基于MCS-51的电子秤设计

基于MCS-51的电子秤设计

摘要：本文设计一种利用电阻应变式压力传感器和MCS-51单片机等器件制作的电子秤。该秤可以对200g量程范围内的物体进行称量，能实现称重、数码显示、去皮/清零等功能。该电子秤利用电桥测量原理，将压力应变传感器阻值转换为电压值，再经过放大器将电压放大，通过确定输出电压和标准重量的关系，形成一台原始电子秤。将此输出电压经过模数转换，送入MCS-51单片机处理，再控制数码管驱动电路，最后显示出测量结果。

关键词：电子秤；应变式压力传感器；电桥；放大电路；单片机

1 总体方案设计

本设计由以下几部分组成：电阻应变传感器、信号放大器、模数转换、单片机、显示器。其结构图如下所示。

由电阻应变式传感器感受被测物体的质量，通过电桥输出电压信号，通过放大电路将输出信号放大，而后送入A/D转换单元进行模数转换，将转换后的数字信号送给单片机；单片机接收数据后，对数据进行处理，将其转换为对应的重量信息，送液晶显示模块进行显示。单片机同时也可以进行去皮调零操作，因此单片机还需查寻键盘是否有输入，执行相应的功能。

2 硬件电路设计

2.1电阻应变传感器

电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。电阻应变片产生的误差，主要来源于温度的影响，本设计主要在实验室内进行，温度的影响暂不处理。

在电桥测量电路中，将一对变化相反的应变片接入电桥一臂，另一臂接两个相同的阻值作为基准值；当桥臂电阻初始值R1＝R2＝R3＝R4=350时平衡，其变化值为ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4=d时，其桥路输出电压Uout与d成正比。

2.2放大电路设计

由于传感器输出的信号比较微弱，必须通过一个放大器对其进行放大，才能满足A/D 转换器对输入信号电平的要求。本设计中选用由三运放构成的具有高输入阻抗，高共模抑制比的仪表放大器作为前级，再接一个反相比例放大器作为后级输出。另外，仪表放大电路中电阻Rw1可用于微调放大倍数；而后级放大器原接地端现在通过Rw2接入一电压值，可以对输出电平进行平移。

2.3单片机电路设计

2.3.1单片机最小系统

对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括单片机、晶振电路和复位电路。下面给出一个51单片机的最小系统电路图。

复位电路:由电容串联电阻构成,一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平.

晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的us级时歇,方便定时操作)

2.3.2模数转换与单片机接口

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS 组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

（1）引脚说明：

IN0－IN7：8条模拟量输入通道，要求信号单极性，电压范围是0－5V；

地址输入和控制线：4条

数字量输出及控制线：11条

CLK为时钟输入信号线：所需时钟信号必须由外界提供；

VREF（＋），VREF（－）：参考电压输入。

（2）工作过程：

请参考ADC0809时序图。ST为转换启动信号，当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。

（3）接口电路：

ADC0809的时钟由51 ALE信号给出；

数字量输出和51 P0口直接相接；

地址控制线同样使用P0口，用一片74373锁存地址，然后连入ADDA~ADDC，373的使能由51 ALE控制；

ADC0809各个使能端们由P2.0和读写标志口共同控制，任意写一个数时允许AD ALE 并启动转换（AD START端）；读入时应该使AD读端口使能（AD ENABLE端）；

数字量传输使用中断方式，将AD EOC接入51 INT0，转换完成后可以触发51执行中断程序。

这样连接的ADC由于使用51 P2.0口和AD IN0，地址应该是0xFEF8；实际使用的实验箱中有唯一地址译码器，地址为0xcfa0；另外，实验箱部分电路已经连好，包括51最小系统和AD、显示输出的必要连线，Vref也已经连为5V不能改变。

2.3.3显示输出单元与单片机接口

利用8279键盘显示接口电路和实验箱上提供的数码显示，可以完成该功能。利用8279可实现对键盘/显示器的自动扫描，以减轻CPU的负担，且具有显示稳定、程序简单、不会出现误动作等特点。8279操作命令字较多，根据需要来灵活使用。

实验箱中数码显示地址为0xcfe8，将七段显示编码送入即可；显示控制单元地址为0xcfe9，可以控制输出到哪一位数码显示块上。

2.3.4去皮清零键与单片机的接口

将一手动控制的高低电平信号（手动单脉冲）送入单片机P1.0口，通知单片机进行去皮操作。

2.4 Protel与PCB制版

使用Protel进行PCB制版时应遵循相应的步骤。

（1）连接原理图，选好参数以及封装，还可以对放大部分进行仿真

（2）电器检查

（3）新建pcb图

（4）创建NET表，导入/更新pcb图

（5）排位置，自动布线

（6）手动修补，完成设计

3软件与算法设计

3.1数据采集与放大倍数

传感器输入：选择一个合适的电桥基准电压，传感器电桥输出电压为300.50mV~301.45mV，对应0~20g重物，平均每克变动不到0.1mV；由于它的变动范围很小，因而设计300mV的偏移量，不让其在0 mV上下变动，以减少运放零漂的影响。

输出到AD：ADC0809的Vref在实验箱内已经设定为5V，因而其分辨率约为5V/256=20mV。

这样，信号的放大倍数应该在200~400左右。为了使输出更准确，使用+/-15V电源给