基于单片机电子秤硬件电路设计.docx

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基于单片机电子秤硬件电路设计

基于单片机电子秤硬件电路设计

根据设计要求与设计思路，此电路由一块AT89S52、按键输入电路、时钟电路、复位电路、LCD显示段码驱动电路、LCD显示位码驱动电路、12位LCD显示器电路、蜂鸣器电路。

图3.1硬件电路设计框图

在本系统中用于称量的主要器件是称重传感器（一次变换元件），称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号，受到不同压力或拉力是产生的电信号也随着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。

由于称重传感器一般的输出范围为0～20mV，对A/D转换或单片机的工作参数来说不能使A/D转换和单片机正常工作，所以需要对输出的信号进行放大。

由于传感器输出的为模拟信号，所以需要对其进行A/D转换为数字信号以便单片机接收。

单片机根据称重传感器输出的电信号和速度传感器输出的速度信号计算出物体的重量。

在本系统中，硬件电路的构成主要有以下几部分：

AT89C52的最小系统构成、电源电路、数据采集、人-机交换电路等。

3.1AT89S52的最小系统电路

3.1.1单片机芯片AT89S52介绍

单片机采用MCS-51系列单片机。

由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。

AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

其芯片引脚图如上图所示。

图3.2AT89S52引脚图

3.1.2.单片机管脚说明

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AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示：

表3.1P3.0口引脚功能表

P3口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行口输入）

P3.1

TXD（串行口输出）

P3.2

INT0（外部中断0输入）

P3.3

INT1（外部中断1输入）

P3.4

T0（定时器0外部脉冲输入）

P3.5

T1（定时器1外部脉冲输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写脉冲输出）

P3.7

RD（外部数据存储器读脉冲输出）

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。

3.1.3AT89S52的最小系统电路构成

AT89S52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。

单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。

单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：

内部振荡方式和外部振荡方式。

在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。

由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：

上电复位和上电或开关复位。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。

上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。

单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。

系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。

51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。

3.2电源电路设计

根据设计需要，本系统中需要设计两种不同级别的电源，即传感器需要+12V的电源，而系统其他芯片使用的是＋5V电源。

考虑本次设计的实际要求，使系统稳定工作，提高产品的性价比，电源电路的设计决定采用如下方案：

图3.3电源电路图

220V的交流电经过变压器后输出15V的电压，经整流滤波电路后，通过LM7812和LM7905进行DC/DC变换得到＋12V和+5V、-5V供器和系统的其他芯片使用。

在变压器的原边加入熔断保护装置和MFC网络，使得系统获得的电源更稳定，效果更好，且电路短路时，熔断装置会迅速切断电源，保护其他电路元件不被损坏，供电电路如图3.3所示。

3.3数据采集部分电路设计

数据采集部分电路包括传感器输出信号放大电路、A/D转换器与单片机接口电路。

3.3.1传感器和其外围以及放大电路设计

传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。

用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确使用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。

因此传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关键环节。

传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出，由于惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，又因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以在本设计中选用最终方案我们选择的是上海开沐自动化有限公司生产的NS-TH1系列称重传感器，额定载荷20Kg，该称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

由于传感器输出的电压信号很小，是mV级的电压信号，因此为了提高系统的抗干扰能力，在传感器外围电路的设计过程中，增加了由普通运放设计的差动放大器增益调节电阻Rg选用10K电阻，是为了满足系统抗干扰的要求而设计。

其电路图如3.2所示。

图3.2传感器和其外围电路图

这是一个电阻应变片式称重传感器，将电阻应变片贴在金属的弹性体（即力敏感器）上，并连接成一差动全桥电路。

电阻应变片实心轴沿轴向线应变为：

（3-1）

实心轴沿圆周向线应变为：

（3-2）

金属材料的电阻相对变化公式为：

（3-3）

把3-1、3-1代入3-3可以得到其输出电压为：

（3-4）

其中F为压力（即重物重量）A为受力面积E为弹性材料的弹性模量。

如果在电阻的两侧都加入应变片，则其输出为

（3-5）

SP20C-G501的输出电压为1-5V相应压力为1-50KPa。

供电电流变动会直接影响传感器的输出电压，因此希望电流变动要小。

此外，增大或减小驱动电流可调整输出电压，但电流过小，输出电压降低同时抗噪声能力减弱；电流过大，会使传感器发热等，将对传感器特性影响加大。

因此在电路中使用1mA的驱动电流。

即使用的电流为1mA左右。

电路中，采用通用运算放大器LM324，由稳态二极管VS提供2.5V的输出电压经电阻R2和R3分压得到基准电压，作为运放A1输入电压，并供给1mA的电流。

传感器的驱动电流流过基准电阻R4，其上的压降等于输入电压。

R13和R14为失调电压的温度补偿电阻，阻值选择500k

-1.5M

。

输入采用高输入阻抗的差动输入方式，再有差动放大器电路进行放大，输出1-5V的电压。

RP2用于调整电路输入的灵敏度，RP1用于失调电压的调整，调整时，压力为0KPa时输出电压为1V，调整RP1，当压力为达到20Kg的力时，输出电压为5V即可。

而有式（3-5）得三运放放大电路的输出信号与输入信号的关系式为：

（3-6）

通过上式可以看出，放大系数为

（3-7）

代入数值可以计算出，其放大系数在70～150之间，完全符合设计要求。

有（3-6）可以得到电桥输入电压U0与被测重量x成正比，即

（3-8）

式中：

——电桥的电源电压

——传感器系数

3.3.2