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基于AT89C51的数字电子秤(完整的设计报告+仿真文件+原理图).doc

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.27M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1.1 系统总体设计方案
    1.2 硬件的方案设计与论证
    1.2.1 传感器
    1.2.2 前级放大器部分
    1.2.3 信号转换
    1.2.4 控制单片机的选型
    1.2.5 显示模块
    1.2.6 键盘输入
    1.2.7 电源模块
    1.3 具体实施方案简介
    2.1 基于AT89C51的主控电路
    2.2 信号放大电路
    2.2.1 芯片INA126简介
    2.2.2 INA126特点及引脚说明
    2.2.3 具体电路设计
    2.3 信号转换电路
    2.3.1 芯片LM331应用
    2.3.2 LM331功能介绍
    2.3.3 具体电路设计
    3.1 电子称的软件设计与实现
    3.2主程序流程图
    3.3 子程序设计
    3.3.1 V/F转换启动及数据读取程序设计
    V/F转换子程序主要是指在系统开始运行时，把称重传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机
    3.3.2显示子程序设计
    3.3.3键盘扫描子程序的设计
    基于 AT89C51 的电子秤的设计 在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的进步、科学的发 展，我们对其要求操作方便、易于识别。随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆 秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方 便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。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。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及 国内外市场的需求，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。 1 系统方案设计 1.1 系统总体设计方案 前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，在显示方面采用具有字符图文显示功能的 LCD 显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量 的物体信息等相关内容。 结构简图如下图所示： 图 1.1LCD 显示的方案 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。 1.2 硬件的方案设计与论证 1.2.1 传感器 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。 下图为一直流供电的平衡电阻电桥， inE 接直流电源 E： 图 1.2 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： u o  u BD  u AB  u AD  E ( R 1 E =  ( R 1  R 1 R  2 RR 1 3 RR  2 3 R 4 R R  4 3 RR 4 2 R   )( ) ) 4 当满足条件 R1R3=R2R4 时，即 R 1 R 2 R 4  R 3 ou =0，即电桥平衡。 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,按上式，则电桥输出为  2 ( ) ( R R R    ( ) () R R R   E R  2 ) ER  ) ( R  R R  ) uo   ( R R   R Ek  应变片式传感器有如下特点： （1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。 （2）分辨力和灵敏度高，精度较高。 （3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境 中使用，频率响应好。 （4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 1.2.2 前级放大器部分 采用专用仪表放大器，INA126 芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益 高，精度也非常好，且外部接口简单。 图 1.3 INA126 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）。 1.2.3 信号转换 本系统采用 V/F 转换，V-F 控制的原理是产生一个震荡频率的电路叫做压控震荡器，是一个 压敏电容，当受到一个变化的电压时候它的容量会变化，变化的电容引起震荡频率的变化，产生 变频。 LM331 是性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D 转换器、线性频率 调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331 采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工 作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有极高的精度。LM331 的动态范围宽，可达 100dB；线 性度好，最大非线性失真小于 0.01％，工作频率低到 0.1Hz 时尚有较好的线性；变换精度高，数 字分辨率可达 12 位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F 或 F/V 等变换电 路，并且容易保证转换精度。 LM331 的内部电路组成如图所示。由输入比较器、定时比较器、R－S 触发器、输出驱动管、 复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。输出驱动管 采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平， 以适配 TTL、DTL 和 CMOS 等不同的逻辑电路。LM331 可采用双电源或单电源供电，可工作在 4.0～40V 之间，输出可高达 40V，而且可以防止 Vcc 短路。 从传感器来的毫伏级的电压信号经低温漂运算放大器 INA126 放大到 0～10V 后加到 V/F 变换 器 LM331 的输入端，从频率输出端 f0 输出的频率信号加到单片机的输入端 T1 上。根据分辨率的 要求利用软件处理，最后得到 A/D 转换的结果。 1.2.4 控制单片机的选型 AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programma ble and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片 机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除 只读存储器可以反复擦除 100 次。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，AT89C2051 是它的一种精简版 本。AT89C 单片机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。 AT89C51 单片机特点能与 MCS-51 兼容，有 4K 字节可编程闪烁存储器，寿命能够达 到 1000 写/擦循环，数据可以保留时间长达 10 年，全静态工作：0Hz-24MHz，三级程序存
    储器锁定，128×8 位内部 RAM，32 可编程 I/O 线，两个 16 位定时器/计数器，5 个中断源， 可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。所以 AT89C51 符合 本次设计的主控芯片。 1.2.5 显示模块 LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放 置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子 改变方向，将光线折射出来产生画面。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点： （1）显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定 发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且 不会闪烁。 （2）数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加 方便。 （3）体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的， 在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 （4）功耗低：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上，因而耗电 量比其它显示器要少得多。 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD，目前常用 16*1， 16*2，20*2 和 40*2 行等的模块。1602LCD 分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，1602LCD 主要技术参数： 显示容量:16×2 个字符，芯片工作电压:4.5—5.5V，工作电流:2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压:5.0V， 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm。 由于本次设计的显示模块需要显示多位数字，如果采用数码管显示的话将会占用多个单片机 I/O 口,使得电路变得更为复杂。所以选用液晶显示，1602LCD 符合基本条件，能够采用。 1.2.6 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。 本系统中采用矩阵键盘。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。 图 1.4 4×4 矩阵键盘 1.2.7 电源模块 系统需要多种电源，单片机需要＋5V 电源，运放需要±5V，V/F 转换器需要±12V，传感器需 要＋5V 以上的线性电源。 稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压 Uo、输出电流 Io、输出纹波电压ΔUop-p 等性能 指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数， 从而合理的选择这些器件。 稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电 流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系 数、输出电阻、温度系数及纹波电压等[16]。 此次设计的稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图
    图 1.5 稳压电源组成图 本系统采用 7805,7905，7812 和 7912 组成稳压电路 7805，7905 固定式三端稳压器可输出±5V,固定式三端可调稳压器 7812 和 7812 组装电路可对 称输出±12v,其电路图如图所示. 图 1.6 LM317 与 LM337 组装电路 1.3 具体实施方案简介 根据以上设计方案，硬件部分采用 51 系列单片机 AT89C51 为控制核心部件，实现电子秤的 基本控制功能。AT89C51 是一款 8 位的内带 4K 程序存储器的微控制器，考虑到用软件实现电子 秤系统的各项功能时，所需的软件量并不是很大，不需要太大的程序存储空间，因此在对 AT89C51 实际设计时不需要在片外再扩展程序存储器，这样不仅节省了硬件资源，也优化了电路的设计。 系统的硬件部分不仅包括以单片机 AT89C51 为核心的最小系统部分，而且还包括数据采集、人机 接口界面、系统电源部分。 数据采集部分由压力传感器、信号放大处理和 V/F 转换部分组成。在具体选择传感器时，考 虑到在称量物品时必要的精度、准确性要求，所称物品的重量误差必须要控制在一定的范围之内。 另外由于秤台的自身重量、振动和冲击分量，以及还要避免物体超重时对传感器的损坏，所以在
    选择传感器时要保证有一定的承重裕量，所选的传感器量程应该比系统设计要求的要大。一般选 择满量程时候的误差不能大于规定量。由于传感器的输出信号中含有一定的干扰噪声，所以必须 要对传感器的输出信号进行滤波，在滤波电路的设计时利用普通小电容滤除高频干扰，利用大的 电解电容滤除低频干扰。传感器输出的电信号比较微弱，一般为毫伏级，必须采用适当的电路进 行信号放大处理，这样才能保证整个系统的精度和稳定性能。这时需要共模抑制比高，差模输入 阻抗大，增益高，精度好，而且外部接口简单的专用仪表放大器 INA126。在选择 V/F 转换器时根 据系统精度的要求，选择了具有很强抗干扰能力 V/F 转换器 LM331，虽然转换速度慢，但精度高， 输入阻抗高，可自动调零，具有超量程信号，全部输出的 TTL 电平信号兼容。作为电子秤，系统 对 V/F 转换的速度要求不高，而且 LM331 的转换精度足以满足系统的误差要求。 人机交互部分的键盘在系统中，可以输入数字和已经固定的控制命令等。在这次设计中我们 采用了 4×4 键盘控制。显示用的 LCD 我们根据要求选用了字符点阵式液晶显示器 LCD1602，可 以一次满屏幕显示多个个中文字符或英文字符，满足电子秤在称物时的购物清单显示要求。 2 系统硬件设计 根据设计要求以及系统所需要实现的功能，在设计系统时可以分成以下几个部分：单片机控 制模块，前端信号采集、处理、转换模块，人机接口界面以及系统电源部分（为实现系统超量程 与欠量程的报警功能，还扩展了报警电路）。 2.1 基于 AT89C51 的主控电路
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