1.3课题设计思路
本课题要求利用单片机实现一种简便易实现的电子秤，具体模块包括称重传感器[13]、放大器、转换器、单片机、显示器等几局部。
具体设计指标为：
能测量体重且误差不大于50克、语音播报测量结果、低电压报警、低功耗设计[14]。
由于体重的称量围比拟大，在做实物时对所需的传感器和电子秤支架要求比拟高，考虑到学校实验室现有条件以及本钱等因素，经指导教师同意，本次设计的电子秤量程改为0～3kg。
本课题的主要设计思路是：
利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。
单片机经过相应的处理后，得出当前所称物品的重量，并通过数码管显示显示数值以及扬声器进展语音播报。
其主要技术指标为：
称量围0～3kg；分度值0.001kg；精度等级中准确度〔Ⅲ级〕；电源分为给系统供电的5V以及给语音播报模块的3V两局部。
2系统方案论证与选型
按照本设计功能的要求，系统主要由控制器局部、测量局部、数据显示局部和语音播报局部这四个局部组成，系统设计总体方案框图如图2.1所示。
图2.1系统设计总体方案
测量局部是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号〔本设计为电压信号〕，而后经放大电路处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。
控制器局部承受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并通过控制器实现数据的显示以及语音播报的功能。
2.1控制器局部
本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器,而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的"智能化测量控制系统〞。
这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。
本设计对于系统并没有其他高标准的要求，结合A/D采集模块、数据显示模块和语音报数模块对单片机端口的要求，可以采用AT89C51单片机或者AT89S**系列单片机[15]。
2.2数据采集局部
2.2.1传感器的选择
在本设计中，传感器是一个十分重要的元件，传感器的精度决定电子秤的测量精度，因此对传感器的选择显得特别重要。
在选择传感器时不仅要注意其量程和参数，还要充分考虑与其相配置的各种电路的设计难易程度和设计性价比等。
传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。
一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。
但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的平安和寿命。
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*些材料受力后在其相应的特定外表产生电荷的压电效应。
压电传感器体积小、重量轻、构造简单、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。
方案二电容式传感器
电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。
它有构造简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。
电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。
电容传感器的根本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。
两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应〔两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化〕时，其电容量为：
（2.1）
式〔2.1〕中
——两极板间的距离
——两平行极板相互覆盖的有效面积
——介质的相对介电常数
——真空中介电常数
假设被测量的变化式中，
、
、
三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。
虽然电容式传感器有构造简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素：
a〕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
很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率
，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。
b〕初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。
方案三电阻应变式传感器
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构造型传感器。
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，难以直接准确测量，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。
应变片式传感器有如下特点：
a〕应用和测量围广，应变片可制成各种机械量传感器。
b〕分辨力和灵敏度高，精度较高。
c〕构造轻小，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。
通过以上对压力传感器的分析与比拟，综合考虑本次设计的技术指标，选择方案三。
在实际工作中为确保传感器线性好、精度高，要求称重传感器的有效量程在20%～80%之间，因此购置了最大量程为10千克的电阻应变式传感器，其主要技术指标如表2.1所示。
表2.1压力传感器主要技术指标
精度等级
（%R.0.）
0.02
输入电阻
（Ω）
410±5
输出灵敏度
（mV/V）
2.0±0.2
输出电阻
（Ω）
350±3
零点输出
（%R.0.）
±2
绝缘电阻
（MΩ）
≥5000
非线性
（%R.0.）
±0.02
推荐鼓励电压
（V）
5—12
重复性
（%R.0.）
±0.01
允许使用温度围
（℃）
-20—+60
滞后
（%R.0.）
±0.02
过载能力
（%R.C）
150
蠕变
（%R.0./30min）
±0.02
电缆线长度
（m）
四芯Φ4mm×0.45
零点温度漂移
（%R.0./10℃）
0.02
推荐秤盘尺寸
（mm）
250×250
额定输出温度漂移
（%R.0./10℃）
0.02
防护等级
IP65
2.2.2放大电路的设计[16]
经由传感器或敏感元件转换后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、控制或进展信号转换。
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根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，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：
a）输入阻抗应远大于信号源阻。
否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。
b〕抗共模电压干扰能力强。
c〕在预定的频带宽度有稳定准确的增益、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。
d〕能附加一些适应特定要求的电路。
如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。
由于专用仪表放大器芯片部采用差动输入，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。
结合学校实验室的情况，本设计采用OP07芯片来设计放大电路。
采用OP07设计的根本放大电路如图2.2所示，由模电和电路知识可算出OP07输出端的电压
，计算过程为：
〔2.2〕
〔2.3〕
〔2.4〕
由〔2.2〕和〔2.3〕代入〔2.4〕得
〔2.5〕
图2.2采用OP07设计的根本放大电路
为满足实际情况下所需的放大倍数需要，由〔2.5〕可知，可以增大
的值，同时也可以在OP07之后继续级联OP07进展对电压的放大。
2.2.3A/D转换器的选择
A/D转换局部是整个设计的关键，这一局部处理不好，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，也有近年来新开展起来的∑-Δ型和流水线型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。
目前，ADC集成电路主要有以下几种类型：
a〕并行比拟A/D转换器：
如ADC0808、ADC0809等。
并行比拟ADC是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1GSPS以上，通常称为"闪烁式〞ADC。
它由电阻分压器、比拟器、缓冲器及编码器四种分组成。
这种构造的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比拟器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。
缺点是：
并行比拟式A/D转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位。
b〕逐次逼近型A/D转换器：
如：
ADS7805、ADS7804等。
逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法，这一类型ADC的优点：
高速，采样速率可达1MSPS；与其它ADC相比，功耗相当低；在分辨率低于12位时，价格较低。
缺点：
在高于14位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进展模/数转换之前需要进展调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加本钱。
c〕积分型A/D转换器：
如：
ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。
积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，是应用比拟广泛的一类转换器。
它的根本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。
与此同时，在此时间间隔利用计数器对时钟脉冲进展计数，从而实现A/D转换。
积分型ADC两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压VR。
此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。
假设把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减小到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。
这类ADC主要应用于低速、精细测量等领域，如数字电压表。
其优点是：
分辨率高，可达22位；功耗低、本钱低。
缺点是：
转换速率低，转换速率在12位时为100～300SPS。
d〕压频变换型ADC：
其优点是：
精度高、价格较低、功耗较低。
缺点是：
类似于积分型ADC，其转换速率受到限制，12位时为100～300SPS。
考虑到本系统中对物体重量的测量和使用的场合，精度要求不是很苛刻，转换速率要求也不高，而双积分型A/D转换器精度高，具有准确的差分输入，且双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力，因此本设计理想的A/D转换器应选择双积分型A/D转换器。
但考虑到实验室只有并行比拟A/D转换器〔ADC0808和ADC0809〕的实际情况，且本设计所选择的压力传感器灵敏度较高，所产生的电信号变化也较快，且误差要求50g，因此本设计选用并行比拟A/D转换器ADC0809。
2.3显示电路的选择
数据显示是电子秤的一项重要功能，是人机交换的主要组成局部，它可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的将物体质量显示出来。
数据显示局部可以有以下两种方案供选择：
一是LED数码管显示,二是LCD液晶显示两种选择。
本设计中只要求显示物体质量，因此采用LED数码管显示即可。
2.4语音播报功能的实现
本设计要求语音播报功能[17]，考虑到电子秤的称量结果，语音播报模块至少需要包含0～9十个数字、点和单位〔千克或者公斤〕这些语音量，经过查阅相关资料，本设计选择了市亿矽特科技的电子称语音芯片SC1010B。
3系统硬件电路设计
3.1基于AT89C51的主控电路
3.1.1AT89C51芯片简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
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，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芯片共有40个引脚，其芯片引脚图如图3.1所示。
具有以下标准功能：
128字节部RAM、32个I/O口线、两个16位定时/计数器、一个5向量两级中断构造、一个全双工串行通信口、片振荡器及时钟电路。
另外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停顿工作，但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。
掉电保护方式下，RAM容被保存、振荡器被冻结、单片机一切工作停顿，直到下一个中断或硬件复位为止。
图3.1AT89C51管脚图
单片机管脚说明
a〕P0～P3口引线
P0：
是一个8位漏级开路的双向I/O通道，每脚可吸收8TTL门电流。
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进展校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
是一个部提供上拉电阻的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，被部上拉为高，可用作输入。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
是一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流。
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展存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址"1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进展读写时，P2口输出其特殊功能存放器的容。
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：
是8个带部上拉电阻的双向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AT89C51的一些特殊功能口,如表3.1所示。
表3.1P3口特殊功能
P3口引脚
第二功能
P3.0
R*D〔串行口输入〕
P3.1
T*D〔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
〔外部数据存储器写选通〕
P3.7
〔外部数据存储器读选通〕
b〕控制信号线
ALE/
：
当外部存储器时，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。
如想制止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOV*，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制止，置位无效。
：
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。
但在外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
/VPP：
当
保持低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令；当
端保持高电平时，CPU执行片程序存储器指令。
在FLASH编程期间，此引脚也用于接收12V编程电源电压〔VPP〕。
*TAL1：
作为振荡器倒相放大器的输入。
使用外振荡器时，需接地。
*TAL2：
作为振荡器的倒相放大器的输出和部时钟工作电路的输入。
使用外振荡器时，接收外振荡器信号。
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。
单片机复位以后，P0～P3口输出高电平，SP指针重新赋值为07H，其他特殊功能存放器和程序计数器PC被清零。
单片机最小系统电路构成
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，其电路图和实物图分别如图3.2和图3.3所示。
单片机的时钟信号用来提供单片机片各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片电路初始化，使单片机从一种确定的初态开场运行。
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：
部振荡方式和外部振荡方式。
在引脚*TAL1和*TAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或瓷谐振器，就构成了部振荡方式。
由于单片机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。
图3.2AT89C51最小系统电路图
图3.3单片机最小系统实物模块
3.2数据采集电路设计
传感器参数的测量与计算
在本设计中，传感器是采集实际物体重量的元器件，主要把重量的变化转化为变化的电压信号，因此需要测量该压力传感器的特性曲线。
根据表2.1中传感器的参数，将传感器接入电路，用万用表测得传感器的输入电阻为406Ω，输出电阻为349Ω，鉴定传感器正常，可以使用。
测试传感器可以正常使用后，开场测试传感器的特性曲线，测试方法为：
将传感器接入电路，放上支架，测出此时的空载组织，然后依次增加砝码测出相应的电阻阻值，每次重量的增量为50克，测出该传感器负载0～3000克时相对应的电阻值，如图3.4所示。
图3.4传感器阻值与压力关系测试
按照上述方法，依次测出传感器的电阻值，并将数据一一记录，待量程围的数据测完后，将数据输入E*cel进展数据分析，描绘该压力传感器的特性曲线，从而得出该压力传感器电阻值与其所负载重量之间的关系式，从而代入放大采集电路中计算出A/D采集端口的电压值
，所测数据如表3.2所示。
表3.2压力传感器阻值与负载重量关系
砝码质量〔g〕
0
50
100
150
200
250
300
阻值〔Ω〕
352.0
352.3
352.6
352.9
353.1
353.3
353.6
砝码质量〔g〕
350
40
升级会员 