PBC电路设计要点.docx

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PBC电路设计要点

选课时间段

序号（座位号）

杭州电子科技大学

实验报告

课程名称短学期实验

实验名称电子称重系统设计

指导教师XXXXXXXXXXXXXXXXX

学生姓名XXXXXX

学生学号XXXXXXXX

学生班级XXXXXXXX

所学专业电子信息工程

一、实验目的

1、熟悉印制电路板设计软件altiumdesigner6

2、能熟练运用AD6软件进行原理图设计和PCB设计

3、熟练对89C52（可选其他型号）单片机相关的系统进行电路原理图设计和PCB设计

4、熟练掌握一种仿真工具的使用（建议使用multism或pspice）

二、要求任务及自主设计

要求每位学生独立完成并写出实验设计报告交给指导老师，主要内容包括：

1、89C52单片机最小系统的构成及设计（包括：

时钟、复位、电源、单片机、按键和显示等）

2、在此基础上完成称重系统的设计，称重量程为0~80吨，误差正负100kg。

A为称重系统选择合适的4个压力传感器，注意量程和误差。

B设计放大电路，以便单片机对其信号进行后续处理。

C用7段数码管或其他显示模块进行重量的显示，单位为：

kg。

D根据应用场合设计扩展功能（加分选做设计部分）

三、原理框图

四、系统总体方案设计与比较

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

此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以用内部带有模数转换功能的单片机。

由些设计出的电子称重系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程进大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系。

缺点是：

硬件部分简单，虽然可以实现电子称重基本的功能，但是不能实现外部数据的输入，无法根据实现电子称基本的控制参数。

由于数码管只能实现简单的数字和英文字条的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到要求。

又因为采用了模数转功能的单片机，系统电路过于简单，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。

方案二在前一种方案的基础上进行扩展，增加一键盘输入装置，增加处界对单片机内部的数据设定。

此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。

这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。

方案三前端信号处理进，选用放大、信号转换等措施来增加信号采集强度但会增加相应的设计成本；显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD1602显示器。

这种方案不仅增加了人机单打交换的能力，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，当需要增加扩展功能时可以通过切换液晶显示界面的方式来实现。

现时增加一个存储芯片，用来存储历史的称量数据。

五、原理图及器件选型

1、单片机选型

单片机的选择在整个系统设计中至关重要，要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等求，鉴于以上考虑本课题选择AT89S52作为整个系统的主控芯片。

AT89C52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写10000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89C52芯片具有以下特性：

①指令集和芯片引脚与Intel公司的8051兼容； 

②8KB片内在系统可编程Flash程序存储器； 

③时钟频率为0～33MHz； 

④128字节片内随机读写存储器（RAM）；

⑤32个可编程输入输出引脚；

⑥2个16位定时计数器； 

⑦6个中断源，2级优先级； 

⑧全双工串行通信接口； 

⑨监视定时器； 

⑩2个数据指针。

 AT89S52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。

最小系统如下图

2、压力传感器选择

由于称重要求的范围是0~80吨，压力传感器就采用地磅传感器（网址：

实物图如下：

技术参数：

技术参数：

项目\等级

C3

UNIT

额定载荷

10，15，20，25，30,40

t

额定输出

2±0.002%

mv/v

综合误差

±0.02%

±%ofratedoutput

输出温度影响

±0.02%

±%ofratedoutput/oC

零点温度影响

±0.02%

±%ofratedoutput/oC

零点平衡

±1%F.S

±%ofratedoutput

输入阻抗

775±5

Ω

输出阻抗

702±2

Ω

绝缘阻抗

≥5000

MΩ

安全过载率

150%F.S

%ofratedcapability

极限过载率

300%F.S

%ofratedcapability

工作温度范围

（-30~+80）oC

oC

推荐工作电压

5~18

V（ACorDC）

最大工作电压

24

V（ACorDC）空

材质

合金钢Alloy　Steel

空

防护等级

IP67/IP68

空

电缆

12.5m

空

传输距离

空

空

引用标准

GB/T7551-1997/OIMLR60

空

3、A/D转换芯片选型

由于上面的压力传感器技术参数可知，其额定输出为2mV，满足题目100kg的精度要求，需要采用至少12位A/D转换芯片，虽然DS2450是一款12位四路转换芯片，但是它采用单线输出，硬件电路简单了，但软件编程比较难实现，因此我们采用MAX87。

MAX187是美信公司推出的12位A/D转换芯片，内部含有采样保持电路，单5V操作电源，轮换速度为8.5us，具有片上4.096V参考电压，模拟量输入为0~Vref。

引脚定义如下：

引脚

名称

功能

1

VDD

+5V电压

2

AIN

模拟量输入，0~Vref

3

操作模式选择，低电平为休眠模式。

正常模式为高电平或悬空，高电平时使用内部参考，悬空是标上内部参考

4

REF

参考电压，内部参考电压为4.096V，使用侧部参考是此引脚接一个4.7uF的对地参考电压，使用外部参考时接2.5V~VDD的基准电压

5

GND

地

6

DOUT

数据输出

7

片选

8

SCLK

时钟，最高了5MHz

A/D转换电路如下

四路局部图

四路完整图

4、电压放大器件选型

压力传感器采集的信号为2mV，由于信号太小，若直接输入到A/D转换电路根本不起作用，因此需要加入电压放大电路，MAX187的参考电压为4.096V，这里我们设计一个放大1500倍的电压放大器，这样就会产生约3V的电压输入到A/D转换电路。

这里我们采用的运放是AD620，其特性如下：

①易于使用

增益通过一个外部电阻设置（增益范围1~10000）

宽电源电压范围（正负2.3V至正负18V）

性能高于3运放分立仪表放大器设计

采用8引脚DIP和SOIC封闭

低功耗，最大工作电流1.3mA

②出色的直流性能（B级）

输入失调电压：

50uV（最大值）

输入失调漂移：

0.6uV/℃（最大值）

输入偏置电流：

1.0nA（最大值）

共模抑制比：

100dB（最小值，G=10）

③低噪声

输入电压噪声：

0.28uV峰峰值噪声（0.1Hz~10Hz）

④出色的交流特性

带宽：

100KHz（G=100）

0.01%建立时间：

15us

放大电路

四路局部图

四路完整图

放大电路仿真图

5、电源电路器件选型

由于原理图可知，采用的单片机的5V单电源供电，运放AD620为5V双电源供电，因此要设计一个正负5V的双电源供电系统。

我们采用L79xx和L78xx系列稳压芯片。

首先由外部变压器产生15V交流电，经过整流桥产生直流电输入到L7812稳压到12V，然后通过L7805和L7905芯片产生正负5V供电电源。

原理图如下

6、显示电路器件选择

显示电路选用LCD1601显示屏，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

管脚功能

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地

第2脚：

VCC接5V电源正极

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端,高电平

（1）时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

原理图如下：

7、存储电路选型

存储电路用于存储历史的称重重量，我们采用24C02作为存储芯片，通过按键来查询历史记录、保存和清除数据。

24C02有如下特点：

1.宽范围的工作电压1.8v~5.5v

2.低电压技术:

1mA典型工作电流

1uA典型待机电流

3.储存器组织结构

4.2线串行接口，完全兼容I2C总线

5.施密特触发输入噪声抑制

6.硬件数据写保护

7.内部与周期（最大5ms）

8.自动递增地址

9.可按照字节写

10.esd保护大于2.5kV

11.高可靠性:

--擦写寿命:

100万次数据保持时间:

100年

12.无铅工艺，符合RoHS标准

存储电路原理图

按键电路

8、超重报警电路

该电路用于超重报警，当称重超过额定范围时，蜂鸣器就会发出声音，原理电路如下：

9、USB下载电路

为了方便向单片机中烧录程序，我们设计了一个USB下载电路，用CH340G作为USB转口的芯片

其特点如下：

全速USB设备接口，兼容USB　V2.0，外围元器件只需要晶体和电容

仿真标准串口，用于升级原嘻嘻哈哈外围设备，或者通过USB增加额外串口

计算机端Window操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改

硬件全双式串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps~2Mbps

支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS

通过外加电平转换器件，提供RS232、RS485、RS422等接口

支持IrDA规范SIR红和外线通讯，支持波特率2400bps到115200bps