基于89S52的数字称设计单片机课程设计.docx

基于89S52的数字称设计单片机课程设计.docx

《基于89S52的数字称设计单片机课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于89S52的数字称设计单片机课程设计.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于89S52的数字称设计单片机课程设计

单片机系统

课程设计

设计课题：

基于89S52的数字称设计

单片机系统

课程设计

课程设计名称：

基于89S52的数字称设计

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

课程设计地点：

课程设计时间：

单片机系统课程设计任务书

学生姓名

专业班级

学号

题目

课题性质

工程设计

课题来源

选题

指导教师

主要内容

（参数）

1显示数字

2语音播报

任务要求

（进度）

第1-2天：

熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。

第3-4天：

按照确定的方案设计单元电路。

要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。

第5-6天：

软件设计，编写程序。

第7-8天：

实验室调试。

第9-10天：

撰写课程设计报告。

要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅合理。

主要参考

资料

（1）张迎新．单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）[M]．北京：

国防工业出版社，2004

（2）伟福LAB6000系列单片机仿真实验系统使用说明书

（3）阎石．数字电路技术基础（第五版）．北京：

高等教育出版社，2006

（4）陈杰黄鸿.传感器与检测技术（第二版）.北京：

高等教育出版社，

审查意见

系（教研室）主任签字：

年月日

1绪论.............................................................

2总体方案设计......................................................

2.1数字称原理及基本思路...........................................

2.2系统总体设计方案...............................................

2.3传感器的选择....................................................

2.4放大器的选择....................................................

2.5A/D转化器的选择................................................

2.6单片机的选择....................................................

3硬件设计...........................................................

3.1称重传感器......................................................

3.2信号放大处理....................................................

3.3信号转换........................................................

3.4单片机控制部分..................................................

3.5键盘............................................................

3.6LED............................................................

3.7语音播报........................................................

4软件设计...........................................................

4.1主程序流程图....................................................

4.2子程序流程图....................................................

4.2.1LED显示子程序...............................................

4.2.2A/D转换子程序...............................................

5系统仿真与调试.....................................................

6设计总结..........................................................

附录1...............................................................

附录2...............................................................

1绪论

在当前社会，物品称重是市场交易中很基本的活动，是商业领域最基本的衡具。

在日常生活中，到处必须用到称。

尤其是现代超市和一些其他交易市场上，称是必不可少的测重工具。

随着人们生活水平的不断提高，商业行为也越来越现代化，人们对商品度量的速度和精度也提出了新的要求。

数字称在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。

相比传统的机械式称量工具，数字称具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点。

今后，随着电子高科技的飞速发展，数字称技术的发展定将日新月异。

同时，功能更加齐全的高精度的先进数字称将会不断问世，其应用范围也会更加拓宽。

从实际情况看来，目前市场上使用的称量工具，结构复杂，运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。

而且目前市场上数字称产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。

因此，有针对性地开发出一套有实用价值的数字称系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善数字称系统在应用中的不足之处，具有现实意义。

2总体方案设计

2.1数字称原理及基本思路

数字称的工作原理是通过称重传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。

输出电压信号通常很小，需要通过前端信号放大，再通过A/D转换成数字量送入到主控电路的单片机中处理，再经过单片机控制显示器，从而显示出被测物体的重量。

数字称的基本思路是微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。

本系统在设计过程中，除了能实现系统的基本功能外，还增加了语音播报功能。

按照设计的基本要求，系统可由单片机最小系统、数据采集、几部分组成。

其中数据采集模块由称重传感器、前端信号放大器件、A/D转换组成。

转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。

2.2系统总体设计方案

选用称重传感器测量物体后，选用前置放大、A/D转换等措施，在这个环节中使用信号放大和AD转换之间独立的器件，在显示方面采用LED显示器，增增加了键盘控制和语音播报电路。

如图所示

原理框图

2.3传感器的选择

在本设计中，传感器是一个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显的特别的重要，不仅要注意其量程和参数，还要考虑到与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比等等。

所谓传感器就是能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。

通过以上系统总体方案设计，确立了以下两种传感器方案：

方案一压电传感器

压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。

其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。

压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。

目前多用于加速度和动态力或压力的测量。

压电器件的弱点：

高内阻、小功率。

功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。

方案二电阻应变式传感器

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ΔR/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ΔR/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2-3为一直流供电的平衡电阻电桥，Ein接直流电源E：

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：

=

当满足条件R1R3=R2R4时，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

，

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。

通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第二种方案。

本系统选择的是PM-23型称重传感器，量程3Kg，完全满足本系统的精度要求。

2.4放大器的选择

称重传感器输出的信号一般电平较低，经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。

为此，测量电路中常设有模拟放大环节。

这一环节目前主要依靠由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。

综上分析，该设计在放大电路选用了LM358，该放大器件内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组，音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

内部原理图

特性：

（1）内部频率补偿。

（2）直流电压增益高（约100dB）。

（3）单位增益频带宽（约1MHz）。

（4）电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；双电源（±1.5一±15V）。

（5）低功耗电流，适合于电池供电。

（6）低输入偏流。

（7）低输入失调电压和失调电流。

（8）共模输入电压范围宽，包括接地。

（9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。

（10）输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）。

参数：

（1）输入偏置电流45nA

（2）输入失调电流50nA

（3）输入失调电压2.9mV

（4）输入共模电压最大值VCC~1.5V

（5）共模抑制比80dB

（6）电源抑制比100dB

2.5A/D转换器的选择

A/D转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。

目前，世界上有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC，也有近年来新发展起来的流水线型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求[6]。

在选择A/D转换器的时候应该遵循以下原则：

（1）A/D转换器的位数：

A/D转换器决定分辨率的高低。

在系统中，A/D转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。

（2）A/D转换器的转换速率：

不同类型的A/D转换器的转换速率大不相同。

积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速A/D转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。

逐次逼近型属于中速A/D转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。

（3）A/D转换器的有关量程引脚：

有的A/D转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。

（4）A/D转换器的晶闸管现象：

其现象是在正常使用时，A/D转换器芯片电流骤增，时间一长就会烧坏芯片。

在AD转换模块选用了ADC0832，该器件是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。

学习并使用ADC0832可使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们使用单片机的技术水平提高。

引脚如图所示。

ADC0832的特点：

（1）8位分辨率；　　

（2）双通道A/D转换；　　

（3）输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；　　

（4）5V电源供电时输入电压在0~5V之间；　　

（5）工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；　　

（6）一般功耗仅为15mW；　　

（7）8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；　　

（8）商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为−40°Cto+85°C；　　

其芯片接口说明为：

（1）CS_片选使能，低电平芯片使能。

（2）CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

（3）CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

（4）GND芯片参考0电位（地）。

（5）DI数据信号输入，选择通道控制。

（6）DO数据信号输出，转换数据输出。

（7）CLK芯片时钟输入。

（8）Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

2.6单片机的选择

AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

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。

AT89S52单片机是AT89S系列中的增强型高档机产品，它片内存储器容量是AT89C51的一倍，即片内8KB的Flash程序存储器和256B的RAM。

AT89S52是一种兼容MCS51微控制器，工作电压4.0V到5.5V，全静态时钟0Hz到33MHz，三级程序加密，32个可编程I/O口，2/3个16位定时/计数器，6/8个中断源，全双工串行通讯口，低功耗支持Idle和Power-down模式，Powerdown模式支持中断唤醒，看门狗定时器，双数据指针，上电复位标志。

在工程应用中AT89S52有一显著的优势：

不需要烧写器，只借助PC机的并口输出和极为简单的下载电路，便可将程序通过串行方式写入单片机。

并且下载电路可设计在系统中，可以随时修改单片机的软件而不对硬件做任何改动。

由此，通过对目前主流型号的比较，我们最终选择了AT89S52通用的普通单片机来实现系统设计。

3硬件设计

3.1称重传感器

PM-23电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。

内部结构如图所示

PM-23内部结构图

当垂直正压力P作用于梁上时，梁产生形变，电阻应变片R1，R3受压弯拉伸，阻值增加；R2，R4受压缩，阻值减小；电桥失去平衡，产生不平衡电压，与作用在传感器上载荷P成正比，从而将非电量转化成为电量输出。

3.2信号放大处理

采用LM358放大电路，3、4端接收PM-23型称重传感器的正负信号，经过358的放大电路处理放大后传输到ADC0832。

原理图如图所示

3.3信号转换通过以上信号放大处理，采用ADC0832将传感器信号进行转换，转换后形成数字信号，再经过单片机进行数据处理。

由于ADC0832为双通道A/D转换，采用CH0通道输入，CS端片选使能，接单片机的P24端，VCC接电源正，GND接地，CLK为芯片时钟输入，接单片机的P25端，DI、DO共同接P26端。

原理如图所示

ADC0832原理图

3.4单片机控制部分

AT89S52具有如下特点：

40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes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，3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。

主要功能特性见下表AT89S52功能

兼容MCS-51指令系统

8k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM

32个双向I/O口

4.5-5.5V工作电压

3个16位可编程定时/计数器

时钟频率0-33MHz

全双工UART串行中断口线

256x8bit内部RAM

2个外部中断源

低功耗空闲和省电模式

中断唤醒省电模式

3级加密位

看门狗（WDT）电路

软件设置空闲和省电功能

灵活的ISP字节和分页编程

双数据寄存器指针

引脚封装如下图所示：

表3-1AT89S52功能

兼容MCS-51指令系统

8k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM

32个双向I/O口

4.5-5.5V工作电压

3个16位可编程定时/计数器

时钟频率0-33MHz

全双工UART串行中断口线

256x8bit内部RAM

2个外部中断源

低功耗空闲和省电模式

中断唤醒省电模式

3级加密位

看门狗（WDT）电路

软件设置空闲和省电功能

灵活的ISP字节和分页编程

双数据寄存器指针

引脚封装如下图所示：

AT89S52的引脚图

引脚功能说明：

VCC/GND：

电源/接地引脚；

Port0：

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；

Port1：

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；

Port2：

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；

Port3：

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引脚功能复用见下表

P3引脚功能复用

P3.0

串行通讯输入（RXD）

P3.1

串行通讯输出（TXD）

P3.2

外部中断0（INT0）

P3.3

外部中断1（INT1）

P3.4

定时器0输入（T0）

P3.5

定时器1输入（T1）

P3.6

外部数据存储器写选通WR

P3.7

外部数据存储器写选通RD

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；

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：

该引脚是外部程序存储器的选通信号输出端。

当AT89S52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，将不会有脉冲输出；

EA/Vpp：

外部访问允许端。

当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。

要使AT89S52只访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），这时该引脚必须保持低电平。

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。

单片机控制部分原理图如下图

P0.0~P0.7接LED数码管；；

P1.0~P1.7端接语音芯片A0~A7端