單片機課程設(shè)計 電 子 秤 設(shè) 計 學(xué)校：平頂山工學(xué)院 專業(yè) ：電氣技術(shù) 電子秤的 設(shè)計 摘 要 本系統(tǒng)采用單片機 AT89S52 為控制核心，實現(xiàn)電子秤的基本控制功能。系統(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng)板，數(shù)據(jù)采集、人機交互界面三大部分。最小系統(tǒng)部分主要是擴展了外部數(shù)據(jù)存儲器，數(shù) 據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號的前級處理和 A/D 轉(zhuǎn)換部分組成。人機界面部分為鍵盤輸入 ， 128 64 點陣式液晶顯示，可以直觀的顯示中文，使用方便。 軟件部分應(yīng)用單片機 C 語言實現(xiàn)了本設(shè)計的全部控制功能，包 括基本的稱重功能，和發(fā)揮部分的顯示購物清單的功能，可以設(shè)置日期和重新設(shè)定 10 種商品的單價，具有超重報警功能，由于系統(tǒng)資源豐富，還可以方便的擴展其應(yīng)用 關(guān)鍵詞 壓力傳感器 單片機 A/D 轉(zhuǎn)換器 LED 顯示器 第一部分： 方案論證與比較 一、控制器部分 本系統(tǒng)基于 51 系列單片機來實現(xiàn)，因為系統(tǒng)需要大量的控制液晶顯示和鍵盤。不宜采用大規(guī)模可編程邏輯器件： CPLD、 FPGA 來實現(xiàn)。另外系統(tǒng)沒有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了 AT89S52 通用的比 較普通單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。內(nèi)部帶有 8KB 的程序存儲器，在外面擴展了 32K 數(shù)據(jù)存儲器，以滿足系統(tǒng)要求。 二、數(shù)據(jù)采集部分 （ 1 ）、傳感器 題目沒有要求具體的稱重范圍，我們 選擇最大量值為 20千克。 我們選擇的是 L-PSIII 型傳感器，量程 20Kg ，精度為 ，滿量程時誤差 0.002Kg ?？梢詽M足 系統(tǒng)的精度要求。其原理如下圖所示 。稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，輸出信號電壓可由下式給出： （ 2 ）、前級放大器部分 壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級，所以對運算放大器要求很高。 具體方案： 高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差動放大器。 差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放 ( 如 OP07) 做成一個差動放大器。 電阻 R1 、 R2 電容 C1 、 C2 、 C3 、 C4 用于濾除前級的噪聲， C1 、 C2 為普通小電容，可以濾除高頻干擾， C3 、 C4 為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。 優(yōu)點：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大電路，滑動變阻器 R6 可以調(diào)節(jié)輸出零點，最后一級可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求 。輸出級為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合應(yīng)用要求。 缺點：此電路要求 R3 、 R4 相等，誤差將會影響輸出精度，難度較大。實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲。對精度影響較大。 （ 3 ）、 A/D 轉(zhuǎn)換器 由上面對傳感器量程和精度的分析可知： A/D 轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在 以下 12 位 A/D 精度： 10Kg/4096=2.44g 14 位 A/D 精度： 10Kg/16384=0.61g 考慮到其他部分所帶來的干擾 ,12 位 A/D 無法滿足系統(tǒng)精度要求。 所以我們需要選擇 14位或者精度更高的 A/D。 具體方案 雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器：如：ICL7135、 ICL7109 。 雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器精度高，但速度較慢 (如： ICL7135),具有精確的差分輸入，輸入阻抗高（大于 ），可自動調(diào)零，超量程信號，全部輸出于 TTL電平兼容。 雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對 50HZ 的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只 要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對濾波電路的要求。 作為電子秤，系統(tǒng)對 AD的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上 14位的 AD 足以滿足要求。另外雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器較強的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價格。綜合的分析其優(yōu)點和缺點，我們最終選擇了 ICL7135 具體方案、 雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器：如： ICL7135、 ICL7109。 雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器精度高，但速度較慢 (如： ICL7135),具有精確 的差分輸入，輸入阻抗高（大于 ），可自動調(diào)零，超量程信號，全部輸出于 TTL電平兼容。 雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對 50HZ 的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻 干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對濾波電路的要求。 作為電子秤，系統(tǒng)對 AD的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上 14位的 AD 足以滿足要求。另外雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器較強的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價格。綜合的分析其優(yōu)點和缺點，我們最終選擇了 ICL7135 三、人機交互界面 顯示輸出 ： 雖然 ZLG7289 具有控制數(shù)碼管顯示的功能，但考慮到本題目要求中文 顯示，數(shù)碼管無法滿足，只能考慮用帶有中文字庫的液晶顯示器。由于可以分頁顯示，無需太大屏幕，我們選擇了點陣式 128 64 型 LCD OCM4X8C 。 第二部分：具體實現(xiàn)方案 一、硬件組成： （一）、硬件結(jié)構(gòu)框圖如下： （ 二）、各部分硬件電路實現(xiàn) (1)、基于 AT89S52 的主控電路圖 主控電路以 89C52 為核心擴展 32K RAM；單片機使用 6M晶振， P0口外接上拉電阻，增大了帶負載能力； A12 A15接 74LS138 譯碼器，輸出作外部片選信號。 擴展了幾個接口用于其它部分于單片機的通信 （ 2）前端信號處理 INA126構(gòu)成的放大器及濾波電路： 通過調(diào)節(jié) 的阻值來改變放大倍數(shù)。微弱信號 Vi1和 Vi2被分別放大后從 INA126 的第 6腳輸出。 A/D轉(zhuǎn)換器 ICL7135 的輸入電壓變化范圍是 -2V +2V，傳感器的輸出電壓信號在 020mv左右，因此放大器的放大倍數(shù)在 200 300左右，可將 接成 的滑動變阻器。 由于 ICL7135對高頻干擾不敏感，所以濾波電路主要針對工頻及其低次諧波引入的干擾。因為壓力信號變化十分緩慢，所以濾波電路可以把頻率做得很低。 （ 3） A/D 轉(zhuǎn)換 器 基準(zhǔn)源選用芯片 MC1403 2.5V 分壓得到： 由于 ICL7135內(nèi)部沒有振蕩器，所以需要外接。但 A/D轉(zhuǎn)換器精度與時鐘頻率的漂移無關(guān)。正向積分時間 T1和反向積分時 間 T2按相同比例增加并不影響測量的結(jié)果。 ICL7135的時鐘頻率典型值為 200kHz 最高允許為 1200kHz，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換速度越快。每輸出一位 BCD碼的時間為 200個時鐘周期，選通脈沖位于數(shù)據(jù)脈沖的中部，如果時鐘頻率太高，則數(shù)據(jù)的接受程序還沒有接受完畢，數(shù)據(jù)就已經(jīng)消失了?？紤]到此系統(tǒng)頻率要求不是太高，且單片機的工作頻率也不是很高，因此我們?nèi)r鐘頻率的典型值： 200kHz。由于頻率比較低，對時鐘漂移要求不高，我們采用阻容方式實現(xiàn)了基本的振蕩電路。如下： 振蕩頻率約為 160kHz。 此外 ICL7135外部還需要外接積分電阻、積分電容，但 A/D轉(zhuǎn)換器精度與外接的積分電阻、積分電容的精度無關(guān)，故可以降低對元件質(zhì)量的要求。不過積分電容和積分電容的介質(zhì)損耗會影響到 A/D轉(zhuǎn)換器的精度，所以應(yīng)采用介質(zhì)損耗較小的聚丙乙 烯電容 ICL7135還需要外接基準(zhǔn)電源，這是因為芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)源一般容易受到溫度的影響，而基準(zhǔn)電源的變化會直接影響轉(zhuǎn)換精度。所以當(dāng)精度要求較高時，應(yīng)采用外接基準(zhǔn)源。一般接其典型值 1V。 (4) 、人機交互界面 LCD 顯示接口電路 . LCD 復(fù)位信號通過反相器接到單片機的 RESET 上，上電或手動復(fù)位時將隨單片機同時復(fù)位。由于復(fù)位后并行口輸出高電平， LCD 處于選中狀態(tài)，此時 LCD 將輸出內(nèi)部狀態(tài)字，將會影響數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)傳輸。所以外接一個反相器。 二、軟件組成： （一）、流程圖 主程序流程如圖所示： 中斷服務(wù)程序流程圖如下： （ 2）、軟件說明 由于涉及到大量數(shù)據(jù)的運算，程序不宜采用匯編語言， C語言大大縮 短了開發(fā)時間，且程序可讀性非常好。 程序中對 AD采入的數(shù)據(jù)進行了數(shù)字濾波，進一步減小 AD讀入數(shù)據(jù)的誤差。 7289鍵盤控制采用中斷方式，加快了程序的執(zhí)行效率。 九、設(shè)計體會 單片機課程設(shè)計結(jié)束了，在設(shè)計之初并沒象想象的那么簡單，因為平時總是學(xué)的理論，而這次是親手的動手操作，雖然說很累，但感覺收獲卻特別大。 我現(xiàn)在很欣慰，因為我們畢竟付出了汗水，索性的是我我們也成功了。也使我更加體會到那種不付出汗水怎會有果實的快感。 同時我也學(xué)會了很多芯片的原理，雖然我們只用上幾個芯片，可我們是從很多很多芯片中篩選 出來了，因此對很多芯片都有了初步的了解。像 89C51 等芯片在平常學(xué)習(xí)時并不清楚它的具體功能，也沒想到他們會與我們的生活聯(lián)系那么密切，通過我們這幾天的課程設(shè)計，我們查資料，仔細研究它們的邏輯功能，用途，要求等，終于基本完成了我們的秒表設(shè)計。這激發(fā)了我們學(xué)習(xí)專業(yè)知識的興趣，也增強了我們的動手能力。但同時，由于掌握的知識有限，在設(shè)計過程中我們遇到一些問題我們暫時還沒有能力去解決。我們的數(shù)字秒便與理想中比較實際的數(shù)字秒表還有很大的差距。例如，不能使它多次記錄時間和顯示分、時時間等。因此，我們會在以后的學(xué)習(xí)中，盡可能 地擴大自己的知識面，不能僅僅只局限課本，要更加刻苦地努力地去學(xué)習(xí)專業(yè)知識，充分利用圖書館和網(wǎng)絡(luò)資源，多查多學(xué)多練，打好扎實功底，為以后的更好的發(fā)展奠定一個堅實的基礎(chǔ)。 此次課程設(shè)計，我們還發(fā)現(xiàn)，理論上的理解，實踐中不一定能夠完全正確應(yīng)用，自己的動手能力還有待一步的鍛煉提高。同時經(jīng)過這次課程設(shè)計我們也更懂得了知識的重要性，大科學(xué)家培根說的一點都不錯“知識就是力量”，通過對知識的靈活運用，再加上恒心、毅力、團隊協(xié)作、能夠做到許多平時連想都不敢想的東