

这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。

因此，必须采用转换电路，把应变计的ΔＲ/R变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A／D转换芯片接收的信号。

桥式测量电路有四个电阻,其中任何一个都可以是电阻应变片电阻,电桥的一个对角线接入工作电压U,另一个对角线为输出电压Uo。

其特点是:

当四个桥臂电阻达到相应的关系时,电桥输出为零,或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。

测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节,我们在制作的过程中应尽量选择好元件,调整好测量的范围的精确度,以避免减小测量数据的误差。

Rw1

图　4.1-３全桥测量电桥图

图4．1－4三运放大电路结构图

它由电阻应变片电阻R1、Ｒ2、R3、R4组成测量电桥，R1=Ｒ2=Ｒ3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右，测量电桥的电源由稳压电源Uｉn供给。

将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位ＲＷ1，使数显表显示０.0０V。

将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上,调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为2V（2Ｖ档测量）或－2V。

拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RW４（零位调节）使数显表显示为0.0000Ｖ。

重复2、３步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g,就可以称重。

成为一台原始的电子秤。

4.2三运放大电路的设计

本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。

在许多需要用A／Ｄ转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大,才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求,在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。

图　4.2－1三运放大电路结构图

４.3　ADC080９　Ａ／D转换器

ADC０８０9是带有８位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，其转换速度快、精度高。

并且可以和单片机直接接口。

4.3．１AＤＣ0８0９的内部逻辑结构：

图4.3-1内部逻辑结构

由上图可知，ADC０809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/Ｄ转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存Ａ/D转换完的数字量,当ＯE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

4.３．2引脚结构:

图4.3-２引脚结构

IN０－IN7：

8条模拟量输入通道

ADC0８09对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是０-5Ｖ，若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线:

4条

ＡLＥ为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当AＬE线为高电平时，地址锁存与译码器将A,Ｂ,Ｃ三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。

A,B和C为地址输入线,用于选通IＮ０－IN7上的一路模拟量输入。

通道选择表如下表所示。

C

B

Ａ

选择的通道

0

0

0

IＮ0

0

０

1

IN1

０

1

0

ＩN2

0

１

1

IN３

1

０

０

IN4

1

０

１

ＩN5

1

1

0

IN６

1

１

1

IN7

数字量输出及控制线:

1１条

SＴ为转换启动信号:

当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零;下跳沿时，开始进行A／Ｄ转换;在转换期间，SＴ应保持低电平。

EOC为转换结束信号。

当ＥＯC为高电平时,表明转换结束；否则,表明正在进行A/Ｄ转换。

OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

ＯＥ=1,输出转换得到的数据;OＥ＝０,输出数据线呈高阻状态。

D7-Ｄ0为数字量输出线。

CLK为时钟输入信号线：

因ADC0８09的内部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供,通常使用频率为500KHZ,　

ＶREF（＋），VREF（-）为参考电压输入。

4．3.3ADC08０9应用说明：

1）AＤＣ080９内部带有输出锁存器，可以与8０３1直接相连。

2）初始化时,使ＳT和ＯE信号全为低电平。

3）送要转换的哪一通道的地址到A，B,C端口上。

4）在SＴ端给出一个至少有１0０nｓ宽的正脉冲信号。

5）是否转换完毕,我们根据EOC信号来判断。

6）当ＥOＣ变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。

4．４LED显示电路设计

4.４.1ＬＥD显示器结构与原理

ＬED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。

在单片机应用系统中通常使用的是七段ＬＥD。

这种显示块有共阴极与共阳极两种。

共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。

当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮;共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。

4.4.2ＬＥＤ显示器与显示方式

在单片机应用系统中使用LEＤ显示块构成Ｎ位LＥD显示器。

N位LＥD显示器有N根位选线和8*N根段选线。

根据显示方式不同,位选线与段选线的连接方法不同。

段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮,暗。

LＥD显示器有静态显示与动态显示两种方式。

我们使用的为动态显示　ＬEＤ动态显示方式。

在多位LEＤ显示时,为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/Ｏ口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。

图4.4-１LED显示电路图

4．5控制器单片机的单片机的选择

4.5.1单片机的比较:

本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器，而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。

这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面,都取得了巨大的进展。

再则由于系统没有其它高标准的要求,又考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统,可以选用带EPRＯＭ的单片机,由于应用程序不大,应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展存储器,这样电路也可简化。

INTEL公司的8051和8751都可使用，在这里选用ＡTMEＮL生产的AT89SXX系列单片机。

AT8９SXX系列与MCS-51相比有两大优势:

第一，片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更加方便;第二，提供了更小尺寸的芯片,使整个硬件电路体积更小。

此外价格低廉、性能比较稳定的MCPＵ,具有8Ｋ×8ROＭ、2５６×8RAM、2个16位定时计数器、4个８位I/Ｏ接口。

这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求

最后我们最终选择了AT89Ｓ５2这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。

AT89S５２内部带有8KB的程序存储器，基本上已经能够满足我们的需要。

4.5．2AT8９S５2单片机的介绍：

单片机采用MCS-５1系列单片机。

由AＴMEL公司生产的AT８9S５２是一种低功耗、高性能CMOＳ８位微控制器，具有8K在系统可编程Fｌash存储器。

使用Atmeｌ公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8０C51产品指令和引脚完全兼容。

在单芯片上,拥有灵巧的８位CPU　和在线系统可编程Flash,使得AT8９S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

AＴ8９Ｓ５2具有以下标准功能：

　8k字节Flash,256字节RAM,32　位I/O口线，看门狗定时器,2个数据指针,三个16　位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

空闲模式下，CPＵ停止工作，允许RＡM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存,振荡器被冻结，单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。

而且，它还具有一个看门狗（WＤT）定时/计数器,如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电,从而保护你的硬件电路。

AT８9S５2有40个引脚，32个外部双向输入/输出（Ｉ/O）端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,２个全双工串行通信口，片上Ｆlａsh允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。

其将通用的微处理器和Ｆlａsh存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Ｆlａsｈ存储器可有效地降低开发成本。

其芯片引脚图如图4.5－1所示。

图４.5-1AT89Ｓ52引脚图

4.5．3.单片机管脚说明

VＣC:

供电电压。

GＮD:

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I／O口,每脚可吸收8TTL门流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

Ｐ0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIＡSＨ编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时,Ｐ0输出原码,此时P0外部必须被拉高。

P1口:

Ｐ１口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P１口缓冲器能接收输出４TTL门电流。

Ｐ１口管脚写入１后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLAＳH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。

Ｐ2口：

P2口为一个内部上拉电阻的８位双向I/Ｏ口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTＬ门电流，当P2口被写“１”时,其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P２口当用于外部程序存储器或１６位地址外部数据存储器进行存取时,Ｐ2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

Ｐ2口在FＬAＳH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口:

Ｐ3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向Ｉ/O口，可接收输出４个ＴTL门电流。

当Ｐ3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P３口将输出电流（ＩLL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89S５2的一些特殊功能口，如下表所示:

表4.1Ｐ3.０口引脚功能表

P3口引脚

第二功能

P３.0

RXD（串行口输入）

P3.１

TXD（串行口输出）

P３.2

INT0（外部中断０输入）

P３．3

ＩNＴ1（外部中断１输入）

P3.４

T0（定时器0外部脉冲输入）

P３.5

Ｔ1（定时器１外部脉冲输入）

Ｐ3.6

WR（外部数据存储器写脉冲输出）

Ｐ3．７

RD（外部数据存储器读脉冲输出）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ＡLＥ/PROG：

当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在ＦLASＨ编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/６。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALＥ脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EＨ地址上置0。

此时,ALＥ只有在执行MOVX,ＭＯVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ＡLE禁止,置位无效。

／PＳEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/ＰＳEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的／PSEＮ信号将不出现。

／EA/VPP：

当/EＡ保持低电平时,则在此期间外部程序存储器（0000H-FＦＦFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时,/EＡ将内部锁定为RESEＴ；当/EＡ端保持高电平时,此间内部程序存储器。

在FＬASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源（ＶPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

ＸＴAL２：

来自反向振荡器的输出。

五、整体电路图

5.1总体电路图

总体工作电路图如图5.１－1所示:

图5．１-1总体工作电路图

5.2程序流程图

程序流程图如图５.2-１所示:

图5．2-1程序流程图

5.3　软件设计

;ADC0809通道IN0地址　　7FF8H

;815５　PA口地址　　　7F01H

;　　　ＰＢ口地址　　　　７F02H

FLAGＢＩT　　　7FH；位地址赋值伪指令

　　　ORG００0０Ｈ

　　AJMP　　MAIN

OＲG００1３H

　AＪMＰ　ＩNT１

MAIN：

　SETB　　　ＩT1

　SETB　ＥA

　SETB　　EＸ１;开外部中断１

　LCAＬLAD＿ＳORT；开始执行模数转换

　　ＬCALＬ　BCＤ_SORT;进行数据处理

　LCＡLＬDISＬED；LＥD显示

AJMP　MＡIN

ＡD＿SＯRT:

　　　　MＯV　R0，＃6０H

SＥＴBＦLＡG

　MＯVＸDPTR,#７FF８H；指向模拟通道IN0

ＭOＶX　　　＠DPTR,A;开始进行数模转换

WＡＩＴ：

　　ＪB　　ＦLAＧ,ＷAIT;等待中断

　　　RET

INT１:

MOVＸ　　A,@DＰTR；将转换后的数字量给累加器A

　MOＶ　@R0,A;将转换后的数据保存

　　　　　ＣLR　　　FLAG

RＥTI

ＤLSＬED:

　　　　　MＯV　R３,＃０1H;送位控信号选中最低位

MOVA,R3

LOOP:

MOV　　　ＤPＴR,#7F０1H;指向PA口

　　　MOVＸ　＠DＰＴR,A

　INC　　DPTＲ；指向PB口

MOV　Ａ,@R０

　　MOV　DPTR，DSEG；指向表首地址

　　MOVC　　　A，@A+PC；查表

DＩＲ１:

　MＯVX@DPTＲ,A;送段选信号

LCALLTIＭ2;延时

　　INCR０

　　ＭＯV　A,Ｒ３

　　　JB　ACＣ.１,ＬOOP1；判断是否显示到最高位

　ＲL　　A

　ＭOV　Ｒ３,A

　AJMP　LＯOP

LOOP１:

　　RET

TＩM2:

　　MOV　R7,#０4Ｈ

DLT1：

　MＯVR6,#FFＨ

DLT2:

　DJＮZＲ6,DLT2

　DJＮZ　　Ｒ７,DLT1

　　ＲET

BＣＤ＿SＯRT:

　　MＯVA,@R0

　　　RL　　　Ａ

　　　　MOV　B,＃１0H

　　DIV　AB

　　　ＭOV@R0,B

　　ＩNＣ　　R0

　　　MOV@Ｒ0，A；进行数据处理

RET

DSEG：

　DＢ3FＨ,0６H,5ＢH,4ＦH,６６H,6ＤH,7ＤH;显示段码表

DB07Ｈ,7FH,6FH，77Ｈ，７ＣH,３9Ｈ,5EＨ

　DB79H,7１H,00Ｈ

ﻩEＮD

六、设计总结

单片机课程设计结束了，在设计之初并没象想象的那么简单,因为平时总是学的理论,而这次是亲手的动手操作,虽然说很累,但感觉收获却特别大。

此次设计的课题是电子秤的设计，由于此设计涉及到的模块较多,有些模块在仿真时仿真软件中没有此种模块，而且模块与模块之间的连接也很繁琐,使设计具有一定的困难,但我通过上网和图书馆借书的方式查询资料从而解决问题。

在这次的课程设计中我对常用芯片的原理有了更加深刻的理解和领悟。

像AT８9S５2等芯片在平常学习时并没过多的涉及，通过查资料知道它与８031单片机相比具有内部程序存储器,在设计程序不是很大时不用进行程序存储器的扩展,简化了电路,同时AT89S５２的功能更加强大使用方便,所以最终我们选择使用ＡT８9Ｓ52作为本次的控制器件。

通过此次的课程设计明白了，理论和实际是有很大的差距的，有些设计在理论上是成功的，但应用的实际的环境中时需要考虑方方面面的因素，因此，我们会在以后的学习中,尽可能地扩大自己的知识面，不能仅仅只局限课本,要更加刻苦地努力地去学习专业知识,充分利用图书馆和网络资源，多查多学多练,打好扎实功底,同时要多锻炼自己的动手能力,理论与实际相结合，理论知道实践，实践证明理论,为以后的更好的发展奠定一个坚实的基础。

通过此次课程设计也更加坚定了我们学好后续课程和温习学过的知识还有利用课余时间拓展自己知识面的决心以及多锻炼自己的实践能力的决心!

相信在系里各位老师的指导下,再加上自己不懈努力，我们一定不会辜负社会,老师,家长的期望,成为一名真真正正学有专长而又兼有广博知识的现代化的高素质人才!

我觉得这不仅仅是一个设计，更重要的是一个人生的锻炼,相信我会从中走向成熟，走向自己新的目标，并为此努力!

参考书籍：

[1]张毅坤，陈善久,裘雪红.单片微型计算机原理及应用．西安:

先电子科技大学,1９9７

［２]余成波．传感器与自动检测技术.２版.北京：

高等教育出版社,2007.7

[3]贾伯年，俞朴．传感器技术[Ｍ].东南大学出版社，２000

[4　]童诗白,华成英模拟电子技术基础.４版.北京：

北京高等教育出社,20０6