1、 信息工程学院 课程设计报告书 题目 : 基于 AT89S52 单片机的电子称设 计 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 0307408 学 号： 030740817 姓 名： * 指导教师： 黄 勇 年 月 日 摘 要 该设计以 51 系列单片机 AT89S52 为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步的设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为最小系统、数据采集、人机交互界面和系统电源四大部分。最小系统部分主要包括AT89S52 和扩展的外部数据存储器；数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和 A/D 转换部分组成，包括运算放大器 AD6
2、20和 A/D 转换器 ICL7135；人机交互界面为键盘输入和点阵式液晶显示，主要使用 ZLG7289 键盘控制芯片和 OCM4x8C 显示器， 可以方便的输入数据和直观的显示中文。系统电源以 LM317 和 LM337 为核心设计电路以提供系统正常工作电源。软件部分应用单片机 C 语言进行编程，实现了该设计的全部控制功能。该电子秤可以实现基本的称重功能（称重范围为 0 9.999Kg，重量误差不大于 0.005Kg） ,并发挥部分的显示购物清单的功能，可以设置日期和设定十种商品的单价， 还具有超量程和欠量程的报警功能。 关键词 ： 单片机；采样电路； A/D 转换器；液晶显示 目 录 1
3、系统方案的设计 .3 1.1 电子秤的设计要 求 .3 1.1.1 基本要求 .3 1.1.2 特色与创新 .3 1.2 系统工作原理及设计基本思路 .3 1.2.1 系统工作原理 .3 1.2.2 系统设计基本思路 .3 1.3 系统总体设计方案比较与论证 .3 1.4 单片机的选型 .4 1.5 数据采集部分的方案确定 .4 1.5.1 传感器 .4 1.5.2 前级放大器部分 .5 1.5.3 A/D 转换器 .5 1.6 人机交互部分 .5 1.6.1 键盘输入 .5 1.6.2 输出显示 .5 1.7 系统电源 .6 1.8 具体实施方案简介 .6 2系统硬件设计 .6 2.1 基于
4、 AT89S52 的主控电路 .6 2.2 基于 ICL7135 的前端信号处理电路 .7 2.2.1 信号处理电路 .7 2.3 人机交互界面 .8 2.3.1 键盘控制电路 .8 2.3.2 液晶显示电路 .9 2.4 系统电源 .10 2.4.1 电源电路 .10 2.5 报警电路 .10 3 软件流程 .41 3.1 主程序流程图 .41 3.2 主要中断程序流程图 .42 4 结论 .44 4.1 论文总结 .46 4.1 主要工作及结论 . 4.1 存在问题 . 4.2 感想 . 参考文献 .47 1 1 系统 方案的设计 1.1 电子秤的设计要求 1.1.1 基本要求 1、 重量
5、显示：单位为千克 ； 电子秤称重范围： 0 9.999Kg；重量误差不大于 0.005Kg； 2、能用简易键盘设置单价，加重后能同时显示重量、单价和金额； 3、 液晶显示：所称物体重量、 10 种商品的购物清单等 。 1.1.2 特色与创新 1、使用单片机为控制核心，大大简化了系统的组成构造，且单片机可拓展性强，可以很方便的对系统进行拓展和应用。 2、使用键盘输入数据，操作简单，方便。 3、中文 液晶显示所称量的物品重量，同时还可显示物品的名称，数量，单价，金额和所有物品的总金额。 4、 具有去皮功能和金额累加计算功能。 5、当物品重量超过电子秤量程，即过载情况或者是物品重量小于 A/D 转换
6、器所能转换的最小精度，即欠量程的时候，具有超重报警功能。 1.2 实验原理及设计基本思路 1.2 1 系统工作原理 电子秤的工作原理。首先是通过压力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，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经 A/D 转换电路转换成数字量被送 入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。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。 1.2.2 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
7、模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块 由压力传感器 、信号的前级处理和 A/D 转换部分组成 。 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 。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需 要软件来控制。在扩展功能上，本设计增加了 一个 过载 、欠量程报警 提示。 1.3 系统总体设计方案与论证 前端信号处理时，选用放大、 A/D 转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的 LCD 显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。 目前单片机技术比较成熟，功能也比
8、较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量 。 由于系统需要的按键较多，因此要加一个键盘显示管理芯片（ ZLG7289） 。 单片机控制适合于功能比较简单的控制系统 ,而且其具有成本低 ,功耗低 ,体积小算术运算功能强 ,技术成熟等优点 。 现实方案原理图如图 1-1 所示 2 放大器A / D转换器M C UA T 8 9 S 5 2Z L G7 2 8 9显 示 器键 盘 电 路图 1-1 单片机实现方案原理框图 1.4 单片机的选型 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
9、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 。 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
10、单片机来实现系统设计。 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0 Hz 到 33 MHz，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， Power down 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。我们在外面扩展了 32K 数据存储器，以满足系统要求。 1.5 数据采集部分的方案确定 1.5.1 传感器 我们选用 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
11、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。 题目要求称重范围 0 9.999Kg，重量误差不大于 0.005Kg，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重 9.999Kg 。我们选择的是 L-PSIII 型传感器，量程 20Kg，精度为 0.01%，满量程时误差 0.002Kg，完全满足本系统的精 度要求。 1.5.2 前级放大器部分 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
12、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3 保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。 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。 我们 采用专 用仪表放大器，如： AD620， INA126 等。此类芯片内部采用差动输入，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。 1.5.3 A/D 转换器 我们选用 双积分型
13、A/D 转换器：如： ICL7135、 ICL7109 等。 双积分型 A/D 是间接型 A/D 转换器，其基本原理是首先对未知的输入电压进行固定时间的积分，然后转向对标准电压进行反相积分至积分输出电压为零（返回起始值）， 则标准电压积分的时间正比与输入电压。输入电压越大，反向积分时间越长。用高频率时钟脉冲来测量标准电压积分时间，即可得到 输入电压对应的数字代码。 作为电子秤，系统对 AD 的转换速度要求并不高，精度上 14 位的 AD 足以满足要求。另外双积分型 A/D 转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。 综合的分析其优点和缺点，我们最终选择了精度为 10Kg/ 2000
14、0= 0.5g的 ICL7135。 1.6 人机交互部分 1.6.1 键盘输入 键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。键盘是由若干个 按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。 ZLG7289 是周立功单片机公司设计的串行输入输出可编程键盘 /显示芯片，有强大的键盘显示功能，支持 64 键控制，可以比较方便地扩展系统。另外 ZLG7289 内部有译码电路，大大简化
15、了程序。 因此，我们选择功能更好的 专用键盘显示芯片 ZLG7289 作为键盘扫描显示芯片。 1.6.2 输出显示 采用 可以设置显示单 价 ，金额，中文，购物日期等 的 LCD，它 具有低功耗、可视面大、画面友好 及 抗干扰能力强等功能， 其 显示技术已得到广泛应用。 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。 虽然 ZLG7289 具有控制数码管显示的功能，但考虑到本题目
16、要求中文显示，数码管无法满足，只 能考虑用带有中文字库的液晶显示器。由于可以分页显示，无需太大屏幕，我们选择了点阵式 128 64 型 LCD OCM4x8C。 1.7 系统电源 系统 需要多种 电源， 单片机 需要 5V电源， A/D 转换器需要 5V， +1V， 传感器需要 10V 以上的线性电源（不能用开关电源，否则称重数据不稳定）。 以 LM317 和 LM337 型号的芯片为核心来设计电源电路。选用初级 220V、次级 18V，功率为 10W 的变压器两只提供交流电源，经过整流稳压滤波后，再分别由 LM317 和 LM3374 提供系统所需的直流稳压电源。 1.8 具体实施方案简介
17、根据以上设计方案，硬件部分采用 AT89S52 为控制核心部件，实现电子秤的基本控制功能。 AT89S52 是一款 8 位的内带 8K 程序存储器的微控制器，考虑到用软件实现电子秤系统的各项功能时，所需的软件量并不是很大，不需要太大的程序存储空间，因此在对 AT89S52实际设计时不需要在片外再扩展程序存储器，这样不仅节省了硬件资源，也优化了电路的设计。在实际使用电子秤的称重功能时考虑到涉及到大量的数据，而 AT89S52 片内的数据存储空间有限，因此在片外扩展一片 32K 的数据存储器，选用 62256 实现。 系统的硬件部分不仅包 括以单片机 AT89S52 为核心的最小系统部分，而且还包
18、括数据采集、人机接口界面、系统电源部分。 数据采集部分由压力传感器、信号的滤波放大处理和 A/D 转换部分组成。在具体选择传感器时，考虑到在称量物品时必要的精度、准确性要求，所称物品的重量误差必须要控制在一定的范围之内。另外由于秤台的自身重量、振动和冲击分量，以及还要避免物体超重时对传感器的损坏，所以在选择传感器时要保证有一定的承重裕量，所选的传感器量程应该比系统设计要求的要大。一般选择为实际要求量程的两倍，且需要满足精度要求，满量程时候的误差不能大于规定量 。由于传感器的输出信号中含有一定的干扰噪声，所以必须要对传感器的输出信号进行滤波，在滤波电路的设计时利用普通小电容滤除高频干扰，利用大的
19、电解电容滤除低频干扰。由于在选用的放大器中内带滤波电路环节，所以利用电容滤波可以根据实际情况进行取舍。传感器输出的电信号比较微弱，一般为毫伏级，必须采用适当的电路进行信号放大处理，这样才能保证整个系统的精度和稳定性能。这时需要共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度好，而且外部接口简单的专用仪表放大器 AD620。在选择 A/D转换器时根据系统精度的要求，选择了具有很强抗干扰 能力的双积分型 A/D 转换器ICL7135。 人机交互部分的键盘在系统中，可以输入数字和已经固定的控制命令等。在这次设计中我们采用了专用键盘控制芯片 ZLG7289，并且扩展了其中的 64 个键盘供系统使用。显示用的
20、 LCD 我们根据要求选用了字符点阵式液晶显示器 OCM4x8C，可以一次满屏幕显示 4 行 8列的 32 个中文字符或 4 行 16 列的英文字符，满足电子秤在称物时的购物清单显示要求。 5 2 系统硬件设计 根据设计要求以及系统所需要实现的功能，在设计系统时可以分成以下几个部分：单片机控制模块，前端信号采集、处 理、转换模块，人机接口界面以及系统电源部分（为实现系统超量程与欠量程的报警功能，还扩展了报警电路）。 2.1 基于 AT89S52 的主控电路 主控电路主要采用芯片 AT89S52、 74LS373 和 62256。 AT89S52 具有如下特点： 40 个引脚 ， 8k Byte
21、s Flash 片内程序存储器 ， 256 bytes 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 。 芯片 74LS373 是 典型的锁存器芯片，它是三态输出的八位锁存器。芯片内含八个 D 型触发器 P1 口和 P2.0 P2.6 口作为地址总线，其中 P1 口作为低地址线和数据总线复用， P2.0P2.6 口做高地址线。 P2.7 作为 62256 的片选控制总线， ALE 接锁存器 74LS373
22、 的使能端。P3.6 和 P3.7 作为外部数据存储器写 /读选通信号输出端分别接 62256 的 /WE 和 /OE 端。 主控电路 如图 2-1 所示 ： 1134781314171810202569121619115E1D2D3D4D5D6D7D8DG N DV C C1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q/ O CU874 L S 37 3V C CV C CP 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78P 3. 09P 3. 110P 3. 211P 3. 312P 3. 4131415P 2. 416P 2. 217X L
23、 218X L 1192013 940D039D138D237D336D435D534D633D732313029P 2. 728A 1427A 1326A 1225A 1124A 1023A922A821P 1. 0P 1. 1P 1. 2P 1. 3P 1. 4P 1. 5P 1. 6P 1. 7R S TP 3. 0 ( R X D )P 3. 1 ( T X D )P 3. 2 ( I N T O )P 3. 3 ( I N T 1)P 3. 4P 3. 5P 3. 6 ( / W D )P 3. 7 ( / R D )X T A L 2X T A L 1G N DV C CP 0.
24、0P 0. 1P 0. 2P 0. 3P 0. 4P 0. 5P 0. 6P 0. 7V P PP R O GP S E NP 2. 7P 2. 6P 2. 5P 2. 4P 2. 3P 2. 2P 2. 1P 2. 0U7S W - P BV C CV C CC?0. 01 uFC?0. 01 uFC?10 uFX L 2X L 1109876543A825A924A 1021A 1123A 122A 1326A 141P 2. 72028D011D112D213D315D416D517D618D71914P 2. 627P 3. 722A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A 10A 1
25、1A 12A 13A 14T e xtV C CD0D1D2D4D3D5D6D7G N DT e xt/ O CU962 25 6V C CR?1KS?S W - P B+C 2047 uFR S T图 2-1 主控电路图 2.2 基于 ICL7135 的前端处理电路 2.2.1 信号处理电路 1、滤波放大电路 图如图 2-2 所示 ： 6 1234R5R 1 71KR?R E S 2R30 .0 3 3 KR 1 61KR91K+ 1 2 - 1 2C50 .1 u FC60 .1 u FC72 2 u FC82 2 u F123487Vo65RgV i 1V i 2V-RgV+V0R E
26、TU2A D 6 2 0- 1 2+ 1 2R E T+ 1 2+ 1 2R 1 53 0 0 K23467U?图 2-2 信号滤波放大图 上图中电容 C5、 C6 用来滤除采样信号电压中的高频噪声，选用 0.1uF 的普通独石电容；电容 C7、 C84 用来滤除采样信号电压中的低频噪声，选用 22uF 的普通独石电容。电阻 R3、R4 选用较小的阻值，因为采样信号电压值只有毫伏级，所以其阻值不宜太大，否则导致放大器由于输入电流太小而放大效果不明显。 微弱信号 Vi1 和 Vi2 被分别放大后从 AD620 的第 6 脚输出。 A/D 转换器 ICL7135 的输入电压变化范围是 -2V +2
27、V，传感器的输出电压信号在 0 20mv 左右，因此放大器的放大倍 数在 200 300 左右，可将 R9 接成 1K 的 滑动变阻器 。由于 ICL7135 对高频干扰不敏感，所以滤波电路主要针对工频及其低次谐波引入的干扰。因为压力信号变化十分缓慢，所以滤波电路可以把频率做得很低。 图中的 LM741的输出端与 AD620的地端相连， LM741 的 2脚与 6脚相连构成电压跟随器，R15 与正负电源相接，通过改变 R15 的阻值可使 VO 与 RET 之间的压差变化，从而实现调零、去皮的功能。 2、 ICL7135 与单片机的接口 在读取 A/D 转换后的结果时，选用数据选择器作为数据读取
28、的控制器，这样简化了ICL7135 与单片机的接口电路，便于硬件设计与软件编程的实现。 在 ICL7135 进行 A/D 转换结束后输出的 /STRB 负脉冲引起 AT89S52 中断。同时在第一个/STB 负脉冲时由软件将 P1.7 口置 0，因而使 S=0，使 74LS157 的 Y （ 1Y， 2Y， 3Y， 4Y） =A（ 4A， 3A， 2A， 1A）。 AT89S52读 P1.0 P1.3 口便读得 BCD 码，此时D5=1。此后， D4， D3， D2， D1 轮流为“ 1”，即可读得千位、百位、十位和个位的 BCD 码。 前端信号处理电路设计 如图 2-6 所示 ： C10.
29、1u FC2 1u F R210 0KC30. 1u F+ 1V- 5 VC40. 1u FR610 0KV C CU13P O L6UR10OR132B25B81416P 1. 71P 1. 04P 1. 17P 1. 29P 1. 312P 1. 3158B4111B2B3B4B1A2A3A4AV C CS1Y2Y3Y4Y/GG N DU574 L S 15 7B1+512345678R E T91011D512B113B214UR28OR27P 3. 326P 1. 425G N D24P O L233Y2221D120D219D318B816B415D417V-R E FA L G C O MI N T O U TA Z I NB U F F O U TR E F C A P -R E F C A P +I N L OI N H IV+D5B1B2U N D R N GO V R N G/ S T R BR / / HP O LC L K I NB U S YD1D2D3D4B8B4G N DR?47 K1A11Y22A32Y43A53Y671413121110981A1Y2A2Y3A3YV S SV D D6A6Y5A5Y4A4YU640 69R847 0KR 105. 1KC?50 0P F1A 1Y 2A 2Y3A
