基于AT89S52单片机的电子称设计.docx
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基于AT89S52单片机的电子称设计
摘要
现代社会的发展对称重技术提出了更高的要求。
目前，台式电了秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：
体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。
但是在工业测量中还没有让人们期待的电子秤出现。
多年来，人们一直期待测量准确、价格低廉的在工业发展中起到巨大作用的电子秤投放市场。
本课程设计的电子秤以AT89S52单片机为控制核心，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称重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。
而放大器电路采用AD620，其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。
MAX187A/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，然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。
电子秤主要由电源、称重传感器、单片机、键盘/开关、12864液晶显示器等部分构成。
主要技术指标为：
称量范围0.01kg—5kg；分度值0.005kg；精度等级m级；电源5v。
仪器的技术指标参考了目前国内市场上使用最多、国内外产量最大的电子衡器的技术指标，其合理性无疑加大了产品投放市场后的竞争能力。
仪器主要功能有去皮、计价、累计、单价设定、过载报警、时间显示等。
关键词：
单片机称重传感器放大器模数转换
Thedesignofmulti-functionalelectronicscale
Abstract
Thedevelopmentofthemodernsocietyhasputforwardhigherrequestonweighingtechnology.Thedesk-topelectronicscaleshavebeengreatapplicationincommercialtrade,buttheyhavemanyshortcomingssuchaslargevolume,highcost,ACsupplypowerandnotcovenincetocarry,sotheyarerestrictedtouse.Theusualportablescalesareleverscaleswhicharemostlyusedbyresidents,andspringbalancewhichmeasurethroughcompressionordrawingofspring.Theyarebeingrejectedfortheirbigmeasuringerrors.Peoplehavebeenexpectingcheapportableelectronicscaleswhichcanmeasureaccuratelyandbecarriedconvenientlyformanyyears.
ThecurriculumdesignofelectronicscalesinordertoAT89S52microcontrollertocontrolthecore,theuseoffull-bridgemeasuringprinciple,throughthecircuitoutputvoltageandthestandardweightofalinearrelationship,theestablishmentofaspecificmathematicalmodel,thedimensionlessvoltage（V）changedtheweightofClass（g）becomeasingleoriginalelectronicscales.Measuringcircuitinwhichthemostsignificantcomponentistheresistancestrainsensor.Resistancestraingaugesensorisasensorinthemostwidelyused,thisdesignusesafull-bridgemeasurementcircuit,sothatsystemtoproduceasmallererror,theoutputofthedatamoreaccurate.TheamplifiercircuitusingAD620,whoseroleistoweakanalogsensoroutputsignalsacertainmultipleoftheamplificationinordertomeettheA/Dconverterinputsignallevelrequirements.MAX187A/Dconversionistheroleoftheanalogsignalsintodigitalsignals,analog-digitalconversion,digitalsignalandthentransmittedtothedisplaycircuitandthere,finallyshownbythedisplaycircuitmeasurementresults.
ElectronicScaleisamajorbythepower,weighingsensor,microcontroller,keyboard/switch12864LCDmonitorsandotherparts.Itstechnicalindictorsinclude10kgmaximalmeasuringrange,10gdivisionvalue,IIIprecision,5Vworkvoltage.Itstechnicalindictorsrefertotheindictorsoftheelectriconicmeasuringtoolsofmostpopularityinthemarketsandoflargeoutputathomeandboard,sotheinstrumentisstrengthenedthecompetitivepowerafterputtingonmarkets.Instrumentmainfunctionsarepeeled,pricing,total,unitpricesetting,overloadalarm,timedisplay,etc.
KeyWords：
SCMWeighingSensorAmplifiersAnalog-digitalconversion
第一章前言
1.1课题研究意义
随着经济的发展，出售商品品种的增加，需要称量物品的设备也需要更新换代。
多功能电子秤就是现代生活中应运而生的一种精确、智能、方便、明了、可靠的称量仪器。
它克服了传统的杆秤、盘秤不精确、速度慢、不能计价、易作弊等缺点，在商业领域应用越来越多。
目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：
体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。
现有的便携秤为杆秤或以弹簧、拉伸变形来实现计量的弹簧秤，居民用户使用的基本是杆秤。
弹簧盘秤制造工艺要求较高，弹簧的疲劳问题无法彻底解决，一旦超过弹簧弹性限度，弹簧秤就会产生很大误差，以至损坏，影响到称重的准确性和可靠性，只是一种暂时的代用品，也被列入逐渐取消的行列。
多年来，人们一直期待测量准确、携带方便、价格低廉的便携式电子秤投放市场。
基于电子秤的现状，本项目拟研究一种用单片机控制的多功能电子秤设计方案。
这种多功能电子秤体积小、计量准确、携带方便，平且集质量称量功能与价格计算功能以及时间显示于一体，能够满足商业贸易和居民家庭的使用需求。
本系统具有操作简便，误差小，精度高等特点，并可直接数字测量结果。
1.2国内外研究情况
50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。
60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。
我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水平。
电子衡器制造技术及应用得到了新发展。
电子称重技术从静态称重向动态称重发展：
计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点已从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。
但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。
物品称量是市场交易中很基本的活动，是商业领域最基本的衡具。
传统的量具是杆称或盘称，2O世纪7O年代开始出现了电子称。
早期的电子称多通过模拟电路实现，随着电子技术的不断发展．数字芯片的价格逐渐下降，模拟控制已逐步被数字控制所替代，电子称的设计模式也大都以微处理器为核心，使精度和可靠性都有了明显得提高。
因为小型商用电子称对适时性要求不高，运算也不太复杂，所以用8位微处理器足可满足要求。
电子称重系统必须将多只传感器的输出进行和算，才能得到完整准确的称重结果。
从2O世纪7O年代的模拟串联和算到8O年代的模拟并联和算，和算技术的发展大幅度降低了电子秤的成本，提高了可靠性和稳定性。
但是，模拟并联和算也存在不足：
如对传感器的一致性要求较高、无法对单个传感器进行检测、电子秤四角偏差调试复杂等。
目前，解决上述问题的最好方法是采用数字和算或数模混合和算。
由于信号放大器成本的不断下降以及A／D转换器性能的大幅度提高，数字和算无论在技术上还是在经济上都进入了实用阶段。
电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。
目前大多数电子秤是以1:
3,000或1:
10,000的分辨率输出最终的称重值的，这样的系统一般使用12bit至14bit的模数转换器就很容易满足要求。
然而，高精密检测的电子秤如果要达到这种分辨率，那么ADC的精度需要接近于20bit。
1.3本设计的任务和主要内容
本设计的主要内容如下：
1）运用电阻应变式传感器并采用全桥测量电路
2）设计一款电子秤
3）用12864液晶显示器显示被称物体的质量和时间
4）三运放大电路
5）A/D转换电路
6）时间模块电路
第二章方案论证
2.1单片机选择
方案一采用常用的89C52控制。
技术比较成熟，应用广泛。
现在的51系列技术硬件发展的非常快，出现了许多功能非常强大的单片机，因此使用单片机可以实现要求的基本功能，并且容易操作。
方案二应用AVR，AVR是一种高性能、低功耗的高性能微处理器，它采用哈佛结构，废除了复杂指令集计算机追求指令完备的做法；采用精简指令集计算机，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中；取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，可高速执行指令。
AVR单片机资源丰富，性能优异，具有良好的抗干扰特性。
ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz而且AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周内同时访问两个独立的寄存器。
并通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机。
但对于我们来说编程还是有一定的难度。
通过比较采用熟悉89C52，我们选择方案一。
2.2显示部分
显示部分是本次设计不可缺少的一部分，对于能显示主要数据的有以下两种方案：
方案一：
采用1602液晶显示，1602液晶最多只能显示16×2个字符（即32个字符），1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、日文假名等，和单片机系统的接口简单可靠，操作方便，和别的液晶显示器相比其体积小，重量轻和低功耗。
不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
但不能显示中文，显示的内容受到一定的限制。
方案二：
采用12864液晶显示，12864液晶带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8
×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
硬件电路结构或显示程序都要简洁。
由于本设计要显示的内容比较多，而且带有中文显示，所以我们采用方案二。
2.3数字时钟
数字时钟是本设计的重要的部分。
根据需要，可利用两种方案实现。
方案一：
本方案完全用软件实现数字时钟。
原理为：
在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。
利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将时字节清零。
该方案具有硬件电路简单的特点，但当单片机不上电，程序将不执行。
且由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。
方案二：
DS1302是美国DALLAS公司最新推出的时钟芯片，采用CMOS技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部，采用DS1302芯片设计的时钟电路勿需任何外围电路并具有良好的微机接口。
DS1302芯片具有超低耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠，能够计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能等优点，而且具有定时中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断等特点，故广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合。
基于时钟芯片的上述优点，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。
2.4放大部分
对于放大电路的选择有以下两种方案：
方案一：
采用OP07芯片组成的三运放电路，Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
但要组成三运放就要到3个OP07组成的电路，设计电路相对复杂，而且外来干扰比较难控制。
方案二：
采用AD620芯片组成的放大电路，AD620是一款低成本，高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设计增益其范围为1至1000.此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低（最大工作电流1.3mA）,因而非常适合电池供电及便携带（或远程）应用。
AD620具有高精度（最大非线性都10ppV/
）特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选，此外，AD620还具有低噪声，抗干扰性好，低输入偏置电流和低功耗特性。
通过以上的比较，故采用方案二设计电路比较简单。
2.5A/D转换器选择
A/D转换部分是本次设计最核心的部分，对于A/D转换器的选者有以下两种方案：
方案一：
采用V/F变换芯片LM331，LM331是使用压频变换器件，把电压信号转化为频率信号，单片机通过计数获得重物的重量，此方案，可不用A/D，但需要比较复杂的小信号放大、调理电路，并且LM331外围电路较繁琐，参数配置相对严格，故未采用。
方案二：
采用MAX187A/D转换芯片，MAX187串行12位模数转换器可以在单5V电源下工作，接受0－5V的模拟输入。
MAX187为逐次逼近式ADC，快速采样/保持（1.5uS），片内时钟，高速3线串行接口。
MAX18转换速度为75Ksps。
通过一个外部时钟从内部读取数据，并可省却外部硬件而与绝大多数的数字信号处理器或微控制器通讯。
同时MAX187有内部基准，MAX187采用节约空间的8脚DIP和16脚SO封装。
电源消耗为7.5mW，在关断模式下可以减少至10uW。
优异的AC特性和极低的电源消耗，同时及其容易的使用和较小的封装尺寸使得MAX187能理想的应用于远程DSP和传感器，或者应用于对电源消耗和空间极为苛刻的地方。
基于AD620的优点，本设计采用方案二。
2.6压力传感器部分
应变片式电阻传感器按其测量电路（桥式）可分为单臂式、半桥式、全桥式三种。
但考虑到精度的问题，有以下两种方案：
方案一：
采用半桥式的传感器，所谓半桥，即将电桥的四臂接入四应变片。
其中：
一片受拉，一片受压，另外两应变片不受力。
所以误差比较大而成精度相对来说还是不够高。
方案二：
采用全桥式的传感器，所谓全桥，即将电桥的四臂接入四应变片。
两片受拉，两片受压，因此全桥式等臂电桥的灵敏度最高而且灵敏度比半桥式的大一倍，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。
其中全桥式Hl-8传感器比较好。
基于全桥式的压力传感器达到的精度较高的优点，本设计采用方案二。
第三章总体方案
3.1工作原理
当物体放在秤重盘上，压力施给传感器，该传感器会产生形变，而使之阻抗发生变化的，从而使激励电压产生改变，输出一个变化的摸拟信号，该模拟信号通过AD620芯片的电路放大，送给采用MAX187芯片A/D转换器转换成便于处理的数字信号，然后将信号送至CPU中央处理器进行运算控制，同时采用DS1302芯片来输出时钟信号送给CPU，CPU根据键盘命令及程序将数据传送致12864液晶显示出来。
基本工作原理框图如下：
图3-1基本工作原理框图
3.2系统各模块的最终方案
经过仔细分析和论证，我们决定了系统各模块的最终方案如下：
（1）控制器：
采用89C52单片机
（2）显示：
采用12864液晶显示
（3）时钟芯片：
采用DS1302芯片实现
（4）放大器：
采用AD620芯片实现
（5）A/D转换器：
采用MAX187芯片实现
（6）压力传感器：
采用型号H1-8的传感器实现
（7）电源：
采用±5V.+12V电源供电
第四章硬件电路的设计
4.1单片机控制电路的设计
AT89S52的简介：
（芯片介绍不能超过1页，挑重要的就行，不能长篇介绍）
近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。
单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定位、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。
近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生产生活中的各个方面。
它的主要特点有：
与MCS-51产品兼容；具有8K字节可在系统编程的Flash内部程序存储器，可写/擦1000次；4.0V～5.5V的工作电压范围；全静态操作：
0Hz～24MHz；三级程序存储器加密；256字节内部RAM；32根可编程I/O线；三个16位定时器/计数器；8个中断源；全双工异步串行通信通道；低功耗空闲和掉电方式；通过中断中止掉电方式；看门狗定时器；两个数据指针；AT89S52单片机较8051单片机内部多了一个8K字节的Flash程序存储器，一个16位的定时器/计数器，一个中断源，还多了128字节内部RAM，与8051完全兼容。
AT89S52内部结构：
单片机的引脚结构如下图4-1所示，各个引脚功能描述如下：
图4-1单片机引脚结构图
图4-2单片机系统结构图
4.2Hl-8传感器的电路设计
根据设计要求，市场情况和请教别人的经验，我们选择了济南金钟电子衡器股份有限公司生产的H1-8型压力传感器，为双孔悬臂梁形式，是电子计价秤的专用产品，也可用于制造由单只传感器构成的电子案秤，台秤及专用衡器等，其主要技术指标如表一所示，各项指标较济南市场上见到的同类传感器优秀的多，只是价格上稍微贵了一些，实际应用的结果表明，物有所值。
压力传感器主要技术指标如表4-1所示：
表4-1压力传感器主要技术指标
H1-8的内部结构：
图4-3H1-8的内部结构图
H1-8压力传感器的受力方式:
图4-4压力传感器的受力方式图
H1-8传感器的供电方式：
为了使测量更准确，传感器的供电采用电压基准源TL431来稳定输入电压。
1TL431的简介
德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。
它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。
该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中l在很多应用中可以用它代替齐纳二极管。
图4-5TL431引脚功能图：
图4-5TL431引脚图
TL431的3个引脚别为：
阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。
TL431的具体功能可以用图4-6的功能模块示意。
图4-6TL431的内部结构示意图
由图可以看到VRef是一个内部2.5V基准源，接在运放的反相输入端。
由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VRef（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，能过三极管的电流将从1～100mA变化，当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。
TL431的主要参数如表4-2所示：
表4-2TL431的主要参数
参数
符号
数值
单位
阴极阳极电压
VKA
37
V
阴极电流范围，连续
IK
-100to+150
mA
参考输入电流范围，连续
Iref
-0.05to+10
mA
工作结温
TJ
150
°C
操作环境温度范围
TA
-40to+85
°C
储存温度范围
Tstg
-65to+150
°C
总耗散功率常温
PD
1.10
W
总耗功率外壳温度
PD
30.
W
图4-7为TL431的应用电路图：
图4-7TL431的应用电路图
4.3信号放大电路的设计
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