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图1-1电子称设计的结构简图

目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。

单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。

但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。

使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。

第2章硬件的方案设计

2.1传感器的设计

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。

电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。

导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。

电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。

因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。

其转换电路常用测量电桥。

直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。

图2-1为一直流供电的平衡电阻电桥，

接直流电源E：

图2-1传感器结构原理图

当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。

当忽略电源的内阻时，由分压原理有：

=（2.1）

当满足条件R1R3=R2R4时，即

（2.2）

=0，即电桥平衡。

式（2.2）称平衡条件。

应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。

若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（2.1），则电桥输出为

（2.3）

2.2放大电路的设计

2.2.1芯片INA126简介

INA126是精密低噪声差分信号采集仪表放大器，内部采用两个运放设计，使之具有非常低的静态电流（175μA）和有很宽电源供电范围（±

1.35～±

18V），可用于便携式仪表和数据采集系统。

INA126的增益通过外部电阻设置，增益范围从5V/Vto10000V/V。

激光平衡输入电路提供低偏移电压、低温漂偏移电压和良好的共模抑制比。

2.2.2芯片INA126特点及引脚说明

1.芯片INA126器件特点：

低静态电流：

175μA/chan

宽电压范围：

±

1.35Vto±

18V

低偏移电压：

250μVmax

低温度漂移：

3μV/°

Cmax

低噪声：

35nV/√Hz

低输入偏移电流：

2.芯片INA126引脚图说明

图2.2INA126引脚图

1、8脚：

接电位器，控制放大倍数

2脚：

差分输入负端

3脚：

差分输入正端

4脚：

电源输入负端，-5V

5脚：

接地端

6脚：

单端输出端

7脚：

电源输入正端，+5V

2.2.3具体电路设计

图2.3INA126仪表放大结构图

放大器增益 

，通过改变RG的大小来改变放大器的增益。

INA126具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。

其最大输入偏置电流为20nA，这一参数反映了它的高输入阻抗。

INA126在外接电阻RG时，可实现1~1000范围内的任意增益；

工作电源范围为±

2.3~±

18V；

最大电源电流为1.3mA；

最大输入失调电压为125

V；

频带宽度为120kHz（在G=100时）。

2.3A/D信号转换

A/D转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。

在选择A/D转换时，先要确定A/D转换的位数，该设计运用的是8位A/D转换器ADC0809，A/D转换误的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关，系统精度涉及的环节很多，包括传感器的变换精度，信号预处理电路精度A/D转换器以及输出电路等。

2.3.1ADC0809芯片介绍

关于ADC0809的介绍：

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近，寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。

因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

输入输出与TTL兼容。

主要特性：

1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs

4）单个＋5V电源供电

5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

7）低功耗，约15mW。

图2.4ADC0809管脚图

对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：

IN7～IN0——模拟量输入通道

ALE——地址锁存允许信号。

对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

START——转换启动信号。

START上升沿时，复位ADC0809；

START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；

在A/D转换期间，START应保持低电平。

本信号有时简写为ST.

A、B、C——地址线。

通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。

其地址状态与通道对应关系见表9-1。

CLK——时钟信号。

ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。

通常使用频率为500KHz的时钟信号

EOC——转换结束信号。

EOC=0,正在进行转换；

EOC=1,转换结束。

使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

D7～D0——数据输出线。

为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。

D0为最低位，D7为最高

OE——输出允许信号。

用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE=0，输出数据线呈高阻；

OE=1，输出转换得到的数据。

Vcc——+5V电源。

Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。

其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）.

2.3.2AT89C51单片机与ADC0809的接口电路

ADC0809与AT89C51单片机的连接如图所示:

图2.5ADC0809管脚图

图2.5ADC0809与AT89C51的连接图

电路连接主要涉及两个问题。

一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。

A/D转换后得到的是数字量的模拟量，这些数据应传诵给单片机进行处理。

数据串的关键是如何确定A/D转换完成。

因为只有确定数据转换完成后，才进行传送。

为此可采用以下三种方式：

（1）定时传送方式：

对于一种A时子程序。

A/D转换启动后，就调动这个子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了。

接着，就可以进行数据传送/D转换来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128us，相当于6MHZ的MCS-51单片机共60个机器周期。

可根据此设计一个延了。

（2）查询方式：

A/D转换芯片表明有转换完成的状态信号，例如ADC0809的E端，因此可以通过查询方式用软件测试EOC的状态，即可知道转换是否完成，若完成，则接着进行数据传送。

（3）中断方式：

中断方式ADC0809与8031的中断方式接口电路只需将0809的EOC端经过一非门连接到8031的INTl端即可。

采用中断方式可大大节省CPU的时间，当转换结束时，EOC发出一个脉冲向单片机提出中断请求，单片机响应中断请求，由外部中断1的中断服务程序读A／D结果，并启动0809的下一次转换，外部中断1采用边沿触发方式。

2.4单片机的选型

2.4.1AT89C51芯片简介

芯片功能介绍及设计：

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh 

Programmable 

and 

Erasable 

Read 

Only 

Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

2.4.2.AT89C51芯片引脚说明

AT89C51芯片如图下：

图2.6AT89C51的引脚图

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门电流。

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AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

P3.0 

RXD（串行输入口）

P3.1 

TXD（串行输出口）

P3.2 

/INT0（外部中断0）

P3.3 

/INT1（外部中断1）

P3.4 

T0（记时器0外部输入）

P3.5 

T1（记时器1外部输入）

P3.6 

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 

/RD（外部数据存储器读选通）

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[11]。

2.4.3．电路具体设计

图2.7AT89C51最小系统电路图

2.5显示模块

用AT80C51串行口外接74LS164扩展8位并行输出口，如图所示，8位并行口的各位都接一个发光二极管，要求发光管呈流水灯状态。

串行口方式0的数据传送可采用中断方式，也可采用查询方式，无论哪种方式，都要借助于TI或RI标志。

串行发送时，可以靠TI置位（发完一帧数据后）引起中断申请，在中断服务程序中发送下一帧数据，或者通过查询TI的状态，只要TI为0就继续查询，TI为1就结束查询，发送下一帧数据。

在串行接收时，则由RI引起中断或对RI查询来确定何时接收下一帧数据。

无论采用什么方式，在开始通讯之前，都要先对控制寄存器SCON进行初始化。

在方式0中将00H送SCON就可以了。

74LS164是8位移位寄存器（串行输入，并行输出）。

当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。

串行数据输入端（A，B）可控制数据。

当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。

当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。

引出端符号CLOCK时钟输入端CLEAR同步清除输入端（低电平有效）A，B串行数据输入端QA－QH输出端。

图2.874LS164引脚图

表2-174LS164真值表

图2.9显示电路图

多位LED显示时，常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另一个8位I／O口控制；

也可采用并行扩展口构成显示电路，通常，需要扩展器件管脚的较多，价格较高。

图所示是该电路的硬件原理图。

其中，74LS164是8位并行输出门控串行输入移位寄存器，LED采用L05F型共阴极数码管。

显示时，其显示数据以串行方式从AT89C51的P3.0口输出送往移位寄存器74LS164的A、B端，然后将变成的并行数据从输出端Q0～Q7输出，以控制开关管WT1～WT8的集电极，然后再将输出的LED段选码同时送往数码管LED1～LED8。

这样，8个数码管便以100ms的时间间隔轮流显示。

由于人眼的残留效应，这8个数码管看上去几乎是同时显示。

2.6键盘输入

键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。

操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。

因此键盘模块设计的好坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。

键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。

键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。

单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。

因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。

矩阵式键盘又叫行列式键盘。

用I/O口线组成行、列结构，按键设置在

行列的交点上。

例如，用2×

2的行列结构可构成4个键的键盘，4×

4行列结构可构成16个键的键盘。

因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。

相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活。

缺点就是需要用软件处理消抖、重键等问题。

图2.104×

4矩阵键盘

心得体会

随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。

智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。

而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。

传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次设计中的半桥电子称就是在以上仪器的基础上设计而成的。

因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。

经过几个月的努力，终于按照毕业设计进度要求如期完成了实用电子秤控制系统的硬件设计任务。

在做毕业设计的过程中，虽然碰到了不少的困难，但是在老师的指导以及自己的努力下，终于取得了一定成果。

一、主要工作及结论

1、熟悉AT89C51单片机功能及工作特性，掌握其接口扩展方法。

2、通过对数据采集的分析，了解了各种传感器、放大器及A/D转换器和V/F转化器对信号的转换、传输有了更深的认识。

3、对键盘和显示器进行选型比较，得出各种型号优劣比。

4、采用面向对象的思想，分层次、分模块构建设计的总体框架。

二、存在的问题

1、电子电路的设计中对各种影响因素的考虑不够完全，比如在对过电压情况的处理中未作防范措施。

2、系统设计不够优化，有待改善。

比如系统的超量程信号直接由单片机送入报警电路，没有设计保护电路再入单片机处理后送入报警电路。

3、没有扩展更多电路，如日历时钟电路、通讯接口电路等。

日历时钟电路可以显示购货日期，通讯接口电路可以与上位机（PC机）进行通讯，从而将大量的商品数据存于上位机，然后通过串口或并口通讯与电子称相连，达到远距离控制的目的。

4、对各种实用芯片价格了解不够，选择上任有欠缺，如所选的称重传感器价格较贵。

5、动手能力不强，电子秤的精确度有待提高。

这些都为我今后的学习和工作留下了积极的影响。