基于AT89C51單片機(jī)的電子計(jì)價(jià)秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，衡器技術(shù)也在不斷進(jìn)步和提高。從世界水平看，衡器技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)階段，從傳統(tǒng)的全部由機(jī)械元器件組成的機(jī)械秤到用電子線路代替部分機(jī)械元器件的機(jī)電結(jié)合秤，再?gòu)募呻娐肥降侥壳暗膯纹瑱C(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電子計(jì)價(jià)秤。

2、電子計(jì)價(jià)秤實(shí)現(xiàn)的基本功能

本次設(shè)計(jì)的電子計(jì)價(jià)秤最大稱(chēng)重6kg，精確并顯示到0.1g，適用于商業(yè)零售小重量稱(chēng)重部門(mén)，亦可以作為電子天平測(cè)微重量使用。它能夠快速準(zhǔn)確地時(shí)時(shí)地顯示單重、單價(jià)，并自動(dòng)計(jì)算總價(jià)（總價(jià)=單價(jià)×單重），并帶有費(fèi)用累計(jì)功能，最多累計(jì)次數(shù)50次。該電子計(jì)價(jià)秤帶有16位液晶顯示和14個(gè)按鍵功能，并附帶越限（超出6kg）報(bào)警電路和看門(mén)狗自動(dòng)復(fù)位電路。

3、電子計(jì)價(jià)秤的硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3．1應(yīng)變片式傳感器及其測(cè)量放大電路

導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外界作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，其阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“應(yīng)變效應(yīng)”。根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)材料上，使其在受到外界應(yīng)力作用時(shí)，引起應(yīng)變片的變形，并使其阻值發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量雙差動(dòng)全橋電路將應(yīng)變片阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的輸出，就可確定被測(cè)材料機(jī)械量的變化。

我們根據(jù)傳感器理論可知,設(shè)一長(zhǎng)為L(zhǎng)、截面積為S、電阻率為ρ的電阻絲，已知其阻值為R=ρ 當(dāng)電阻絲L方向兩端有機(jī)械應(yīng)力F時(shí)，ρ,l,s都會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻發(fā)生變化,其金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)K為K= =1+2μ+c(1-2μ)  比例系數(shù)μ稱(chēng)為泊松比，c為金屬晶格結(jié)構(gòu)的比例系數(shù)，一般在-12(鎳)～+6(鉑)范圍。在彈性形變范圍內(nèi)，K決定于泊松比μ和比例系數(shù)c；在塑性形變范圍內(nèi)，因μ=0.5，所以K=2。

在電子計(jì)價(jià)秤的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)變式傳感器包括兩個(gè)主要部分，一個(gè)是彈性敏感元件亦稱(chēng)彈性體，利用它把被測(cè)物理量重量轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值。我們采用鋁合金作為彈性體的材值。另一個(gè)是應(yīng)變片，由于金屬材料的應(yīng)變片的穩(wěn)度穩(wěn)定性好，在很大范圍內(nèi)保持常數(shù)，所以一般采用金屬電阻應(yīng)變片。并且電子計(jì)價(jià)秤在秤臺(tái)結(jié)構(gòu)上一個(gè)顯著的特點(diǎn)是一個(gè)相當(dāng)大的秤臺(tái)只在中間裝置一塊專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的傳感器組來(lái)感應(yīng)物料重量。當(dāng)秤臺(tái)上放置物料時(shí)，應(yīng)變片產(chǎn)生電阻應(yīng)變△R（應(yīng)變片受拉時(shí)為R+△R，應(yīng)變片受壓時(shí)為R-△R），為了顯示和記錄，通常將應(yīng)變片組成雙差動(dòng)全橋電路.雙差動(dòng)全橋電路具有較高的靈敏度，良好的線性關(guān)系和適應(yīng)溫度變化的補(bǔ)償能力。如圖3.1所示即采用兩片受壓，兩 片受拉的四片應(yīng)變片，且使相同受力狀態(tài)的兩應(yīng)變片接入電橋的相對(duì)臂上。設(shè)R1=R2=R3=R4，且△R1=△R2=△R3=△R4，則此時(shí)輸出電壓為U=US•△R1/R1。電橋的電壓靈敏度S= = US    可見(jiàn)，全橋雙差動(dòng)電路的電壓靈敏度為US。同時(shí)完全線性。在全橋電路后面加了一級(jí)由AD521測(cè)量放大器單芯片集成電路。放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)范圍為0.1-1000,，并且具有高精度，高速度，高共模抑制比，防止低噪聲漂移等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)全橋雙差動(dòng)和放大電路處理后，我們得到U=kW的線性比例關(guān)系，K=1v/kg，即1g輸出為1mv，1kg輸出為 1v，滿(mǎn)量移6v。

3.2信號(hào)預(yù)處理電路：

信號(hào)預(yù)處理電路的系統(tǒng)框圖如圖3.2,說(shuō)明如下：LM331芯片組成的v/f變換電路具有價(jià)格低，精度高，編程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

在電子計(jì)價(jià)秤設(shè)計(jì)中可作為 A/D轉(zhuǎn)換電路（由于較多文章及書(shū)籍介紹此電路，在此不多介紹。其突出的特點(diǎn)是把模擬電壓轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強(qiáng)的脈沖串。Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換過(guò)程是對(duì)輸入信號(hào)的不斷積分，它需要被測(cè)信號(hào)提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電流，因干擾信號(hào)不能提供電流而被濾掉。另外，Ｖ／Ｆ變換與計(jì)算機(jī)接口很容易采用光耦隔離。信號(hào)頻率輸出范圍為 1Hz→10KHz，最大非線性誤差為 0.01%,由于在軟件中，單片機(jī) AT89C51一秒鐘采樣脈沖信號(hào)，由于采樣信號(hào)范圍較寬（1Hz→6KHz），為了提高低頻區(qū)的測(cè)量準(zhǔn)確度，我們決定采用10倍倍頻電路擴(kuò)頻10倍，其中10倍倍頻電路由鎖相環(huán)芯片CC4046和一個(gè)10分頻器CC4518芯片組成。為了減少通道及電源的干擾，在其中加了整形和光耦隔離（由4N28組成）電路，至此經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理電路我們得到了 F=10W關(guān)系的脈沖串送入AT89C51的T0定時(shí)/計(jì)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。比例關(guān)系為（1g→1mv→10Hz），滿(mǎn)量程（6kg→6v→60kHz）。

3．3、AT89C51液晶驅(qū)動(dòng)芯片7211AM及 16位LCD液晶顯示

在電子計(jì)價(jià)秤中正常顯示情況下，須時(shí)時(shí)顯示單價(jià)、單重、總價(jià)，例：6.7元/千克*4.1259千克=27.6 元，此時(shí)單價(jià)顯示6.7元/千克.單重顯示4.1259千克、總價(jià)顯示27.6 元  ，在累計(jì)費(fèi)用情況下，須顯示ADD標(biāo)志累計(jì)字符、費(fèi)用總價(jià)、費(fèi)用累計(jì)次數(shù)。例：累計(jì)到第四次，總金額為701.9元. 此時(shí)單價(jià)顯示4表示第四次累計(jì).單重顯示ADD累計(jì)符、總價(jià)顯示701.9元。

本次設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)16位液晶LCD靜態(tài)顯示方式，(液晶顯示器(LCD)具有功耗低、體積小、重量輕、超薄,無(wú)閃爍等許多其它顯示器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn))驅(qū)動(dòng)芯片為4片INTERSIL公司的ICM7211AM芯片，占用AT89C51單片機(jī)的P0口和P2口的部分I/O。如圖3.3原理圖所示。四片ICM7211AM的BP連在一起，            

接到LCD的背極BP，一片7211AM芯片的OSC端接16kHz的晶振信號(hào)，以產(chǎn)生125Hz的BP信號(hào)，其余芯片的OSC端接地。各片的段輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)接到LCD各位的7個(gè)段。各片CS(—)1端作為本芯片的片選端對(duì)應(yīng)P2.4-P2.7數(shù)據(jù)線，CS(—)2作為寫(xiě)有效信號(hào)端，連到AT89C51的WR(—)上。各片的數(shù)據(jù)輸入B0-B3和位選輸入DS1和DS2  分別連到數(shù)據(jù)總線P0口。編程也較簡(jiǎn)單，             

只要向口地址中寫(xiě)入二位位選碼和4位BCD碼，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)位的顯示 。

3.4、鍵盤(pán)專(zhuān)用芯片74C922及12個(gè)按鍵矩陣組設(shè)置。

在電子計(jì)價(jià)秤中，帶有12個(gè)按鍵矩陣組設(shè)置，其中0—9數(shù)字鍵用于輸入單價(jià)，DEL用于單價(jià)清空，累計(jì)鍵用于費(fèi)用累計(jì)，鑒于此，我們采用專(zhuān)用鍵盤(pán)管理芯片74C922。74C922為CMOS工藝技術(shù)制造，工作電壓為3—15V，“二鍵鎖定”功能，編碼輸出為三芯輸出，可直接與微處理器數(shù)據(jù)線相連，內(nèi)部振蕩器完成4×4矩形鍵盤(pán)掃描，有  按鍵時(shí)，DA變高，通過(guò)非門(mén)接到AT89C51的INT0口，并且設(shè)INT0為邊沿觸發(fā)方式，當(dāng)DA變高時(shí)，經(jīng)過(guò)非門(mén)變?yōu)榈碗娖教儺a(chǎn)生INT0外部中斷，通知AT89C51從數(shù)據(jù)總線讀鍵值，判斷鍵值從而完成相應(yīng)的散轉(zhuǎn)程序功能。根據(jù)接線圖及74C922芯片真值表，我們知道，鍵0­—9對(duì)應(yīng)ABCD 輸出（0000—1001），鍵DEL對(duì)應(yīng)ABCD輸出（1010），鍵累計(jì)對(duì)應(yīng)ABCD輸出（1011），接線圖見(jiàn)圖3.4另外在電子計(jì)價(jià)秤的面盤(pán)上有電源開(kāi)關(guān)POWER和手動(dòng)復(fù)位按鍵RESET，此外不多述。

3.5 越限（超出6kg）報(bào)警電路和看門(mén)狗自動(dòng)復(fù)位電路。

當(dāng)承重越限（超出6kg）時(shí)，全橋放大電路輸出電壓大于6V，報(bào)警電路由電壓比較電路和三級(jí)管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器電路組成，此處不多贅述?？撮T(mén)狗自動(dòng)復(fù)位電路由可重觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器4538設(shè)計(jì)而成，4538內(nèi)部有兩個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器功能部件，采用軟件置位AT89C51的P1.7管腳定時(shí)喂狗，如軟件跑飛，則軟件不能及時(shí)喂狗，第一個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器不能及時(shí)觸發(fā)，延時(shí)τ=RC秒后，其達(dá)穩(wěn)態(tài)，利用此下降沿觸發(fā)另外一個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器（其輸出接AT89C51的RESET 端），只要有10秒的暫穩(wěn)態(tài)高電平，即可復(fù)位單片機(jī)。可見(jiàn)，本次設(shè)計(jì)的電子計(jì)價(jià)秤除設(shè)手動(dòng)復(fù)位鍵外,還配備看門(mén)狗自動(dòng)復(fù)位電路, 防止軟件跑飛,雙重保險(xiǎn),抗干擾性能強(qiáng). 

4、電子計(jì)價(jià)秤的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電子計(jì)價(jià)秤軟件設(shè)計(jì)均采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)程序包括主程序、定時(shí)中斷程序、INT0中斷程序按鍵散轉(zhuǎn)程序、數(shù)據(jù)處理子程序（雙字節(jié)乘法、二—十進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序及逆轉(zhuǎn)換程序）、LCD十六位液晶靜態(tài)顯示子程序等模塊。所有程序均采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。電子計(jì)價(jià)秤的軟件設(shè)計(jì)思路說(shuō)明如下：主程序的作用為程序初始化，計(jì)算單價(jià)*單重(單價(jià)和單重分別在定時(shí)中斷程序和INT0外部中斷程序中獲得)，并時(shí)時(shí)顯示十進(jìn)制的單重，單價(jià)，總價(jià)。設(shè)定T0為計(jì)數(shù)工作方式，T1為定時(shí)工作方式。其中R0為標(biāo)志位寄存器當(dāng)為00H時(shí)為正常顯示方式，當(dāng)為01H時(shí)為累計(jì)顯示方式，在T1定時(shí)中斷程序中，一秒鐘采樣物料重量（已轉(zhuǎn)成脈沖頻率），并賦值重量計(jì)算RAM區(qū)和顯示 RAM區(qū)。在INT0外部中斷程序中，采樣單價(jià)并賦值單價(jià)計(jì)算RAM區(qū)和顯示RAM區(qū)。其中設(shè)R1為標(biāo)志位寄存器，表示單價(jià)最大為99.9元，最多只能送三位，若再按鍵，則無(wú)效。設(shè)R2為標(biāo)志位寄存器，表示累計(jì)金額時(shí)為最多50次，超過(guò)50次最后的顯示為第50次累計(jì)金額。內(nèi)部30H-5FHRAM分配為單價(jià)，單重，總價(jià)，累計(jì)總價(jià)的計(jì)算和顯示RAM區(qū)，此處不多贅述。由于篇幅所限，此處只給出主程序流程圖如圖4.1所示：

5、結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上所述的電子計(jì)價(jià)秤的軟硬件設(shè)計(jì)方法，我們開(kāi)發(fā)出了樣機(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該儀器能讀數(shù)精確、穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行測(cè)試重量，時(shí)時(shí)顯示單重、單價(jià)、總價(jià)及具有金額累計(jì)功能，達(dá)到了預(yù)期要求。                                                                                                                     

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