基于AT89S51单片机的电子称设计.docx

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基于AT89S51单片机的电子称设计

摘要

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。

目前，商用电子秤的使用非常普及，逐渐会取代传统的杆秤和机械案秤。

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。

因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。

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。

本文是基于AT89S51单片机的一种电子称重设备的设计说明。

论文首先简要叙述了电子秤的主要背景以及总体的设计方式；然后详细阐述了数字电子秤的设计流程，以及硬件系统和软件系统的设计，并给出了硬件电路的设计细节。

本系统主要分为四大部分，信号前级为称重传感器和放大滤波电路，电阻应变式称重传感器，利用全桥测量原理，将重力信号转换成电信号来测量。

单片机为主要部件，完成数据处理和对各个部分的控制，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）。

人机界面部分由六位LED管显示与4×4位矩阵键盘组成，可以由键盘控制显示重量和价钱等信息。

关键字：

电子秤；称重传感器；AT89S51单片机；A/D转换器；LED数码管

Abstract

Weighingtechnologyfromtimeimmemorialattention,asameasurementmethod,widelyusedinindustry,scientificresearch,transportation,andtradefields,andpeople'slivesarecloselylinked.Atpresent,theuseofelectronicmercialverypopular,andgraduallywillreplacethetraditionalGanChengandmachinery.Electronicisakindofelectronweighingapparatus,instrumentsisthenationallegalmeasuringinstruments,livelihood,nationaldefense,scienceresearch,domesticandforeigntradeindispensablemeasureequipment,instruments,producttechnicallevelwilldirectlyinfluencethefromallwalksoflifeandsocialmodernizationleveleconomicbenefit.Therefore,weighingtechnologyresearchanddevelopmentofallindustrialinstrumentsveryseriously.

Weighinginrecentyearsthroughanalysisofelectronicproductsandthedevelopmentofdomesticandinternationalmarketdemand,electronicweighingtheoveralldevelopmenttrendissmallandmodular,integrated,intelligent;theirtechnicalperformancetrendrateishigh,highaccuracy,stabilityHigh,highreliability,itsfunctionisweighingmeasurestendtocontrolinformationandnon-controlinformationboththe"intelligent"functionsofitsapplicationperformancetendtobeprehensiveandbinationsof.

ThisarticleisbasedonAT89S51ofanelectronicweighingequipmentdesign.Itfirstlybrieflydiscussesthemainbackgroundandelectronicoveralldesign,Andthenexpoundsthedigitalelectronicdesignprocess,andthehardwareandsoftwaredesignofthesystemisgiven,andthehardwarecircuitdesigndetails.Thistypeofdigitalelectronicweigheriskeen,correctandconvenienttouse.Itshuman-puterinterfacehasagoodinteractivefunctionanditcanbeusedinvarycircumstances,suchasfamilyandshoppingmall,etc.

Keywords:

anelectronicscale;Weighingtransducer;AT89S51;A/Dconverter;LEDdigitaltube

近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。

现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可缺少的组成部分。

随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了其础，国外如美国、西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称量准确度的电子秤，并在70年代中期约对75%的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。

我国的衡器在能在恶劣环境下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化等特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门。

随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用X围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。

1.2现状及其发展动态

1、电子衡器的现状

电子衡器一般是指装有电子装置的衡器。

因其种类繁多，且涉及到贸易结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。

2、电子衡器的发展动态

电子衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子秤到大型的电子称重系统，薄型或超薄型的圆形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底面与称重传感器外径相同的盲孔内，形成低外形的秤体结构，称重传感器的数量和位置由秤的额定载荷和力学要求计算决定。

对中等或较大容量的电子平台秤、电子地上衡，已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢，并联排队列焊接成一个整体的竹排式结构的秤体，4个称重传感器分别安装在最外边两根薄壁型钢两端的切口内，安装在称重传感器承力点上的固定支承就是秤体的承计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重与称重显示控制器一体化。

综合性：

电子称重技术和电子衡器产品的应用X围不断扩大，它已渗透到一些学科和工业自动控制领破口，解决电子衡器中的工程化产品的定型设计。

生产工艺，质量保证，可靠性考核等规模生产中的关键技术与工艺，提高批量生产能力，使我国的民族衡器工业走上健康持续发展的轨道。

2系统方案的设计

2.1称重器的工作原理

1、名词其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系（一般成正比关系）的电信号。

此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。

运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。

一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。

电子秤原理图见图2-1所示。

图2-1电子秤工作原理

3、电子秤的基本结构

不管根据什器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。

（2）称重传感器

即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。

按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。

荷测量装置或二次仪表。

在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤波、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。

2.2电子称

软件部还是稳定性都是令人满意的，它具有较好的标定校准方法，性能稳定，操作简单，价格低廉，满足各行各业对现代电子衡器的需求。

2.3系统总体设计方案论证与选择

在设计系统时，针对各个模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下几种：

方案一数码管显示方案

结构简图见图2-2所示：

图2-2数码管显示方案

此方案利，系统硬件的扩展必受到限制，电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。

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。

其实现方案的原理图见图2-5所示。

图2-5单片机实现方案原理框图

鉴于本电子秤的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第三种设计方案。

2.态输出，要求很高的输出阻抗，需要低电容低噪声电缆，对外电路的要求比较高。

方案二电容式传感器

电容式传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化的传感器，它具有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可等优点。

电容式传感器不仅能测量荷重、位移、振动、加速度等机械量，还能测量压力、液面、成分含量等热工量。

电边缘影响的条件下，平板电容器的电容量C为

（2-1）

一个参数，则电容量就将产生变化。

虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等优点，但也有不利因素：

（1）小功率、高阻抗。

受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。

因C太小，故容抗

=1/

C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率P=

C，C很小，则P也很小。

故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。

（2）初始电容而发生变化的现象。

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电阻率的变化△R/R转换成电压或电流变化。

其转换电路需要有专用的测量电桥。

下面介绍直流电桥。

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。

直流供电的平衡电阻电桥见图2-7所示，

接直流电源E：

图2-7传感器结构原理图

当电桥输出端接

（2-4）

应变片式传感器有如下特点：

（1）应用和测量X围广，应变和灵敏度高，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、额定称重——10Kg。

本电子称重系统所采用的是电阻应变片式传感器YZC-1B，它的量程10kg，输出灵敏度为2.0mv/V，激励电压为10V，非线性度为0.02。

由于在量程X围内传感器的线性较好，可以在不影响精确度的情况下近似认为重物质量与传感器输出信号线性对应。

2.4.2前置信号使存储元件（通常是电容器）两端的电压UB随被采样信号UA变化。

当采样间隔终止时，D变为高电平,模拟开关断开,UB则保持在断开瞬间的值不变。

缓冲放大器的作用是放大采样信号，它在电路中的连接方式有两种基本类型：

一种是将信号先放大再存储，另一是先存储再放大。

对理想的采样保持电路，要求开关没有偏移并能随控制信号集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。

放大器的输入信号一般是由传感器输出的。

传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。

因此，一般对放大器有如下一些要求：

（1）输入阻抗应远大于信号源内阻。

否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。

（2）抗共模电压干扰能力强。

（3）在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。

从而保证放大器输出性能稳定。

我们考虑了以下几种方案：

方案一利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。

普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。

由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。

所以，此种方案不宜采用。

方案二由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。

差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放（如OP07）做成一个差动放大器，见图2-8所示：

图2-8利用普通运放构成的放大器

电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。

方案三采用专用仪表放大器，如：

AD620，INA126等。

此类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。

以AD620为例，内部结构见图2-9所示：

图2-9AD620的内部等效图

引脚图见图2-10所示：

图2-10AD620的接口图

电路的工作原理：

A1、A2工作在负反馈状态，其反向输入端的电压与同相输入端的电压相等。

即Rg两端的电压分别为Vin+、Vin-。

因此

（2-5）

设图上图中电阻R1=R2=R，则A1、A2两输出端的电压差U12为

（2-6）

将式公式（2-6）代入公式（2-5）得

（2-7）

放大器的增益Av为

（2-8）

可见，仅需调整一个电阻Rg，就能方便的调整放大器的增益。

由于整个电路对称，调整时不会造成共模抑制比的降低。

在接口图（2-9）中，通过改变可变电阻R3的阻值大小来改变放大器的增益，放大器增益计算公式如下：

（2-9）

AD620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，这反映了它的高输入阻抗。

AD620在外接电阻Rg时，可实现1~1000X围内的任意增益；工作电源X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；在G=100时频带宽度为120kHz。

基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器AD620。

2.4.3A/D转换器

A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量的装置，也就是说能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。

实现A/D转换器种类较多，常用的有计数法，双积分法和逐次逼近法A/D转换器。

因此常用的A/D转换器有计数器式、双积分式和逐次逼近式三种类型。

本次设计的电子秤量程为10kg，精确到0.05kg，在选择A/D转换芯片时，位数是重要的指标之一。

常用的逐次逼近式传感器有ADC0809和AD574。

ADC0809是带有8位A/D

1、键盘输入

键盘是一组按键的组合，它是常用的输入设备。

操作员可以通过键盘向计算机输入数据，实现简单的人机对话。

键的多少根据设计功能所需而定。

每一个键相当于一个机械开关触点，按键未按下时，键的两个触点处于断开状态，按键按下时，两个触点闭合。

当单片机接收到按键的触点信号后作出相应的处理。

因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。

本文介绍的是非编码键盘，非编码键盘可分为独立式键盘和矩阵式键盘。

独立式键盘接口电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键接口必须占用一根I/O口线，在按键较多时，I/O口线浪费较大。

而矩阵式键盘适用于按键较多的键盘。

可采用了4×4矩阵式2、输出显示

本模块实现了人与电子秤的交互功能，由4×4位键盘和6位共阴极LED七段码二极管组成。

当重物放在秤上时，由LED直接显示重物的重量。

使用者可以按动键盘键0-9以及小数点位来设定重物单价，以kg为单位。

当按动显示模式按键时分别显示质量、单价或者总价。

显示部分采用了当今常用的LED驱动芯片MAX7219。

MAX7219是Maxim公司推出的8位LED串行显示驱动器，它采用3线串口传送数据，占用资源少可以节省单片机的I/O口的使用且硬件简单，只需一个外部电阻即可方便地调节LED的亮度；可灵活地选择显示器的个数（1～8个,级联可成倍增加）；可进行译码或不译码显示，减少了编程量；内含硬件动态扫描控制，可设置低功耗停机方式。

故本电子秤最终采用了该芯片作为LED驱动。

2.5本章小结

本章主要介绍了系统总体设计的方案。

先简单介绍了称重器的工作原理及结构组成，它主要分承重、传力复位系统、称重传感器、键盘输入和显示输出三大块。

然后给出了四种系统总体设计方案，一一论证，最后选择了第三种设计方案。

包括压力传感器、信号处理电路、A/D转换器、单片机、键盘和显示电路几种模块。

下面对各个模块进行介绍和选型。

经过论证，称重传感器采用电阻应变式传感器；信号处理部分采用专用仪表放大器AD620，此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；A/D转换模块采用我们熟悉的AD574转换器，利用不同的控制信号可以实现高精度的12位转换和8位转换；键盘采用矩阵式键盘，显示部分采用了当今常用的LED驱动芯片MAX7219。

本章的方案及模块的确定为第三章的硬件

3硬件电路设计

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：

系统主控电路，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。

3.1系统主控电路的设计

3.1.1单片机芯片AT89S51介绍

1、芯片AT89S51

主控制器采用AT89S51单片机作为微处理器，AT89S51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机。

AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机，其指令集和传统的51单片机指令集是一样的。

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AT89S51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。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

2、AT89S51的主要特性

●片内程序存储器4KB的Flash存储器，允许在线编程；

●片内数据存储器内含128字节的RAM；

●I\O具有32给可编程I\O线；

●中断系统由6个中断源、五个中断矢量和2级中断优先级构成；

●串行口是一个全双工的串行通信口；

●具有两个数据指针DPTR0和DPTR1；

●低功耗节电模式有空闲模式和掉电模式；

●AT89S51的电源电压为4.0-5.5V；

●具有片内看门狗指令；

●灵活在线编程方式；

●具有掉电标志POF；

与89C51单片机相比，AT89S51具有更突出的优点，主要表现在：

●新增加了在线可编程功能ISP（IN—SystemProgram）,在现场程序调试和修改更加方便灵活；

●数据指针增加到两个，方便了对片外RAM的访问过程；

●新增加了片内看门狗定时器WDT，提高了系统的抗干扰能力；

●增加了掉电标志；

●增加了掉电状态下的中断恢复模式。

3.1.2单片机引脚说明

单片机的引脚图见图3-1所示：

图3-1AT89S51的引脚图

引脚功能说明：

AT89S51单片机芯片为40个引脚，下面简单叙述各引脚的功能。

VCC/GND：

电源/接地引脚；

P0口：

P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端；P0还可以用作总线方式下的地址数据复用管脚，用来操作外部存储器。

在这种工作模式下，P0口具有内部上拉作用。

对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节、校验程序、输出指令字节时，要求外接上拉电阻；

P1口：

P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用；另外，P1.0、P1.1可以分别被用作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发输入（P1.1/T2EX）；对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息；

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口；输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用；P2口在存取外部存储器时，可作为高位地址输出；内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息；

P3口：

P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。

端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

P3引脚功能复用见表3-1所示：

表3-1P3引脚功能复用

RST：

在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此管脚时，将使单片机复位。

只要这个管脚保持高电平，51芯片便循环复位。

复位后P0—P3口均置1，管脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。

当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序；

XTAL1、XTAL2：

XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。

内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。

晶振的频率可以在1MHz至24MHz内选择，电容取30PF左右。

ALE/PROG：

访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节，即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号（此频率是振荡器频率的1/6），在访问外部数据存储器时，出现一个ALE脉冲；

PSEN：

外部程序存储器的选通信号输出端。

当AT89S51由外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期输出2个脉冲，即两次有效。

但访问外部数据存储器时，将不会