基于单片机的电子称重系统设计

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）题目:基于单片机的电子称重系统设计 学习中心： 内蒙古学习中心 学 号： 090F67133009 姓 名： 邱培博 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 张 伟 2015 年 09 月 20 日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表学生姓名： 学号： 专业： 毕业设计（论文）题目： 指导教师意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）填写要求：1.请指导教师按以上要求填写意见，2.学生在上传论文时不得将以上括号内的内容删除。3.当学生论文评阅成绩不及格重写时，指导教师要重新填写意见及新的指导日期。（指导教师填写指导意见时请将填写要求删除）指导教师结论： （合格、不合格）指导教师姓名所在单位指导时间中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院 本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表 学生姓名： 学号： 专业： 毕业设计（论文）题目： 评阅意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）填写要求：1.请评阅教师按以上要求填写意见，2.上传论文时不得将以上括号内的内容删除。3.当学生论文评阅成绩不及格重写时，评阅教师要重新填写意见及新的评阅日期。 （评阅教师填写指导意见时请将填写要求删除）修改意见：（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。）毕业设计（论文）评阅成绩 （百分制）： 评阅结论： （同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）评阅人姓名所在单位评阅时间论文原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的本科毕业论文基于单片机的电子称重系统设计，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。 论文作者（签字）：邱培博 日期：2015年09月20日3摘 要电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。它与我们日常生活紧密结合成为一种方便、快捷、称量精确的工具，广泛应用于商业、工厂生厂、集贸市场、超市、大型商场、及零售业等公共场所的信息显示和重量计算。电子称主要以单片机作为中心控制单元，通过称重传感器进行模数转换单元，在配以键盘、显示电路及强大软件来组成。电子称不但计量准确、快速方便，更重要的自动称重、数字显示，对人们生活的影响越来越大，广受欢迎。本系统以AT89S52单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、报警电路、键盘电路等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的称重功能、报警功能、数据计算功能以及人机交换功能。可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。关键词1、AT89S52 2、压力传感器 3、A/D转换器 4、LCD显示器 目 录摘 要4一、绪 论6（一）研究目的和意义6（二）国内外研究动态和趋势6二、系统方案的设计9（一）系统工作原理9（二）系统设计基本思路9（三）系统总体设计方案比较与论证91 传感器92 单片机的选型9三、系统的硬件电路设计15（一）数据采集模块电路的设计151传感器外围电路的设计152A/D转换器16（二）微处理部分18（三）按键和显示部分191显示模块与AT89S52单片机接口电路的设计192键盘电路与AT89S52单片机接口电路的设计20（四）供电电路设计21四、系统软件设计22（一）数据采集模块流程图与子程序的设计23（二）显示模块流程图及子程序的设计24（三）键盘模块流程图及子程序的设计25五、结 论26 致 谢27参考文献28 28中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业设计（论文）1、 绪 论（1） 研究目的和意义质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计量。以后，又采用简单的秤来测定质量。据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。物品称量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。传统的量具是杆称或盘称, 20 世纪70 年代开始出现了电子称。电子称的产生正是为了适应现代生活需要。电子秤不仅要向更高的精度和高的可靠性方向发展,而且更需向多功能的方向发展。据悉,目前电子秤的附加功能主要有下面几种:1.电子秤附加了处理机构计算机信息补偿装置,可以进行自诊断、自校正及多种补偿计算和处理。2.具有皮重显示和净重显示等各种功能。电子秤有些已具备了动物称量模式,即通过进行算术平均、积分处理和自动调零等方法,消除上述的误差。3.附加特殊的数据处理功能。目前的电子秤有附加多种计算和数据处理功能,以满足多种使用的要求。今后,随着电子高科技的飞速发展,电子秤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电子秤将会不断问世,其应用范围也会更加拓宽。（2） 国内外研究动态和趋势随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，对称重技术提出了心动要求，希望称重过程自动化，为此电子技术渗入衡器制造业。在1954年使用了带新式打印机的倾斜式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与人工操作的按键与办公机器联用。在1960年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。当时带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。电子称的发展过程与其他事物一样，也经历了由简单到复杂、又由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一的功能逐步演变为多功能的过程。特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出信号的电子衡器。这种现象的产生是因为电子衡器不仅能给出质量或重量的信号，而且还能作为总系统中的一个单元，它承担着控制和检验功能，从而推进工业生产与经济贸易交往的自动化和合理化。近年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和控制过程中。现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可或缺的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子称的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称量准确度的电子称，并在70年代中期约对75%的机械称进行了机电结合式改造。我国在20世纪40年代以前还全是机械式的衡器，40年代时开始逐渐有了机电结合式的衡器。50年代时开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。从80年代之后，我国通过自行研究引进消化吸收和技术改造。已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术与一体化的电子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣条件下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门、随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。电子衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子称到大型的电子称重系统，从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元，其应用领域不断地扩大。通过对近几年来电子衡器产品发展的分析以及国内与国外市场的需求情况，分析出电子衡器的规模缩小、模块简易、集成度高、智能化成为它总发展趋势和新的特点；电子衡器技术性能的趋向是稳定性好、精确度高、可靠性强、计算速度快；其功能趋向是对各种可操控信息和不可操控信息做出快速处理，体现高效快速智能的特点；其应用性能趋向于综合全面的称重物体以及结合其他智能化设备组合起来快速准确得出结果。1.规模缩小体积缩小、高度偏低、重量较轻，即小、薄、轻。近几年新研制的电子平台秤结构充分体现了小薄轻的发展方向。2.模块简易对于大型或超大型的承载器结构，如大型静动态电子汽车衡等，已开始了采用几种长度的标准结构化的模块，经过分体组合，而产生新的操作简易的品种和规格。3.集成度高对于电子衡器的一些品种和结构实现一体化，像秤体与称重传感器，钢轨与称重传感器,实际应用例如小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤等。4.智能化将电子称量系统和计算机相组合，利用电子计算机的智能化增加了推理、判断、自组织、自诊断、自适应等功能，从而使得电子衡器的称重显示控制器在原有功能的基础上得到了增强，这就是微机化称重显示控制器与智能化称重显示控制器的根本区别。5.综合性基础研究的不断加强，且应用的不断扩大就是电子称量技术的发展规律。扩展其新领域的技术发展，向相邻学科和行业渗透，综合各领域各行业的技术来解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。6.组合性称重计量系统在工业称重计量过程中或工艺流程中通常需要能够和其他设备组合起来应用于称重计量，可以自己设定改变它的测量范围等，如硬件部分在不同的测量范围中做不同的改变与调整。硬件功能向软件方向发展，并且按一定的程序软件能进行修改和扩展；在输入输出数据与指令中不但可以使用不同的语言还可以使用不同的条形码，并能够与外部的控制和数据处理设备进行通信。2、 系统方案的设计（1） 系统工作原理电子秤的工作原理：首先，将通过压力传感器采集到被测物的重量转换成电压信号。因为输出的电压信号通常是很小的，所以需要通过信号处理电路将其进行准确的放大，并将放大后的模拟电压信号经过A/D转换电路转换成为数字量，并将其送入到主控电路中的单片机中，再经过单片机的控制译码显示器，就能显示出被测量物的重量值。在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，还需要在传感器与A/D芯片之间加上信号调整电路。（2） 系统设计基本思路 按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块是由压力传感器、信号的处理和A/D转换部分组成的。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。(3) 系统总体设计方案比较与论证 1 传感器传感器的定义：能感受规定的被测量的量，并将其按照一定的规律进行转换成为可用的输出信号的器件或装置。通常，传感器是由敏感元件和转换元件组成的。其中，敏感元件是指传感器中能够直接感受被测量的部分。转换部分是指，传感器中能将敏感元件输出的量转换为适合于传输和测量的电信号的部分。现代科技的快速发展使的人类社会进入了高速发展的信息时代，其中人们的日常生活与各种活动将主要依靠于对各种信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器就是处于自动检测系统与控制系统之首，是感知获取、检测信息的窗口；一切科学研究和生产过程要所获取的信息，都是要通过传感器来转换成为易传输与处理的电信号，所以传感器是位于在研究对象与测控系统的接口位置。因此，传感器占有了特别重要的地位与作用。传感器的作用是人们为了从外界获取信息，必须借助于身体的感官系统。而单靠人体自身的感官系统，在研究各种复杂的自然现象和规律时它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器了。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 传感器早已渗透到各个领域，例如医学检验诊断、宇宙研究开发、海洋的探测、工业生产、环境保护、资源调查探测、生物工程、甚至文物保护等，都体现了传感器极其之泛的应用领域。可以毫不夸张地说，从天上到地下，从陆地到海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。传感器的静态特性是指其对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有的相互的关系。因为这时，输入的量和输出的量都是和时间无关的，所以可以用一个不含有时间变量的代数方程来表示传感器的静态特性，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作为纵坐标来画出的特性曲线来描述。传感器动态特性是指，传感器在输入变化时，它的输出的特性。通常用传感器对某些标准的输入信号的响应来表示其在实际的工作中，传感器的动态特性。这是因为，容易用实验方法求得它对标准输入信号的响应，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，通常可以根据前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。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。它有结构简单、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。电容传感器的基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；A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。若被测量的变化使式中、A、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4。 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素：（1）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=1/C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率P=C ，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。（2）.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，难以直接精确测量，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。下图为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源E：图2-2 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：= （2-2）当满足条件R1R3=R2R4时，即（2-3）=0，即电桥平衡。式（2-3）称平衡条件。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R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（2-2），则电桥输出为 (2.4) 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。 本设计中选用最终方案我们选择的是NS-TH1系列压力传感器，额定载荷20Kg，该压力传感器均采用全桥式等臂电桥。本设计采用的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。压力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4。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对本系统的正确使用传感器至关重要，它关系到整个系统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。而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。 2 单片机的选型 选择单片机型号的依据有以下几个方面： （1）.市场货源系统的设计者只能在市场上有并且能够买得到单片机中选择，尤其是作为需要大批量生产的产品的应用系统，所选择的单片机型号必须有稳定、充足的货源。 （2）.单片机性能应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择达标并最容易实现系统技术指标的型号，而且要符合性价比高。单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。影响性价比的因素除了单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的容易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性能价格比。 （3）.研制周期在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。AT89S系列单片机是继AT89C系列之后推出的功能更强的新产品。AT89S系列与AT89C系列相比，运算速度有了较大的提高，它的静态工作频率为033MHz，片内集成有双数据指针DPTR、定时监视器(watchdog timer，又称看门狗)、低功耗休闲状态及关电方式、关电方式下的中断恢复等诸多功能，极大地满足了各种不同的应用要求。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AT89S51的一倍，即片内8KB的Flash程序存储器和256B的RAM。另外，它还增加了一个功能极强的、具有独特应用的16位定时计数器2等多种功能。 3、 系统的硬件电路设计（1） 数据采集模块电路的设计数据采集模块电路包括：1.压力传感器输出信号的放大电路部分，压力传感器将接收到的压力信号转变为电信号输出，放大电路的作用就是将其电信号进行放大处理。2.A/D转换器模块，因为单片机只能接收数字信号，而前面输出的是模拟信号，A/D转换器的作用就是将模拟信号转变为数字信号，送入单片机进行处理。此外还包括A/D转换器与单片机的接口电路部分。 1传感器外围电路的设计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。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，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的R/R变化转换成电压变化5。当要改变增益时，仅须调整可变电阻R1即可。由于输出的电压信号也很小，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选用10K 电阻，是为了满足系统抗干扰的要求而设计。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）.信号源的内阻远小于输入的阻抗。否则的话，由于放大器的负载效应，因此会使所测电压造成偏差。（2）抗共模电压干扰能力强。（3）在给定的频带宽度中其有稳定的准确的增益和良好的线性，输入漂移和噪声要足够小，就可以保证所要求的信噪比，这样就保证了放大器输出性能的稳定。（4）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。 前级采用运放组成并联型差动放大器。理论上不难证明，存运算放大器为理想的情况下，并联型差动放人器的输入阻抗为无穷人，共模抑制比也为无穷人。更值得一提的是，在理论上并联型差动放人器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。 阻容耦合电路放存由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可以为后级仪器放大器提高增益，从而为提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，由于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用了共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称（匹配）导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。 后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，从而可得到很高的共模抑制比。从理论上计算整个电路的共模抑制比为： (3-1)式中：或放大器的总共模抑制比；第一级放大器的共模抑制比；或第二级放大器的共模抑制比；、和分别为第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。有以上分析以及基于电子秤的要求精确度不是很高，所以选择由普通放大器所组成的差动放大器作为本设计的信号放大电路。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器。 2 A/D转换器A/D转换器选用的原则：（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 转换器的分辨率应该比系统允许引用的误差高一倍以上。（2）、A/D 转换器的转换速率。不同类型的A/D 转换器，其转换的速率不相同。积分型的A/D 转换器转换速率低，转换的时间从几豪秒到几十毫秒，构成低速A/D 转换器的，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型是属于中速A/D 转换器，转换的时间为纳秒级，用于每个通道过程控制和声频数字转换的系统。（3）、是否加采样/保持器。（4）、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。（5）、A/D 转换器的启动转换和转换结束。一般A/D 转换器可由外部控制信号启动转换，这一启动信号可由CPU提供。转换结束后A/D 转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平。通知微处理器读取转换结果。（6）、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。为防止这种现象，可采取如下措施：（1）加强抗干扰措施，尽量避免较大的干扰电流进入电路；（2）加强电源稳压滤波措施， 在A/D 转换器电源入口处加退耦滤波电路，为防止窄脉冲波窜入在电解电容上再接一高频滤波电容；（3）在A/D 转换器的电源端接一限流电阻，可在出现晶闸管现象时，有效地把电流限定在允许范围内，以防止烧坏器件。选择A/D 转换器除考虑上述要点外，为防止对A/D 转换器的技术指标的影响，还要注意以下几个问题：（1）工作电源电压是否稳定；（2）外接时钟信号的频率是否合适；（3）工作环境温度是否符合器件要求；（4）与其它器件是否匹配；（5）外接是否有强的电磁干扰；（6）印刷线路板布线是否合理。根据系统的精度要求以及综合的分析其优点和缺点，本设计采用了12位的A/D转换器AD574。12位的A/D转换器AD574是美国Analog Device公司生产的。其采用了逐次逼近型的A/D转换器，最大的转换时间是25us，其转换的精度是0.05%，所以更适合于本次设计的系统。并且芯片内部有三态输出缓冲器，所以直接可以与各种类型的8位或者16位的微处理器连接，不用附加逻辑接口电路，而且能和CMOS及TTL电路兼容，这些在本设计中都是能比较容易的实现6。本系统中的逻辑控制输入信号A0，/CS，R/-C分别为：字节选择控制信号，片选信号，读数据/转换控制信号。本设计中，它们分别接于74LS373的Q0，Q1，Q2引脚。CE：片启动信号。本系统要始终保持A/D574处于工作状态，所以保持/CS=0，CE=1同时满足。当R/-C=0，启动A/D转换：当A0=0，启动12位A/D转换方式；当A0=1，启动8位转换方式。12/-8：数据输出格式选择控制信号。当其为高电平时，对应12位并行输出；为低电平时，对应8位输出。此接口接地，本设计中采用8位输出。STS：工作状态信号线。当启动A/D进行转换时，STS为高电平；当A/D转换结束时为低电平11。同时它也可以利用此线驱动一信号二极管的亮灭，从而表示是否处于A/D转换。DB11DB0：12位数字量输出端，此系统中DB0DB3接于DB8DB11上，DB4DB6分别与74LS373的D7D5相接，DB7DB11分别与74LS373的D4D0相接，送单片机进行数据处理。由于对AD574 8、10、12引脚的外接电路有不同连接方式，所以AD574与单片机的接口方案有两种，一种是单极性接法，可实现输入信号010V或者020V的转换；另一种为双极性接法，可实现输入信号-5+5V或者-10+10V之间转换。我们采用单极性接法。（二） 微处理部分AT89S52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路等与单片机构成。单片机的时钟信号是用来给单片机片内的各种操作的时间基准，而复位操作就是使单片机的片内电路初始化，使得单片机从确定的初态开始工作。1、本次设计使用AT89S52单片机的时钟振荡功能，因为时钟电路为单片机提供时钟周期，如果没有时钟电路，单片机就没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。AT89S52中有一个来用作构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1与XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器3。如图3-4所示，外接石英晶体或者陶瓷谐振器和电容C1，C2接在了放大器的反馈电路中构成了一个并联谐振电路。谐振器本身对于外接的电容C1和C2虽然没有十分严的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度以及温度的稳定性，所以本设计使用石英晶体，每个电容大小为30pF。晶振的振荡频率是1.2MHz12MHZ之间，本设计选择12MHZ，因为晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。2、因为很多用户设计完单片机系统，并在调试的过程中，可能会出现“死机”或“程序走飞”等现象，所以本设计需要采用复位电路来使单片机复位，来防止这一现象的发生，复位电路设计的好坏，将直接影响系统的可靠性。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，复位是单片机的初始化操作，除进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，可以按复位键以重新启动，也可以通过监视定时器来强迫复位。只需给单片机的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可使单片机复位3，本设计采用的是上电复位电路，其主要特点是简单，适用于简单的电路，做起来还是比较方便的。本设计采用的上电复位电路，上电复位电路是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时只要VCC的上升时间不超过1ms。就可以实现自动上电复位。本设计采用时钟频率为6MHz，电容取22uF,电阻取1K。 在本设计中，当电源接通后，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。系统复位对于本系统是执行的第一步，使得整个控制芯片回到了默认的硬件状态下。复位的引脚是由RESET引脚来控制的，这个引脚与高电平相连接超过24个振荡周期后，51单片机即进入了芯片内部的复位状态，并且将一直在这种状态下等待，一直到RESET引脚转变成低电平后，再检查EA引脚是高电平还是低电平，若引脚是高电平就执行芯片内部的程序代码，若引脚是低电平就执行外部的程序。（三） 按键和显示部分1显示模块与AT89S52单片机接口电路的设计本设计所设计的电子秤系统需要显示一些数据，例如商品的重量，单价及其总价等等，所以本设计得采用显示模块达到其功能指标，数据显示部分可以有以下两种方案供选择。的组成有以下两种方案可供选择：一是 LED数码管显示,二是采用可以设置显示重量，单价，金额等的LCD，它具有低功耗、可视面大及抗干扰能力强等功能，其显示技术已得到广泛应用。所以本设计采用LCD1602，LCD1602的主要技术参数：显示容量:162个字符，芯片工作电压:4.55.5V，电流:2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压:5.0V，字符尺寸:2.954.35(WH)mm。LCD 显示器的工作原理：液晶显示器的主要材料是液态晶体。它在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光照度等外界条件变化而变化。因此，用液晶做成显示器件，就可以把上诉外界条件的变化反映出来从而形成现实的效果。液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。本设计中的LCD液晶显示模块采用LCD1602型号，具有很低的功耗，正常工作时电流仅2.0mA/5.0V。通过编程实现自动关闭屏幕能够更有效的降低功耗。LCD1602分两行显示，每行可显示多达16个字符。LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，通过内部指令可实现对其显示多样的控制，并且还能利用空余的空间自定义字符。这些都比较符合本系统的要求。本设计中AT89S52的P0.0P0.7口分别与LCD1602的DB0DB7口相接作为数据线，每个口接上拉电阻后接+5V电源，要求从电源高电平引出的电阻接到输出。上拉电阻同时也起稳定信号的作用，如果太小那么功耗比较大，太大的话就起不到上拉的作用了，所以本设计选择上拉电阻阻值为1K。系统中的VSS和E1接地电源，VDD和E2接+5V电源，E端是使能端，当E端由高电平跳变成为低电平时，则液晶模块就执行命令，RS为寄存器选择，R/W为读写信号线，当高电平时就进行读操作，而低电平时就进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时就可以写入指令或者显示地址了，如果RS为低电平R/W为高电平时就可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时就可以写入数据。2键盘电路与AT89S52单片机接口电路的设计本设计中需要预置单价，所以需要采用键盘电路模块来预置单价，本设计中键盘电路模块采用键盘专用芯片74C922及16个按键矩阵组。在本设计的电子秤系统中，带有16个按键矩阵组设置，其中09数字键用于输入单价，还有确认，点，删除和清零的功能，确认用于确认出入的单价，点是用来输入小数点，删除用于删除错误的输入，当计算完一种物品的价格后清除所有的结果，这是用到清零键，此外还设有2个备用键。本设计采用了专用的键盘管理芯片74C922。74C922是CMOS工艺技术制造，工作电压为3V到15V，“二键锁定”功能，编码输出是三芯输出，可以直接和微处理器数据线相连，内部振荡器完成44矩形键盘的扫描。矩阵式的键盘结构和工作原理： 当键盘中按键的数量较多时，所以为了减少I/O口的占用，使按键排列成矩阵的形式。在矩阵键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处是不直接连通的，而是通过一个按键加以连接。因此这样，一个端口（如P2口）就构成了4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘的多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，如果再多加一条线就可以构成20个键的键盘，而如果直接用端口线就只能多出一键（9键）。由此可见，如果需要的键比较多时，那么采用矩阵式键盘是合理的。（四）供电电路设计采用通过全桥整流电路将交流电压转换为直流电压，系统硬件电路要求电源额定电压为5V，单片机系统要求电源电压的纹波系数尽可能的小,由以上要求,选用固定输出的线性稳压集成器LM78H05和LM7905。输入电压VIN在735V的范围内变化,输出电压V可保证为5V输出。这个稳压器还具有过流保护,过热保护和过压保护的功能，线性稳压结构可使电源纹波系数降低。四、系统软件设计为了方便程序调试和提高可靠性，本设计的程序设计采用自上而下、模块化、结构化的程序设计方法，把总的编程过程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个功能模块相互独立，每个模块都能完成一个明确的任务，实现某个具体的功能。本设计按任务模块划分的程序主要有初始化程序、主程序， A/D转换子程序、显示子程序、键盘处理子程序。主程序模块主要完成编程芯片的初始化及按需要调用各模块（子程序），在系统初始化过程中，将系统设置成20Kg量程，并写20Kg量程标志。开始首先设置堆栈指针、中断服务程序入口、设置显示缓冲区、设置显示初值、设置中断优先级及触发形式以及相关寄存器清零工作，然后调用转换程序和显示程序，判断INT0是否有效，如果无效则返回重新调用转换程序和显示程序，如果有效说明键盘部分有按键，继续调用键盘子程序和显示子程序并启动数模转换，再判断INT1是否有效，如果无效保持等待返回到启动数模转换，如果有效说明A/D转换部分开始工作，调用数据处理子程序、调用计算子程序并执行数模转换，最后设置显示子程序，再看重物是否移去，如果没移去返回到数模转换，如果移去了说明转换结束。（一）数据采集模块流程图与子程序的设计A/D转换子程序主要是指在系统开始运行时，把称重传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机所涉及到的程序设计。开始，首先是A/D转换器的初始化，启动A/D转换，判断A/D转换是否完成，如果没完成返回到上一步，如果完成了将数据储存并显示出来，最后返回到主程序。设计流程图如图4-1所示。A/D574初始化启动A/D转换A/D转换完成数据存储数据显示YN图4-1 A/D转换启动及数据读取程序流程图返回开始（二）显示模块流程图及子程序的设计显示子程序主要是来判断是否需要显示,以及如何去显示,也是十分重要的程序之一。而显示子程序是其他程序所需要调用的程序之一，因此，显示子程序的设计就显得举足轻重，设计的时候也要注意。首先开始显示初始化界面，完后判断有无按键，如果没有返回到上一步，如果有按键则显示出来按键的功能，例如预置的单价等，检测是否有重物，如果没有返回上一步，如果有按键则显示出物重、总价等信息，显示结束返回。显示子程序的流程图如下图4-2所示。显示总价信息YN显示按键功能检测重物YN有无按键显示初始化界面开始返回图4-2 显示子程序流程图（三）键盘模块流程图及子程序的设计键盘电路设计成4X4矩阵式，总共16个按键，包括： 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、确认、点、删除、清零和两个备用键。在程序中可以先判断按键编码，然后根据编码将键盘代表的数值送到相应的存储单元，再进行功能选择或数据处理。主要是判断有无按键，如果没有原地跳转，如果有按键则通过LCD显示出其按键功能，然后判断是否有清零键按下，如果没有则原地跳转，如果有清零键按下，说明键盘输入重新开始，返回到字符界面显示继续后面的操作。键盘子程序流程图如图4-3所示。图4-3 键盘子程序流程图YYNYNN按键输入LCD输入界面字符显示有功能键按下输入完毕调用LCD显示有清零键按下五、结 论随着集成电路与计算机技术的迅速发展，使得电子仪器的整体水平发生了巨大变化，许多传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。智能仪器的核心部件是单片机，因为它极高的性价比，从而得到了广泛的应用与发展，从而加速了智能仪器的发展。而作为测控系统中对象信息入口的传感器，越来越受到了人们的关注。传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能够将特定的被测量的信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成为某种可用信号输出的器件或装置。本次设计中的半桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的。因此，只要充分了解了有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。本设计仍存在一些不足之处，首先是传感器的精密度，它将直接影响电子秤的称重准确度。课设时由于传感器发出的信号不是很稳定，所以称重时误差很大。如果使用精密度较高的传感器，效果会好的多。其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，然后进行A/D转换。该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。还有就是进行数据处理时，选取适当的数据转换系数，使输出满足量程要求。还有就是电子电路的设计中对各种影响因素的考虑不够完全，比如在对过电压情况的处理中未作防范措施。系统设计不够优化，有待改善。电子秤是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。继续开展本课题的研究是很有发展前景的，称重装置不仅是能提供重量数据的单体仪表，而且还是作为工业控制系统和商业管理系统中的一个重要组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营管理等多方面的作用。致 谢本论文是在张伟老师的悉心指导下完成的，在此我首先对沈老师表示最诚挚的谢意!衷心感谢张老师在整个研究设计阶段所给予我的悉心关怀与指导。老师一丝不苟的工作作风、兢兢业业的科研精神都使我永生难忘，这将使我在以后的工作和生活中获益无穷。在我从事本系统研究设计的时间里，一直得到很多老师和同学的指导、关心和帮助。提出了很多有益的意见和见解，使我获益匪浅。最后，向所有曾给予我帮助的老师、同学和朋友致以最诚挚的谢意!参考文献1 胡汉才.单片机原理及其接口技术，清华大学出版社,2003:2 田琬逸.张效民.信号检测与估值.西北工业大学出版社,1990:3刘瑞新.单片机原理及应用教程M.机械工业出版社，2003.74胡荣强,郝艳杰.USB接口在数据采集系统中的应用J.微计算机信息.20055 李鸣华.余水宝.单片机在测量中的应用.电子出版社，1998:6 林书玉.电子秤的原理及设计.北京：科学出版社，2003:7赵新民.王祁.智能仪器设计基础.第二版.哈尔滨工业大学.2007：29-468张弘. USB接口设计M.西安:西安电子科技大学出版9. 赵新民.单片机典型模块设计实例.北京：人民邮电出版社， 2005:10 沙占友.单片机外围电路设计.北京：电子工业出版社，2006：11 王敏.精通8051程序设计.北京：人民邮电出版社，2006.37412 沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现.北京：电子工业出版社，2005.311319