畢業(yè)設計-基于AT89S52單片機的數(shù)顯電子秤設計

摘要該設計以51系列單片機AT89S52為控制核心，實現(xiàn)電子秤的基本控制功能。在設計系統(tǒng)時，為了更好地采用模塊化設計法，分步的設計各個單元功能模塊，系統(tǒng)的硬件部分可以分為最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、人機交互界面和系統(tǒng)電源四大部分。最小系統(tǒng)部分主要包括AT89S52和擴展的外部數(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，包括運算放大器AD620和A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135；人機交互界面為鍵盤輸入和點陣式液晶顯示，主要使用ZLG7289鍵盤控制芯片和OCM4x8C顯示器，可以方便的輸入數(shù)據(jù)和直觀的顯示中文。系統(tǒng)電源以LM317和LM337為核心設計電路以提供系統(tǒng)正常工作電源。軟件部分應用單片機C語言進行編程，實現(xiàn)了該設計的全部控制功能。該電子秤可以實現(xiàn)基本的稱重功能（稱重范圍為0～9.999Kg，重量誤差不大于±0.005Kg）,并發(fā)揮部分的顯示購物清單的功能，可以設置日期和設定十種商品的單價，還具有超量程和欠量程的報警功能。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，功能齊全，精度高，具有一定的開發(fā)價值。關(guān)鍵詞：單片機；采樣電路；A/D轉(zhuǎn)換器；液晶顯示目錄摘要------------------------------------------------------------------------------------------------1第1章引言1.1秤的發(fā)展史1.2秤的種類1.3近年來稱的發(fā)展趨勢第2章方案的選擇2.1總體設計方案與比較第3章模塊電路設計及比較3．1電源模塊3.1.1電源原理3.1.2電源電路圖3．2數(shù)據(jù)采集、放大及零位調(diào)整模塊3.2.1稱重傳感器3.2.2放大、零位調(diào)整電路3．3A/D轉(zhuǎn)換模塊3.3.1A3．4數(shù)碼管顯示模塊第4章測量與布線4.1.比率式測量方式4.2.PCB布線第5章系統(tǒng)測試第6章注意事項致謝本文小結(jié)參考文獻附錄I電路圖第1章引言1.1秤的發(fā)展史世界上最原始的秤是古埃及人的發(fā)明。還在7000多年以前，古埃及人就使用一種懸掛式的雙盤秤來稱麥子。這種秤有兩個秤盤，分別懸掛在秤梁的兩端。在中國，秤的出現(xiàn)也很早。春秋中晚期，楚國已經(jīng)制造了小型的衡器—木衡．銅環(huán)權(quán)，用來稱黃金貨幣。完整的一套環(huán)權(quán)共十枚，大體以倍數(shù)遞增，分別為一銖、二銖、三銖、六銖、十二銖、一兩、二兩、四兩、八兩、一斤。中國歷史博物館藏有一支戰(zhàn)國時的銅衡桿，這種衡器即不同于天平也不同于后來的稱桿，但與不等臂天平類似。經(jīng)過逐步演化的過程，衡桿的重臂縮短，力臂加長，也就成為了現(xiàn)代仍在使用的桿秤。桿秤在耶穌誕生前由游牧部傳入了西方，被命名為羅馬秤。在許多拉丁語作家的著作中都有關(guān)于這種秤的記載。羅馬秤兩臂不等，稱物端的秤臂較短，且長度固定不變。在稱量重物時，移動秤桿另一端的秤錘（這樣就改變了該端秤臂的長度），直到秤桿達到水平狀態(tài)時為止。使用這種秤可以稱量比秤錘重得多的物體。1670年，法國著名的數(shù)學家、物理學家和機械設計師吉爾．佩爾索納．德．洛百瓦爾（GillesPersonnedeRoberval，1602—1675）于1670年將他發(fā)明的案秤報送巴黎科學院。這是一種等臂雙盤案秤（又名磅秤）。秤盤裝在秤梁兩端，下面裝有剛性導桿，可在稱座上相應的導孔內(nèi)上下上下移動。這樣，當秤梁繞軸擺動時，在導桿作用下，秤盤可做上下移動，但其水平狀態(tài)保持不變。這種秤是的。直到現(xiàn)在，洛百瓦爾案秤仍然是世界上使用最為普遍的商業(yè)秤。1.2秤的種類秤的種類有很多，可分為針秤、勾秤、厘戥、分金戥、盤秤等等。針秤通常有勾，用來勾東西，它之所以叫針秤是因為秤上有一指針來作為平衡指標，若當砣與所秤的東西平衡時，指針就會指正中間，故得其名。目前秤根據(jù)人們的要求和需要分的很詳細，基本可分為機械秤和電子秤。我們常見的有臺秤，桿秤，天平，都是根據(jù)杠桿平衡原理制作的，除此而外，還有彈簧秤，是彈力原理的應用，現(xiàn)在多用電子秤，精密的有原子衡．1.3近年來稱的發(fā)展趨勢在我們生活中經(jīng)常都需要測量物體的重量，于是就用到秤，但是隨著社會的進步、科學的發(fā)展，我們對其要求操作方便、易于識別。隨著計量技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)純機械結(jié)構(gòu)的桿秤、臺秤、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰，電子稱量裝置電子秤、電子天平等以其準確、快速、方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點而受到人們的青睞。電子秤向提高精度和降低成本方向發(fā)展的趨勢引起了對低成本、高性能模擬信號處理器件需求的增加。大多數(shù)電子秤是以1:3,000或1:10,000的分辨率輸出最終的稱重值，使用12bit~14bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器很容易滿足要求。設計中主要考慮峰峰值（PP）噪聲分辨率、ADC的動態(tài)范圍、增益漂移和濾波。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應用性能趨向于綜合性和組合性?，F(xiàn)代社會的發(fā)展對其稱重技術(shù)提高了更高的要求。目前，臺式電子稱在商業(yè)貿(mào)易中的使用已相當普遍，但存在較大的局限性：體積大、成本高、需要工頻交流電源供應、攜帶不便、應用場所受到制約。目前國際化得趨勢是電子秤向小型化，模塊化，集成化，智能化，其技術(shù)性能趨向于速率高，準確度高，穩(wěn)定性好，可靠性高等，其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的智能化電子秤。多年來，人們一直期待測量準確、價格低廉的在工業(yè)發(fā)展中起到巨大作用的電子秤投放市場。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，是制造也自動化和信息化的基礎。隨著工業(yè)自動化、信息化的發(fā)展。以往稱重傳感器的靈敏度，準確度漸漸根不上時代的發(fā)展。所以稱重行業(yè)急需一種能夠在稱重過程中準確計量，具有極高的靈敏度，較強的環(huán)境適應能力，以及比以往傳感器更長的使用壽命。通過試驗和創(chuàng)新電阻應變式力傳感器具有以上特點！利用電阻式應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤，具有測量范圍廣、精度高、誤差小和線性特性好等優(yōu)點，且能在惡劣環(huán)境下工作，在重量測試中有非常廣泛的應用，易于制作，簡單實用、成本低廉、體積小巧、攜帶方便等特點。所以這種電子秤因為市場的需要具有很大的發(fā)展，上升和推廣空間。第2章方案的選擇2.1總體設計方案與比較:方案一：通過秤重電橋產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)放大電路把信號放大后輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片CC7107進行A/D轉(zhuǎn)換，由于此芯片可直接用于數(shù)字顯示，故轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量直接用數(shù)碼顯示器進行顯示。此方案的優(yōu)點是外部電路非常簡單，但同能實現(xiàn)較高的精度。缺點是無法對A/D轉(zhuǎn)換進行控制。圖1.1方案一方框圖方案二：通過秤重電橋產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)放大電路把信號放大后輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7799進機輸出顯示信號，通過顯示電路進行顯示。此方案的優(yōu)點是可控制性好，電路簡單，缺點是數(shù)據(jù)量大且存儲器存儲容量有限。但要求是用我們所學的數(shù)字電路知識，運用簡單數(shù)字芯片進行設計，單片機需要編寫程序進行數(shù)據(jù)處理。故我們不采用。其電路方框圖如圖1.2所示：圖1.2

方案二方框圖第3章模塊電路設計及比較系統(tǒng)硬件以CC7107為核心，包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集及放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、自動換檔模塊、數(shù)碼管顯示模塊。3．1電源模塊本設計只用到電源一種：即+5V.3.1.1穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖2.1圖2.1電源方框及波形圖

A、整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓U2變換成脈動電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。B、穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓U4受負載、輸入電壓和溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓U0。3.1.2集成三端穩(wěn)壓芯片LM7805具有比較高的精確度，加上電容的濾波，對電路可以提供比較穩(wěn)定的電壓。圖2.2中電路提供+5V的電源；主要用于電橋數(shù)據(jù)采集、信號放大電路、A/D芯片（CC7107）、數(shù)碼顯示。其中+5V給CC7107供電；-5V為CC7107參考電壓和用于調(diào)零電路。由于要求輸出的電流最大值為2000mA，而且取樣電阻為1歐所以要求CC7107輸出的電壓至少為2伏，通過計算-5伏的電壓足夠?qū)崿F(xiàn)上述要求。圖2.2電源原理圖3．2數(shù)據(jù)采集、放大及零位調(diào)整模塊3.2.1最普遍的電子秤應用橋式稱重傳感器實現(xiàn)，稱重傳感器的輸出電壓直接與放在其上的重量成比例。圖1示出了典型的稱重電橋－一個具有至少兩個可變橋臂的4電阻結(jié)構(gòu)的電橋，所稱重量引起的電阻變化可產(chǎn)生一個疊加在2.5V（電源電壓的一半）共模電壓之上的差分電壓。典型的電橋通常使用300的電阻器。稱重傳感器本身具有單調(diào)性，其主要參數(shù)指標是靈敏度、總誤差和溫度漂移。1．靈敏度稱重傳感器的電靈敏度為滿負荷輸出電壓與激勵電壓的比值，典型值是2mV/V。當使用2mV/V靈敏度和5V激勵電壓的傳感器時，其滿度輸出電壓為10mV。通常，為了使用稱重傳感器線性度最好的一段稱重范圍，應當僅使用滿度范圍的三分之二。因此滿度輸出電壓應當大約為6mV。當電子秤應用于工業(yè)環(huán)境時，在6mV滿度范圍內(nèi)測量微小的信號變化并非易事。2．總誤差總誤差是指輸出誤差和額定誤差的比值。典型電子秤的總誤差指標大約是0.02%，這一技術(shù)指標相當重要，它限制了使用理想信號調(diào)節(jié)電路所能達到的精確度，決定了ADC分辨率的選擇以及放大電路和濾波器的設計。3．漂移稱重傳感器也產(chǎn)生與時間相關(guān)的漂移。圖2示出24小時范圍內(nèi)測量的實際稱重傳感器漂移特性。測量結(jié)果表明（使用24bitADC測量的bit變化數(shù)量）具有125LSB或大約7.5ppm的總體漂移。3.2.2目前的電子稱重裝置大都使用電阻應變橋式傳感器,其核心是由電阻應變計(應變片)構(gòu)成的電橋電路,這類傳感器具有成本低、精度高且溫度穩(wěn)定性好的特點。但其檢測原理決定該類傳感器輸出電壓低,要經(jīng)過差分放大電路放大數(shù)百倍才能用于A/D轉(zhuǎn)換。一般說來，傳感器輸出的電壓值都非常小，基本上都是毫伏級甚至微伏級。在設計高精度電子秤時，需要外部放大電路來獲得足夠的增益。設電橋的兩個輸出端在沒有連接處理電路時的電壓分別為e1和e2。由于運算放大器輸入端的“虛短”效應,在反饋電路的作用下,反相輸入端的電壓將逼近于同相輸入端的電壓e1,使電橋平衡。/(R+ΔR)(R-ΔR)]=11000004(額定負荷下此比值最大,小于額定負荷時此比值更接近于1),因為電阻應變式稱重傳感器的分辨率一般只有1/3000或1/6000,所以用r2代替(R+ΔR)(R-ΔR)產(chǎn)生的放大誤差將不影響檢測結(jié)果和精度。于是對于最普遍采用的靈敏度為2mV/V的應變式稱重傳感器,在額定負荷下r2(e1-e2)。由于A/D轉(zhuǎn)換器CS5513的輸入端為差分輸入,所以其輸入差模電壓其中Rb是為防止應變片橋路溫升時引起橋臂電阻R上升造成放大倍數(shù)減小而加的穩(wěn)定放大倍數(shù)的反饋溫補電阻,其大小由模塊工作溫度范圍內(nèi)溫補的范圍決定。為了提高抗干擾能力,由R1、R2、C1和C2等元件配合運放AD8655組成了有源低通濾波(LPF)電路,以濾除高頻干擾信號。合理選擇放大電路的Q值及R1、R2、C1和C2,可產(chǎn)生不同的濾波效果和截止頻率?！扒斜妊┓颉碧匦缘臑V波器雖然衰減特性陡峭,但在進入衰減區(qū)域時容易發(fā)生振蕩,在應用中最好設計成“巴特沃茲”特性。電阻和電容組成的RC濾波器，用來限制輸入信號的帶寬，降低輸入信號的噪聲。參考電壓輸入可以直接接在電源和地上，因此不需要額外的參考電壓。為了減小參考源的噪聲，需要在參考源的輸入端加入10uF的濾波電容，這個電容越靠近芯片越好。在電路正常工作以前，可以通過自糾正和系統(tǒng)糾正來糾正芯片和系統(tǒng)的增益誤差以及失調(diào)誤差來提高整個系統(tǒng)的精度。在電路應用過程中均可能出現(xiàn)什么輸入發(fā)生變化，導致A/D轉(zhuǎn)換出錯。故需要對放大后的輸入進行調(diào)零控制。其電路圖如圖3下所示：這個電路主要是增加了由兩個運算放大器(簡稱運放)及電阻RG和RF組成的放大電路。通過調(diào)節(jié)RG和RF的值，就可以獲得所需要的增益，配合CC7107提供的最大增益，可以將輸入信號放大到所需要的幅度。選擇運放時要注意，由于輸入信號的幅度很小，因此對運放的噪聲性能和失調(diào)電壓要求非常高，應選擇低噪聲、低失調(diào)的運算放大器。3．3A/D轉(zhuǎn)換模塊3.一個電子秤系統(tǒng)最重要的參數(shù)是內(nèi)部分辨率、ADC動態(tài)范圍、無噪聲分辨率、更新速率、系統(tǒng)增益和增益誤差漂移。該系統(tǒng)必須設計成比率工作方式，所以它與電源電壓波動無關(guān)。IntersilICL7106和ICL7107是高表現(xiàn),lowpower,31/2個數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器。被包括在內(nèi)的是七個片段破碼器,展覽駕駛員，叁考和一個時鐘。ICL7106與一個液晶顯示器(LCD)一起設計到接口而且包括被多重發(fā)訊的基架駕駛；ICL7107將會直接地駕駛發(fā)出兩極管(引導)展覽的一個器具大小光。

ICL7106和ICL7107一起帶來一個高的準確性，多種變化和真實的經(jīng)濟組合。它以汽車為特色-零的對少于10μV，少于1μV/C的零漂流物,輸入10pA(最大)的偏見涌流、和少于一計數(shù)的翻轉(zhuǎn)錯誤。真實的差別輸入和叁考在所有的系統(tǒng)是有用的,但是當測定裝載細胞、緊張標準度量和其他的橋類型轉(zhuǎn)換器的時候給設計者一個不尋常的利益。最后，單一力量的真實經(jīng)濟供應操作(ICL7107),使高的表現(xiàn)嵌板公尺能夠與只有10無源的附加一起建造完全的.其引腳如下：該電路為CC7107,LED和若干無源元件組成的數(shù)字電壓表電路。該電路采用標準的3.5位顯示電路進行顯示，其中最高位可以顯示千位的“1”和顯示負號。此外，由于該電路的兩個輸入端即COM與V+端的電位差具有很高的穩(wěn)定性，可以作為參考電壓源。因此，可以通過分壓的方法來擴大它的量程。由于兩個輸入端最大承受電壓為200mV因此要實現(xiàn)最大值為2000mV的顯示可以用以下分壓形式（本設計所采用的）如圖2.6所示：利用CC7107A/D轉(zhuǎn)換器組裝成3.5位數(shù)字電壓表,圖2.6數(shù)字電壓表的外接電路通過上面的電路可以測量最大值為2000mV的電壓而在本設計中的采樣電阻為1歐所以被測電壓值即為被測電流值.圖2.73.5位數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換原理圖3．4數(shù)碼管顯示模塊由于所選用的芯片CC7107已經(jīng)具有譯碼功能，故在顯示時只需要接上數(shù)碼顯示器即可用于顯示。其圖為：電子秤的設計考慮第4章測量與布線4.1.比率式測量方式在電子秤的參考設計中為了達到最佳性能采用了比率式測量方法（電橋的DC激勵源和ADC的參考電壓源使用同一個參考源）。稱重傳感器的輸出精度由電橋的激勵電壓決定。由于電橋的輸出直接與激勵電壓成比例，所以激勵電壓的任何漂移都會產(chǎn)生相應的輸出電壓漂移。由于比率式測量方法的輸出電壓既與電橋的激勵電壓成比例又與ADC的參考電壓源成比例，這樣即使實際的電橋激勵電壓變化也不會影響測量精度。這種比率式測量方式消除了激勵源中的溫度漂移和極低頻率噪聲對輸出精確度的影響。為了濾除ADC輸入端來自稱重傳感器的噪聲，通常使用一個簡單的一階RC濾波器。4.2.PCB布線印刷電路板(PCB)布線對于使用高精度∑-△ADC以達到最佳噪聲性能非常關(guān)鍵。最重要的是接地和電源退耦。在本參考設計中，接地面分為模擬部分和數(shù)字部分。CC7107位于這兩個接地面之間的上方。在AD7799的正下面使用一個起始點連接兩個接地面。CC7107的GND引腳應與模擬地相接。在本設計中，僅使用一個電源供電，但是在AVDD和DVDD引腳之間接一個鐵氧體磁珠。鐵氧體磁珠在低頻處具有低阻抗，在高頻處具有高阻抗的特性。因此，鐵氧體磁珠可抑制DVDD中的高頻噪聲。當選用鐵氧體磁珠時，應當研究其阻抗頻率特性。本設計選用600表面貼裝的鐵氧體磁珠。最后，通常使用0.1F和10F的電容器對AVDD和DVDD電源進行去耦；這兩個電容器都應放在盡可靠近CC7107的地方。、第5章系統(tǒng)測試通過軟件的模擬，我們發(fā)現(xiàn)該設計電路具有一定的精確度，能夠適合我們的生活。雖然沒有實際測試，但我們根據(jù)模擬測試可以的出結(jié)論：此設計可以實現(xiàn)?？偨Y(jié)通過這次設計，使我得到了一次