基于单片机的电子秤设计

基于单片机的电子秤设计

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。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，再配以键盘、显示电路及强大软件来组成。电子称在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，广泛应用于商业、工厂生厂、集贸市场、超市、大型商场等公共场所的信息显示和重量计算。

本系统针对电子称的自动称重、数据处理等进行了设计和制作。为了阐明用单片机是如何对采样数据进行处理，在本文中对数据的采集和转换、计算问题进行了研究，讨论了单片机控制系统中关键的计算问题。本文在给出智能电子称硬件设计的基础上，详细分析了电子称的软件控制方法，从而实现电子秤的各种自动控制功能。

关键词：电子称；单片机；称重传感器

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目 录

第一章 绪 论 ................................................................................................................................................ 1

1.1引言 ................................................................................................................................................. 1 1.2 选题背景和意义............................................................................................................................. 1 1.3 国内外电子称发展及成果 ............................................................................................................. 2 1.4 本论文的研究内容 ......................................................................................................................... 3 第二章 系统方案设计................................................................................................................................... 4

2.1 系统总体设计方案 ......................................................................................................................... 4 2.2 硬件的方案设计............................................................................................................................. 4

2.2.1 传感器................................................................................................................................. 4 2.2.2 前级放大器部分 ................................................................................................................. 6 2.2.3 信号转换............................................................................................................................. 8 2.2.4 控制单片机的选型 ............................................................................................................. 8 2.2.5 显示模块............................................................................................................................. 8 2.2.6 键盘输入............................................................................................................................. 9 2.2.7 电源模块........................................................................................................................... 10 2.3 具体实施方案简介 ....................................................................................................................... 12 第三章 系统硬件设计............................................................................................................................... 13

3.1 主控电路 ...................................................................................................................................... 13

3.1.1单片机芯片简介 ................................................................................................................ 13 3.1.2 引脚说明........................................................................................................................... 13 3.1.3 电路具体设计 ................................................................................................................... 15 3.2信号放大电路................................................................................................................................ 16

3.2.1芯片INA126简介 .............................................................................................................. 16 3.2.2 INA126特点及引脚说明 .................................................................................................. 16 3.2.3 具体电路设计 ................................................................................................................... 17 3.3 信号转换电路............................................................................................................................... 17

3.3.1双积分式ADC基本原理 .................................................................................................... 17 3.3.2硬件电路图 ........................................................................................................................ 18 3.3.3转换过程............................................................................................................................ 19

第四章 系统软件设计................................................................................................................................. 21

4.1 C语言在单片机中的应用 ............................................................................................................ 21 4.2电子秤的软件设计与实现 ............................................................................................................ 22 4.3主程序流程图................................................................................................................................ 22 4.4子程序设计 ................................................................................................................................... 23

4.4.1 A/D转换启动及数据读取程序设计 ................................................................................ 23 4.4.2显示子程序设计 ................................................................................................................ 24 4.4.3键盘扫描子程序的设计 .................................................................................................... 24

结 论 .......................................................................................................................................................... 26 参考文献 ...................................................................................................................................................... 27

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第一章 绪 论

1.1引言

在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着计量技术和电子技术的发展，传统的机械结构式杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置式电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子秤向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件需求的增加。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。

1.2 选题背景和意义

称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，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，衡器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。

电子秤作为重技术中的一种新型代表，广泛应用于各种场合。电子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用价值强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，提高劳动生产率。随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和性的影响。从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计

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价秤。我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展：电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。

1.3 国内外电子称发展及成果

随着第二次世界大战后的经济繁荣，为把称重技术引入到生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化。为此，电子技术渗入衡器制造业。在1954年出现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、又粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。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。

我国的衡器在20世纪40年代以前还全是机械式的，40年代开始发展了机电结合式的衡器。50年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。80年代以来，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。

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1.4 本论文的研究内容

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V/F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。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。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和双积分转换部分组成。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。

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第二章 系统方案设计

2.1 系统总体设计方案

鉴于电子秤的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了如下设计方案。

前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，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。

结构简图如下图所示：

电子称系统的组成结构图

目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整流后送入单片机，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。

2.2 硬件的方案设计

2.2.1 传感器

传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知与获取检测信息的窗口。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一

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切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号，因此，传感器的地位与作用显得尤为重要。

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。电阻应变片是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。电阻应变片既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，Ein接直流电源E：

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：

uouBDuABuAD （2.1）

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R1R4)R1R2R3R4R1R3R2R4E= （2.2） (R1R2)(R3R4)E(当满足条件R1R3=R2R4时，即

R1R2R4R3（2.3）

uo=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，则电桥输出为：

(RR)2Euo(RR)(RR)(RR)(RR)RERkE

(RR)2

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。 2.2.2 前级放大器部分

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、控制或进行信号转换。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基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，内阻高，

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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、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。

本设计采用专用仪表放大器INA126，此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。

INA126接口如下图所示：

INA126仪表放大结构图

放大器增益 ，通过改变RG的大小来改变放大器的增益。INA126 具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。其最大输入偏置电流为20nA，这一参数反映了它的高输入阻抗。INA126在外接电阻RG时，可实现1~1000范围内的任意增益；工作电源范围为±（2.3~18）V；最大电源电流为1.3mA；最大输入失调电压为125V；

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频带宽度为120kHz（在G=100时）。 2.2.3 信号转换

采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Ｖi，Ｖi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间Ｔ的正向积分，时间Ｔ到后，开关再接通与Ｖi极性相反的基准电压ＶＲＥF，将ＶＲＥF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Ｖi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Ｖi所对应的数字量，实现了A/D转换。

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。 2.2.4 控制单片机的选型

作为产品大批量生产的应用系统，所选的单片机型号必须有稳定、充足的货源。因此选用8051系列单片机。8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。其主要由处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、串行接口、并行I/0接口、定时/计数器、中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线组成。 2.2.5 显示模块

方案一 LED显示

LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

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LED显示器结构：

基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。可实现0～9的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等。

LED显示器与显示方式:

LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。通常使用的是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接。

LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示方式。在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。其中两片74LS244分别用于段信号和位信号的驱动，74LS273用于段信号的锁存，其锁存地址为7FFFH。

LED数码管显示方式

2.2.6 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。操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。因此键盘模块设计的好

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坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。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。

矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。例如，用2×2的行列结构可构成4个键的键盘，4×4行列结构可构成16个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活。

4×4矩阵键盘

2.2.7 电源模块

系统需要多种电源，单片机需要＋5V电源，运放需要±5V，V/F转换器需要±12V，传感器需要＋5V以上的线性电源。

稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p

等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理地选择这些器件。

稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程

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度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。

此次设计的稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图：

稳压电源组成图

采用7805、7905、7812和7912组成稳压电路。7805、7905固定式三端稳压器可输出±5V,固定式三端可调稳压器7812和7812组装电路可对称输出±12V，其电路图如图所示：

LM317与LM337组装电路

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2.3 具体实施方案简介

根据以上设计方案，硬件部分采用8051系列单片机为控制核心部件，实现电子秤的基本控制功能。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。系统的硬件部分不仅包括以单片机为核心的最小系统部分，而且还包括数据采集、人机接口界面、系统电源部分。

数据采集部分由压力传感器、信号放大处理和双积分转换部分组成。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，利用大的电解电容滤除低频干扰。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INA126。在选择双积分A/D转换器时根据系统精度的要求，应选择具有抗干扰能力A/D转换器，作为电子秤的系统对 A/D转换的速度要求不高，但转换精度应足以满足系统的误差要求。

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。显示采用LED显示器，来满足电子秤在称重测量时的显示要求。

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第三章 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。

3.1 主控电路

3.1.1单片机芯片简介

8051系列单片机芯片采用ATC51芯片，芯片功能介绍及设计：ATC51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，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ATC51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。此外，ATC51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停止工作，但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.1.2 引脚说明

ATC51芯片图如图：

ATC51 的引脚图

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VCC：供电电压。 GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，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进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的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，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。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行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。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：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，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ATC51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

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P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

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。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，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。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，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禁止，置位无效。

/PSEN：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。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.1.3 电路具体设计

最小系统电路图

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3.2信号放大电路

3.2.1芯片INA126简介

INA126 是精密低噪声差分信号采集仪表放大器，内部采用两个运放设计，使之具有非常低的静态电流 (175μA) 和有很宽电源供电范围 (±1.35～±18) V ，可用于便携式仪表和数据采集系统。INA126 的增益通过外部电阻设置，增益范围从 5V/V to 10000V/V 。激光平衡输入电路提供低偏移电压、低温漂偏移电压和良好的共模抑制比。 3.2.2 INA126特点及引脚说明

（1）INA126 器件特点： 低静态电流： 175μA/chan 宽电压范围： ±1.35V to ±18V 低偏移电压： 250μVmax 低温度漂移： 3μV/ °Cmax 低噪声： 35nV/ √ Hz

低输入偏移电流： 35nV/ √ Hz INA126引脚图如下：

INA126 引脚图

（2）引脚说明

1、8脚：接电位器，控制放大倍数 2脚： 差分输入负端 3脚： 差分输入正端 4脚： 电源输入负端，-5V 5脚： 接地端

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6脚： 单端输出端 7脚： 电源输入正端，+5V 3.2.3 具体电路设计

INA126 电路设计图

3.3 信号转换电路

3.3.1双积分式ADC基本原理

双积分式A/D转换电路如下图1所示，运放A1、R、C用来组成积分器，运放A2作为比较器。电路先对未知的模拟输入电压U1进行固定时间T1的积分，然后转为对标准电压U0进行反向积分，直到积分输出返回起始值，反向积分时间为T0。如图2所示，输入电压U1越大，则反向积分时间越长。整个采样期间，积分电容C上的充电电荷等于放电电荷，由于U0及T1均为常数，因而反向积分时间T0与输入模拟电压U1成正比，此期问单片机的内部计数器计数值与信号电压的大小成正比，此计数值就是U1所对应的数字量。

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3.3.2硬件电路图

如图3所示，运放A1、R、C构成积分电路，C常取0.22μF的聚丙烯电容，R常取500KΩ左右，A2是电压跟随器，为电路提供稳定的比较电压，运放 A3作为电压比较器，保证A／D转换电平迅速翻转，CD4051是多路选择开关，单片机P1.0、P1.1、P1.2作为输出端口，控制其地址选择端A、B、C选择不同的通道输入到积分器A1，U为将要进行A／D转换的模拟输入电压，Uin为积分器的输入电压，U0为比较电压，U1为基准电压，为使A／D 转换结果具有更高的精度，基准电路应该提供精确的电压，建议使用精度为1％的精密电阻，单片机使用C51，其内部定时器T0为积分电路提供精确的时间定时，计数器T1用来记录反向积分时间，INT0用来检测比较器电平变化。所需测量的模拟输入信号和零点参考电压以及基准电压接到多路选择开关的输入端，通过单片机中的程序控制，轮流选择接入各路输入信号，通过积分电路分别和固定电压进行定时或定值积分。

积

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分电路的输出信号作为比较器的输入信号与比较电压进行比较，当比较器输出翻转信号时，CPU计数器停止计数，从而获得零点参考电压的计数值，对这个数据进行处理计算后，完成A／D转换。 3.3.3转换过程

为了给积分电路提供积分零点，在系统上电阶段，积分电路先接通GND，待比较器输出为低电平时，再对积分电路进行一段时间的放电，以使得积分电容零电荷。因此双积分电路的工作过程分为三个阶段：

（1）清零阶段：当比较器输出低电平时，积分电容上聚集了大量电荷，必须对其放电为后续的A／D转换提供精确的零起始点。即对U0进行定值积分，由

由此可见放电时间根据U0、U1、R、C具体值而定。

（2）积分阶段：对模拟输入电压Uin进行固定时间积分，积分时长T1，由A／D的精度决定，

精度越高积分时间越长，此阶段积分器的输出电压越大。

（3）比较阶段：对模拟输入电压进行定时积分后，再对零电平进行反向积分直到比较器的输出发生翻转，此阶段积分器的输出电压为由比较器原理得U10=U1，

由此可得

其中T1、U0、R、C、U1均为常数，即对零电平的积分时间T0与模拟输入电压U成正比，T0即为所求值。具体转换波形如图4所示:

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第四章 系统软件设计

在单片机应用系统的开发中，软件的设计是最复杂和困难的，大部分情况下工作量

都较大，特别是对那些控制系统比较复杂的情况。如果是机电一体化的设计人员，往往需要同时考虑单片机的软硬件资源分配。本系统的软件设计主要分为系统初始化、按键、显示处理及信号频率输入处理。

程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法。其步骤可概括为以下三点：

（1）分析系统控制要求，确定算法：对复杂的问题进行具体的分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的步骤。这是能否编制出高质量程序的关键。

（2）根据算法画流程图：画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。

（3）编写程序：根据程序框图所表示的算法和步骤，选用适当的指令排列起来，构成一个有机的整体，即程序。

程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法。结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的，特别是转向语句(或指令)的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、下文顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错误和易于修改、调试。根据系统的控制任务，本系统的软件设计主要由主程序、初始化程序、显示子程序、数据采集子程序等组成。

4.1 C语言在单片机中的应用

C语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上非常流行。它既可以用来编写计算机的系统程序，也可以用来编写一般的应用程序。以前计算机的系统软件主要用汇编语言编写，单片机应用系统更是如此。C语言是当前最流行的程序设计语言，它像其它高级语言一样，面向用户，面向解题的过程，编程者不必熟悉具体的计算机内部结构和指令；C语言又像汇编语言一样，可以对机器硬件进行操作。如进行端口I，0操作、位操作、地址操作，并可内嵌汇编指令，将汇编指令当作它的语句一样。我们知道，汇编语言将涉及计算机硬件，所以C语言又像低级语言一样，可以对计算机硬件进行控制，

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因此人们把它称为介于高级语言与低级语言之间的一种中级语言。正是因为C语言具有这样的特性，所以很适合编写要对硬件进行操作的软件程序。本文采用C语言进行编写．因为此系统软件比较大，其存储量较大，因此必须应用C语言编程了。

4.2电子秤的软件设计与实现

电子秤软件设计均采用模块化设计，整个程序包括主程序、定时中断程序、INTO中断程序按键程序、数据处理子程序(双字节乘法、二一十进制转换程序及逆转换程序)、LCD十六位液晶静态显示子程序等模块。所有程序均采用C汇编语言编写。电子计价秤的软件设计思路说明如下：主程序的作用为程序初始化，计算单价和单重(单价和单重分别在定时中断程序和INT0外部中断程序中获得)，并时时显示十进制的单重、单价、总价。设定T0为计数工作方式，T1为定时工作方式。其中R0为标志位寄存器当为OOH时为正常显示方式。当为01H时为累计显示方式，在T1定时中断程序中。一秒钟采样物料重量(已转成脉冲频率)，并赋值重量计算RAM区和显示RAM区。在INTO外部中断程序中，采样单价并赋值单价计算。

4.3主程序流程图

主程序流程图给出了系统工作的基本过程，描述了信号的基本流向，起到一个向导的作用。

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主程序流程图

4.4子程序设计

4.4.1 A/D转换启动及数据读取程序设计

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。设计流程图如下图所示。

信号读取及处理程序

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4.4.2显示子程序设计

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。设计流程图如图所示。

显示子程序流程图

4.4.3键盘扫描子程序的设计

键盘电路设计成4X4矩阵式，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。设计流程图如图所示。

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键盘扫描子程序流程图

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结 论

随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步被智能仪器所取代。智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。

一、 主要工作及结论

1、熟悉ATC51单片机功能及工作特性，掌握其接口扩展方法。

2、通过对数据采集的分析，了解了各种传感器、放大器及A/D转换器和V/F转化器对信号的转换、传输有了更深的认识。

二、 存在的问题

1、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。

2、系统设计不够优化，有待改善。比如系统的超量程信号直接由单片机送入报警电路，没有设计保护电路再入单片机处理后送入报警电路。

3、没有扩展更多电路，如日历时钟电路、通讯接口电路等。

在整个毕业设计过程中，我对所学的知识有了一个系统的认识和理解，尤其是对本课题所用到的单片机及其相关知识有了进一步的掌握，对利用单片机进行控制系统的设计与开发，以及对系统的分析和问题的解决有了切身的认识和体会，正所谓学以致用，在此实践过程中增长了知识、丰富了经验，提高了解决问题的能力。系统的分析与设计过程是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。尽管系统的分析和设计是项很辛苦的工作，但同时也是一个充满乐趣的过程，在设计过程中，通过将理论和实际紧密结合起来，边学习、边实践，遇到新问题不断探索和努力，最后才能选择出最佳的方案与结论以使问题得到解决。

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参考文献

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[2] 陈日兴.数字式称重传感器的智能化功能演变与发展综述.中国计量.2011, 1: [3] 楼然苗. 51些列单片机设计实例. 北京航天航空出版社.2003: [4] 阎石. 数字电子技术基础. 高等教育出版社，2006：

[5] 魏立峰.王宝兴.单片机原理与应用技术.北京大学出版社，2006: [6] 童诗白.华成英.模拟电子技术基础.北京高等教育出社,2001

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