单片机电子钟设计任务书（通用10篇）
一、课程设计的主要内容和要求 ……………………………………………… 1
二、实现原理等知识的介绍 …………………………………………………… 2 2.1电子时钟的设计
2.2单片机识的相关知识
三、系统的总体方案设计说明;3.1总体设计方案 3.2总设计原理框图
四、具体实现步骤的设计说明;
五、单片机系统程序的编制;
六、测量过程的操作说明,原始测量数据的记录;
七、结论及存在问题;
八、心得体会总结;
九、参考文献。
一、主要内容和要求 主要内容:设计一个数字式电子钟,它具有时,分,秒的计时功能,可以 通过键盘进行时间设定, 并且将时间显示在 LED 数码管上。用按键设定时钟的时、分、秒,用扫描方式动态显示。时钟用定时中断方式工作,单片机晶体震荡器频 率 11.0592Mhz.。可选做双机通信实验, 实现子母钟功能, 即由其中一台做时钟, 另一台采集时钟值并显示。对于基本题目要求是: 用按键设定时钟的时、分、秒。要求用 4键方式,即选择、加、减、确认键, 选择键用于选择修改起始时、分、秒值,每按一次,被修改数码管顺序移动并闪 烁。用 +,键修改数值,确认键确定后秒位清零,修改结束。
2.2单片机的相关知识 1单片机简介
单片机全称为单片机微型计算机(Single Chip Microsoftcomputer。从应用领 域来看,单片机主要用来控制,所以又称为微控制器(Microcontroller Unit或 嵌入式控制器。单片机是将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上的微型 计算机。单片机的发展史 3 4位单片机
1975年,美国德克萨斯仪器公司首次推出 4位单片机 TMS-1000;此后,各 个计算机公司竞相推出四位单片机。日本松下公司的 MN1400系列,美国洛 克威尔公司的 PPS/1系列等。四位单片机的主要应用领域有:PC 机的输入装 置,电池充电器,运动器材,带液晶显示的音 /视频产品控制器,一般家用 电器的控制 8位单片机
1972年,美国 Intel 公司首先推出 8位微处理器 8008,并于 1976年 9月率 先推出 MCS-48系列单片机。在这以后, 8位单片机纷纷面市。例如,莫斯特克 和仙童公司合作生产的 3870系列, 摩托罗拉公司生产的 6801系列等。随着集成 电路工艺水平的提高,一些高性能的 8位单片机相继问世。例如, 1978年摩托 罗拉公司的 MC6801系列及齐洛格公司的 Z8系列, 1979年 NEC 公司的 UPD78XX 系列。这类单片机的寻址能力达 64KB ,片内 ROM 容量达 4--8KB ,片内除带有并 行 IO口外,还有串行
IO口,甚至还有 AD转化器功能。8位单片机由于功能 强,被广泛用于自动化装置、智能仪器仪表、智能接口、过程控制、通信、家用 电器等各个领域。16位单片机
1983年以后,集成电路的集成度可达几十万只管 /片,各系列 16位单片机 纷纷面市。这一阶段的代表产品有 1983年 Intel 公司推出的 MCS-96系列, 1987年 Intel 推出了 80C96,美国国家半导体公司推出的 HPC16040, NEC 公司推出的 783XX 系列等。16位单片机主要用于工业控制, 智能仪器仪表, 便携式设备等场 合。32位单片机
随着高新技术只智能机器人, 光盘驱动器,激光打印机,图像与数据实时处 理,复杂实时控制,网络服务器等领域的应用与发展, 20世纪 80年代末推出了 32位单片机,如 Motorlora 公司的 MC683XX 系列, Intel 的 80960系列,以及近年来流行的 ARM 系列单片机。32位单片机是单片机的发展趋势,随着技术的发 展及开发成本和产品价格的下降,将会与 8位单片机并驾齐驱。64位单片机
近年来, 64位单片机在引擎控制,智能机器人,磁盘控制,语音图像通信, 算法密集的实时控制场合已有应用, 如英国 Inmos 公司的 Transputer T800是高性
能的 64位单片机。2.2.3单片机的特点
1单片机的存储器 ROM 和 RAM 时严格区分的。ROM 称为程序存储器,只存 放程序,固定常数,及数据表格。RAM 则为数据存储器,用作工作区及存放用 户数据。采用面向控制的指令系统。为满足控制需要,单片机有更强的逻辑控制能 力,特别是单片机具有很强的位处理能力。
3单片机的 I/O口通常时多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限,为了 解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾, 采用了引脚功能复用的方法, 引脚处于 何种功能,可由指令来设置或由机器状态来区分。单片机的外部扩展能力很强。在内部的各种功能部件不能满足应用的需 求时,均可在外部进行扩展, 与许多通用的微机接口芯片兼容, 给应用系统设计 带来了很大的方便。
2.2.4数码管显示工作原理
LED 数码管分共阳极与共阴极两种,其工作特点是,当笔段电极接低电平,公共阳极 接高电平时,相应笔段可以发光。共阴极 LED 数码管则与之相反,它是将发光二极管的阴 极(负极 短接后作为反映出半导体材料的特性。常见管芯材料有磷化镓(GaP、砷化镓(GaAs、磷砷化镓(GaAsP、氮化镓(GaN等,其中氮化镓可发蓝光。发光颜色不仅与管芯材料有关, 还与所掺杂质有关,因此用同一种管芯材料可以制成发出红、橙、黄、绿等不同颜色的数码 管。其他颜色 LED 数码管的光谱曲线形状与之相似,仅入,值不同。LED 数码管的产品中, 以发红光、绿光的居多、这两种颜色也比较醒目。
LED 数码管等效于多只具有发光性能的 PN 结。当 PN 结导通时,依靠少数载流子的注 人及随后的复合而辐射发光, 其伏安特性与普通二极管相似。在正向导通之前, 正向电流近似于零,笔段不发光。当电压超过开启电压时,电流就急剧上升,笔段发光。因此, LED 数码管属于电流控制型器件,其发光亮度 L(单位是 cd /m2 与正向电流 IF 有关,用公式表 示:L=KIF即亮度与正向电流成正比。LED 的正向电压 U ,则与正向电流以及管芯材料有 关。使用 LED 数码管时,工作电流一般选 10mA 左右/段,既保证亮度适中,又不会损坏 器件。
三、系统的总体方案设计说明 3.1总体设计方案
本次设计时钟电路,使用了 ATC89C52单片机芯片控制电路,单片机控制电 路简单且省去了很多复杂的线路, 使得电路简明易懂, 使用键盘键上的按键来调 整时钟的时、分、秒,用一扬声器来进行定时提醒,同时使用汇编程序来控制整 个时钟显示,使得编程变得更容易,这样通过四个模块:按键、芯片、扬声器、LED 数码管即可满足设计要求。
3.2总设计原理框图如下图所示:
四、具体实现步骤的设计说明 4.1 电路设计原理说明
本设计电路,硬件部分共由五个模块组成:按键模块、复位电路模块、晶振 电路模块、发声模块、时间显示模块。晶振电路模块负责给单片机提供时钟周期。复位单路模块负责上电后自动复位,或按键后强制复位。上电后, 由单片机内部 定时器计时,同时通过动态显示函数自动将时分秒显示到数码管上。与此同时, 按键扫描函数,一直扫描按键引脚状态, 一旦扫描到按键被按下, 即进入相应的
功能函数。4.2各部分电路说明 1按键模块
按键模块如图所示。
在该模块中, 采用四个按键作为电子时钟的控制输入, 通过按键来实现时钟 的时间设置功能。电路中将四个按键的一端接公共地,而单片机的 P2口默认为 高电平, 一旦按键被按下, 则该按键对应的额管脚被拉低, 通过软件扫描按键即 可知道用户所要实现的功能,调用相应的按键子程序来完成该操作。
2单片机的复位电路
单片机的复位电路 , 如图所示。
图单片机的复位电路
当 MCS-5l 系列单片机的复位引脚 RST(全称 RESET 出现 2个机器周期以上的 高电平时,单片机就执行复位操作。如果 RST 持续为高电平,单片机就处于循环 复位状态。根据应用的要求, 复位操作通常有两种基本形式:上电复位和上电或 开关复位。上电复位要求接通电源后,自动实现复位操作。上电后,保持 RST 一 段高电平时间。
3单片机的晶振电路
单片机的晶振电路,如图所示。
图 单片机的晶振电路
石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间,等效为一个并联谐振回路, 振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率。晶体旁边的两个电容接地, 实际上就 是电容三点式电路的分压电容 , 接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点, 振荡引脚的输入和输出是反相的,但从并联谐振回路即石英晶体两端来看 , 形成 一个正反馈以保证电路持续振荡。
4发声模块
发声模块,如图所示。
图 发声指示模块
发声模块由蜂鸣器、电源、8550三极管、限流电阻组成。蜂鸣器由 PNP 三 极管驱动,当 BZ 管脚为高时,三极管 be 级没电压差,三极管截止;反之,三极 管导通,有电流流经蜂鸣器,蜂鸣器发声。
5时间显示模块
时间显示模块如图所示。
图 时间显示模块
时间显示部分的电路也很简单, 由五个一位的共阴 8段数码管、五盏发光二
极管组成。在显示过程中, 单片机将要显示的数字传递给 89C52芯片, 同时通过 位选选通要显示的数码管。
五、单片机系统程序的编制 5.1程序设计 ORG 0000H LJMP START;转初始化 ORG 000BH LJMP PGT0;T0中断入口 ORG 0033H START: DIS1 EQU 30H DIS2 EQU 31H DIS3 EQU 32H DIS4 EQU 33H DIS5 EQU 34H DIS6 EQU 35H DISXS EQU 36H DISFZ EQU 37H DISMZ EQU 38H
MS500 EQU 39H K1 BIT P3.2 K2 BIT P3.3 K3 BIT P3.4 K4 BIT P3.5 BDP BIT 01H bd BIT 02H MOV SP,#50H;初始化程序 MOV P0,#0FFH MOV P1,#0FFH MOV P2,#0FFH MOV P3,#0FFH MOV TMOD,#01H;定时器 T0工作于方式 1 MOV TH0,#4CH;定时器初值 MOV TL0,#05H MOV IE,#82H MOV R3,#10 SETB TR0 MOV DIS1,#00H;清显示缓冲区
MOV DIS2,#00H MOV DIS3,#00H MOV DIS4,#00H MOV DIS5,#00H MOV DISXS,#12;初始化时间为 12:30:00 MOV DISFZ,#30 MOV DISMZ,#0 MOV MS500,#0 MAIN:;主程序 jnb k2,d1 jnb k3,d2 jnb k4,d3 jnb k1,d4 d1: ljmp send d2: ljmp send d3: ljmp send d4: jnb k1,qu1 qu1:lcall sound ajmp god1 k1dd: jb k2,k2dd lcall ys10ms 11
5.2 程序流程图
六、测量过程的操作说明，原始测量数据的记录。6.1 操作说明操作功能说明 功能说明表 按键 K1 K2 K3 K4 发光二极管 功能 当按一下 K1，进入调整小时状态，再按一下，进入到调整分 钟状态，如此循环 用来对 小时 和 分钟 进行加时间（每次加 1）用来对 小时 和 分钟 进行减时间（每次减 1）确认键，退出选中小时或分钟 对秒数的十位数进行记录，亮一盏灯代表十秒，亮两盏灯代表 二十秒，如此累推 6.2 原始测量数据的记录 数据记录表 初始值 按一次 K1 按一次 K2 按一次 K3 第二次按 K1 按一次 K2 按一次 K3 按 K4 12．30．0 12．##．# 13．##．# 12．##．# ##．30．# ##．31．# ##．30．# 12．30．0 16
七、结论及存在问题 通过用汇编对 K1、K2、K3、K4 的编译，可以初步实现调整时钟时间的功能。但在编译过程中也遇到不少问题，第一，编译时有跳出转移范围的问题，这是由 于判断语句 JB、JNB 的转移范围是-128~+127 字节，出现这样的问题是由于超出 转移范围。第二，要实现选中小时或者分钟位上的闪烁，要用到延时和对数码管 的显示效果，但达不到指定目的，数码管闪烁的效果不明显，这是由于延时的时 间不够长，使得人眼难以看得清。
51单片机在微型智能控制系统中应用广泛。随着人们对控制系统要求的不断提高,针对51单片机不具备实时多任务支持功能,在控制系统的进一步发展很受限制的情况,人们做了很多关于51单片机多任务实时编程的研究和实验。罗江等在四川省教育厅资助的基金项目《基于多任务机制的51单片机在微型智能控制系统中的应用研究》中,借鉴多任务操作系统的设计特点,提出了利用时间片分配机制,实现多任务分时轮流执行,和利用中断强行切换任务的多任务编程方法[1];在www.ddvip.com的单片机技术交流中,阮元提出了依据分时操作系统思想实现单片机多任务编程的方法[2];厦门大学的王辉堂等在一安防系统的设计中,通过对嵌入式实时操作系统RTOS的分析,认为其核心是利用中断切换任务,提出了用C51编程实现的多任务编程方案[3];美国Keil公司开发的MCS51系列单片机的实时多任务操作系统RTX51,占用定时器T0中断产生时间片来切换任务[4,5];此外,还有时间片轮转算法[6]、时分多线程[7]等多种单片机多任务设计方法在实际系统中应用。
综上所述,在目前51单片机多任务编程工作中,大多采用了基于实时操作系统RTOS分时操作的思路和采用中断切换任务。但也有人认为,这种任务切换产生大量数据,额外占用系统资源,不适合资源有限的单片机系统[8]。本文提出的51单片机多任务编程方法,不采用时间片,而是基于一个完整过程切换任务,并将任务调度分配到各任务内部,任务的切换和调度都不占用系统额外资源。通过实际系统应用证明,用该方法设计系统,硬件电路更简单,单片机工作效率更高。
本文首先阐述多任务编程设计方法的原理,然后介绍几种典型任务的设计方法,最后通过一个简单的实例来说明该方法的可行性。
1 多任务设计原理
多任务要求系统在同一时间执行多个任务,对于一个处理器,并不可能在同一时间运行多个任务程序,而是按时间片在各个任务间快速切换执行来完成多任务要求的。这是基于实时操作系统RTOS的方法。本文提出的方法也是按时间片切换任务的,但有所不同的是,执行任务的时间不是由定时器平均分配的,而是按照执行任务中一个完整过程的时间来自动分配的。
在单片机系统设计中,可按系统的功能或模块划分为任务,而每个任务可按具体作业细分为各个过程。可见任务由过程组成。按时间片分配任务的设计,任务的调度可分为两级,一是对任务的调度,二是在每项任务中对过程的调度。由于采用两级调度,比较繁琐,也占用了系统较多资源。如果不考虑对任务的调度,直接调度各任务的过程,其系统运行的效率就能极大地提高。同时,在任务中主动设置切换点自动切换任务,切换时不需保留大量现场数据,系统效率就会更高。再进一步,将过程的调度分配到各个实际任务之中,不设专门的过程调度表。系统的运行效率就会达到最高。为此本文提出的51单片机多任务编程的原理是:
1)将系统的各任务依次排成队列,处理器依次执行各任务,在执行完最后一项任务后,马上回头执行第一任务,并以此循环。
2)在每次执行一项任务时,只执行该任务的其中一个过程,并完整执行。其它的过程需等待下一轮执行该任务时才有机会执行。这可保证系统尽快从本任务切换到其它任务。
3)每个过程不包括循环延时、等待等浪费CPU时间的程序,循环延时、等待等程序将作为一个特殊过程独立设计。
4)常规任务(甚至实时任务)都设有一个空执行过程,以便系统跳过该任务的执行。优先任务或抢占式任务可利用此功能保证任务优先执行或独占运行。
5)系统不设专门的过程调度表,过程的调度在实际任务之中进行。
6)中断只用于调度过程,不处理任务,更符合系统实时性要求。
7)系统、任务和过程间均通过全局变量共享和交换数据。任务、过程间切换不保留现场数据和传递参数。
由此可见、系统按完整过程(最小作业单元)自动切换任务,不需保留临时现场数据,不需定时被动切换,不需额外的调度表。和单任务编程相比,多任务编程也没有占用系统任何额外资源。其结构和代码的可读性也没有较大的改变。
实际上,设计操作系统与设计应用系统最本质的区别是,操作系统面临的任务是不确定的,在设计完成后还允许应用添加新的任务;而应用系统面临的任务是事先定制的。因此,多任务应用系统的设计可不完全基于操作系统分时的思路。本文提出的多任务编程方法,就不需要强制的时间片划分,也不需要占用中断切换任务。
2 多任务编程的实现方法
2.1 一般任务的设计
任务分为实时任务和常规任务,实时任务是需无条件执行的任务,即在系统每次扫描任务队列时都必需执行的任务。通常是显示,外围检测等实时任务;常规任务是在满足一定条件时才启动的任务,通常被中断或其它任务调度,也能被中断或其它任务中止。为将实时任务与常规任务排在同一队列中执行,我们为常规任务增设了一个特殊过程,在调度这个过程时,该任务不执行任务的实际操作。这个过程称为空过程。例如,下面例举的任务包括一个空过程和三个实际操作过程,在任何其它任务中,通过屏蔽本任务的空过程,即SETB 00H,就可启动本任务,同理,CLR 00H就可在任何时候中止本任务的执行:
PROC:JNB 00H,PROCE;空过程调度,不执行本任务
JB 11H,PROC2;11H置位时,执行过程2
JB 10H,PROC1;10H置位时,执行过程1
PROC0:……;过程0:本过程通常为任务初始化
SETB 10H;调度过程1
AJMP PROCE
PROC1:…….;过程1
SETB 11H;调度过程2
AJMP PROCE
PROC2:……;过程2
CLR 00H;任务完成,调度本任务的空过程
PROCE:NOP;空过程
由任务设计可以看出,过程是通过消息(位寻址变量置位)来调度的。每次执行任务只执行该任务的一个过程,并且过程不能包括循环延时、等待等代码,以保证系统轮流执行多任务的实时性。如果一个过程必需包括等待或延时,则将过程从等待或延时处分解为两个过程,并在两个过程中插入专门的延时或等待过程。延时和等待过程的设计说明如下。
2.2 延时等待过程设计
延时,等待等过程在程序设计中是必不可少的,为不影响系统的实时性,多任务编程的延时和等待需要特殊设计。
延时分为短延时和长延时,短延时是通过一个和几个计数变量计数就能完成的延时,长延时则通常利用计数变量配合计时器中断来完成延时。短延时可设计成任务中的一个特殊过程,长延时可设计成任务中的一个特殊过程或一个独立的特殊任务。
1)短延时,以下程序设计了一个特殊过程PROC1:一个计数变量30H递减实现延时,其计数周期是系统执行任务队列中全部任务所需的时间。
2.3 串行口连续发送数据任务
串行口发送数据需占用较长时间,连续发送多个字节数据将影响多任务系统的实时性。基于时间片的多任务切换系统,一般通过计算发送一帧数据所需的时间,采用约大于这一时间的定时方式,来作为发送两帧数据间的时间间歇,而不是在检测到发送数据缓冲区SBUF为空时立即发送后一帧数据。其连续发送数据的实时性较差,不能保证在数据总线上较好地与其它系统协调工作。本方法通过以下程序解决这一问题(假设数据缓冲区30H-3FH的16字节数据需要从串行口发送):
3 单片机多任务编程实例
3.1 说明
本实例是从楼宇可视对讲系统的门口主机系统中简化出来的,可视对讲系统是一计算机支持的分布式多设备协同工作系统,总线制通信对串行口收发数据具有很高的实时要求。门口主机系统包括4位LED数码显示,12键键盘,串行口发送、接受数据,处理数据,以及控制开锁、发出蜂鸣声,密码数据闪存,计时,切换工作状态等多项任务。采用多任务编程是十分必要的。本实例就其LED显示,键盘扫描和串行口交换数据功能来说明该系统的多任务编程过程。
3.2 硬件设计
能完成上述几项功能的硬件电路设计如图1所示,这是一个单片机最小系统。4位LED数码管采用动态显示,键盘为矩阵扫描键盘,这两个模块在单任务设计中,都需要较多的延时过程,很难保证系统的实时性,操作按键时还会造成显示闪烁或停顿。为此,很多类似设计都增加外围硬件或采用专用芯片如CH451来驱动[9],而多任务编程可省去这些硬件。图中75176芯片的AB端接楼宇对讲系统的485总线,与其它设备交换数据协同工作。
3.3 软件设计
3.3.1 编程说明
编程目的:
1)从键盘键入4位数据,键入过程中可按*键清除重输。
2)每键入1位数据。LED屏从最右边1位开始显示,原各位显示向左移1位。
3)键入数据过程中,如果有5s钟没有继续按键,系统清除输入数据和显示。
4)当输入完4位数据后,系统将4位数据从串行口发送到数据总线。
5)当从数据总线上接收到数据#0D8H时,开始发送4位数据。
6)75176芯片平时为接收状态,当接收到#0D8H时,如果系统有数据要发送,则变为发送状态,发送数据,当数据发送完毕时,75176芯片恢复为接收状态。
根据上述编程目的将系统编程划分为以下7个任务:
1)4位LED数码管动态显示;
2)键盘扫描检测;当有按键时,启动第3任务。
3)处理键盘检测结果,设置防抖动延时;计算键值;并在释放键后启动第4任务;
4)将键值转换为输入数据和显示数据,分别送输入数据缓存区和显示缓存区;当键入*时清除已输入数据和显示;当输入第1位数据时,启动第5任务;当输入数据缓冲区满时,启动第6任务的一个条件;
5)5s延时,5s过后没有继续按键时,清除已输入数据和显示;
6)串行口发送数据,启动本任务同时需满足有数据要发送和接收到#0D8H两个条件;
7)串行口接收数据,当接收到#0D8H时,启动第6任务的另一条件。
其它说明:
1)在上述7个任务中,LED显示和键盘检测是实时任务,其余是常规任务。
2)系统采用执行其它任务的时间处理LED动态显示和键盘扫描检测任务所需的延时。
3)系统采用定时器0中断处理5s延时。定时标志20H置位间歇为25ms;计数变量6EH初始化和重置值为200(#0C8H)。
4)系统采用串行口中断处理串行数据的接收和发送。串行口接收中断启动系统第7项任务。
3.3.2 系统流程图
图2是7个任务轮流执行的系统总流程图
3.3.3 任务设计说明
1)4位LED数码管动态显示
在单任务设计中,4位LED数码管显示是一次完成的[10],每显示1位,都要设计一定的延时,这会浪费CPU时间,影响其它任务的实时执行。多任务设计的方案是,每次执行显示任务只依次显示一位,然后就执行下一任务。系统利用执行其它任务的时间来为LED的每位显示延时,即在显示延时过程中,系统同时在执行其它任务。
系统设有一个显示缓冲区7CH-7FH,LED显示是通过自动扫描显示缓冲区进行的。
显示初始化:
矩阵键盘扫描检测的典型设计是依次置每行电平为低,对键盘行进行扫描,检测各列是否有键按下。由图1所示,矩阵键盘的行线和LED显示的位线是一致的,键盘扫描和动态显示扫描保持同步,很便于程序设计。所以,在多任务设计方案中,和LED显示任务一样,每次执行键盘检测任务时,只对一行进行检测。当没有按键按下时,系统依次对每行都进行检测;当有按键按下时,系统只对上次检测到按键按下的行进行检测,从而锁定对该按键的继续检测。
键盘扫描任务与LED显示任务通过共享全局变量R0保持同步:
3)按键的处理
按键的处理主要包括计算按键持续按下的时间,键值计算和对按键释放后的处理。为防止按键抖动,持续按键需在一定的延时后,才能处理。多任务设计是在其任务中插入一个短延时过程。在处理完按键键值后,需等待释放按键。多任务设计通过设置消息(11H置位)屏蔽本任务和不启动后续相关任务的方式来设计等待过程:
4)键值转换和数据处理
键值转换的目的是将键值转换为输入数据和显示数据,分别存入数据缓冲区和显示缓冲区。当输入数据缓冲区满时,系统将缓冲区数据从串行口发送到总线上,当输入数据是*时,系统清除缓冲区数据和显示。为检测输入一位数据后,继续输入是否被放弃,每输入一位数据,系统启动或重置一个5s延时。R2为输入数据缓冲区指针,初始值为#50H:
5)按键间延时
系统通过按键连续输入数据,要求按键间间隙时间不能超过5s,超过5s被认为是放弃输入,系统将清除已输入数据和显示。在本实例中,按键间延时设计为一个特殊任务。该任务的5s计数值在键值转换中启动或重置,可保证每次按键后都有5s时间延时。该延时可在5s后自动结束或被其它任务中止。
按键延时代码中,21H在定时器0中断程序中置位,设计置位周期为50ms,计算变量6EH在键值转换任务中设置或重置:
6)串行口发送4字节数据
串行口连续发送数据任务是配合串行口发送中断进行的。除第2节典型示例外,串行口发送数据任务还可按下面方式设计:
7)串行口接收数据
为了串行口中断不对系统的实时性产生较大影响,对串行口接收数据的处理是在中断外多任务队列中进行的。限于篇幅,系统只考虑从管理中心接收到发送数据允许同步信号#0D8H,开始向管理中心发送数据:
8)串行中断程序
在串行发送数据中断中,系统设计了75176芯片转换为接收状态的过程,48H在串行发送最后一字节时置位,以便在发送完数据后,改变系统状态。
在串行接收数据中断中,04H置位,通知系统从串行口接收到一字节数据,并已存入4FH,同时04H启动串行口接收数据任务:
3.3.4 系统的构成
将系统的7个任务经过上述设计,然后排成队列,并在队列最后设置一个长调转指令到队列中最前一个任务,构成一个依次执行并轮流循环的系统,这就是多任务编程的系统实例。在系统中,各任务需然是依次排成队列执行的,但任务的排序是可任意改变的。在任务间任意插入新的任务,也不会影响原系统正常运行。基于这一特征,各任务被看成是并发执行的。
4 结论
单片机多任务编程方法可归纳为:
1)在单片机多任务编程中,各任务依次排成队列轮流执行。
2)每次执行任务只调用其一个过程来执行,可保证各任务间最快速地切换。
3)和时间片任务切换不同,切换任务不占用堆栈和额外的系统资源。
4)各任务、过程间使用全局变量共享或交换数据,避免各种参数传递。
5)基于消息(位寻址变量的置位),每项任务,都可被其它任务启动和中止。
通过对循环延时和等待过程的重新设计,单片机多任务设计的每项任务和每个过程都是连续执行的。这可保证多任务间的切换最快,单片机的运行效率最高。因为任务的过程是完整执行的,所以和时间片强制切换不同,任务和过程的切换不占用堆栈和额外的系统资源。因为任何任务都可中止和屏蔽其它任务的执行,本方法也可设计抢占式任务。只要给实时任务也设计一个空过程,抢占式任务甚至还可屏蔽实时任务。达到最优先,最快执行的目的。本方法基于消息,但没有单独的消息循环过程[11,12,13],可最大限度地减少系统开支。
本文介绍的多任务编程方法是用汇编语言实现的,但显而易见,根据本方法的原理,用C51语言同样也可设计单片机多任务系统。
在过去采用传统方法设计复杂的单片机系统过程中,人们容易发现系统交叉调用多,重复代码多,系统运行效率差,容易逻辑混乱且难以调试。例如要完成本文实例的设计,键盘处理过程需反复进行键盘检测。为了不让显示中断,键盘处理防抖延时和等待释放键盘时,又要多次调用显示过程,串行口连续发送数据过程中,更是频繁调用显示。显示、键盘检测、键盘处理等任务不能成为低耦合性的独立模块。系统程序的层次结构和可读性也都较差,并很难移植和重用。鉴于此,为探索一个结构清晰,易调试,任务明确且可重用、提高开发效率,无相互调用,无重复代码的系统,一个新的编程方式开始了实践和研究,并被总结为多任务编程方法。在近八年不断利用新方法设计(如楼宇对讲系统、联网报警系统、门禁系统,安防监控、广播控制、一卡通等)智能系统产品的同时,本多任务编程方法取得了成熟和发展。与传统设计相比,这些系统产品硬件资源少,运行效率高。其硬件功能更多以软件取代,所以运行更稳定,且易维护,性价比高,取得了更高的经济效益。
摘要：本文论述了在51系列单片机系统中,一种多任务系统编程设计方法。该方法不基于实时操作系统RTOS分时操作的思路和采用中断切换任务。本文通过一个具有4位LED数码显示,12键的键盘扫描和用串行口与其它系统交换数据的简单系统为例,说明该方法编程具有硬件设计简单、单片机工作效率高,实时性强等特点。该方法编程采用汇编语言,但根据相同的原理和思路,也不难用到C51语言编程上面。
前言
目前，单片机在各种领域都得到了广泛的认可和应用，尤其是在智能仪表中的应用更是家常便饭，即引起了單片机的产品变革，又在很大程度上促进了设计理念的革新。智能仪表是智能系统的重要组成部分之一，其正常工作的关键在于单片机的设计。如今，设计单片机系统逐渐成为电子设计专家和设计爱好者的关注焦点。
一、电子时钟的功能
在设计电子时钟时，对电子时钟功能的最基本要求是电子时钟必须具备运行和调整两种状态：第一，运行状态。在此种状态下，需要设计K1、K2两个有效按键，在按下K1键时，电子时钟可以进入调整状态；第二，调整状态。在这种状态下，需要设计K3、K4两个有效按键，当按K1键进入调整状态后按下K3键能够对电子时钟的数字位置进行调节，按下K4将会调节闹钟开关并分别对时分秒数字加一，继续按K3则离开调节状态而进入运行状态。
1.1电子时钟的计时方案
通过计数器中断定时或AT89C51单片机内部定时，合理结合软件延时来对时分秒进行计时。这种电子时钟的设计方案能够节省硬件成本，还能通过定时提醒读者需要做的重要事情。其设计思路不仅可以刺激计数器在程序设计、使用及中断等方面的提高，还能加深对单片机指令系统的掌握，进而实现单片机技术的使用和推广。虽然单片机相比现在的嵌入式等会略逊一筹，但其目前还是应用最广泛的设计芯片。
1.2电子时钟设计原理
电子时钟的主要构成部件是译码显示器、校时电路、时分秒计数器、报时电路与振荡器，主电路系统包括时分秒计数器、校时电路、显示器、整点报时电路、译码器和秒信号发生器。其中，秒信号发生器作为整个系统时基信号，可以直接决定计时系统精确度，通常借助分频器和石英晶体振荡器的相互作用来完成。把标准秒信号输入60进制的“秒计数器”，因而每相隔60秒就会发出“分脉冲”信号，这个信号即为“分计数器”时钟脉冲。“时计数器”应该采用24进制的计时器，这样就能进行每天24小时的计时。电子时钟通常由1601液晶、89C52组成，其驱动电路为晶振电路。电路中的唯一控制键K1具有中断电路的功能，按下K1键后再按设置键K3能够对时分秒、闹钟开关和时分秒位置进行设定，继续按调节键K4可以对时分秒、闹钟开关、闹钟设定的时分秒进行加一调节[1]。
二、电子时钟的硬件与软件设计
2.1电子时钟的硬件设计
电子时钟的核心部分采用51系列单片机，硬件电路包括按键电路、AT89C51单片机、LED显示电路、音乐报时电路。其中，按键电路能够通过按键来切换电子秒表功能和电子时钟，设定电子时钟的时间对时、显示内容、闹钟定时功能，控制电子秒表计时、暂停、继续计时、清零功能。AT89C51单片机片中置有存储器为4K的E2PROM程序，不需要对程序存储器进行外扩，在单片机外侧接入上电复位电路和12MHz晶振电路。LED显示电路选择红色共阳极数码管，通过动态扫描方式显示数据，在段选控制处接限流电阻，在位选控制处利用三极管进行驱动，通过1m/s定时中断服务程序动态扫描显示各个部位。电子时钟的功能时显示按照位次依次显示星期、小时、分钟、秒、十分之一秒、百分之一秒，并且可以通过控制按键切换年月日显示[2]。音乐报时电路的设计需要选取两个不同的HL9300E音乐集成片，便于分别进行定时音乐报时和整点音乐报时。定时音乐报时和整点音乐报时需要接入不同的触发控制端，二者互相切换，进而避免两个音乐集成芯片同步放乐的干扰。在GND与5V电源的AT89C51之间设计加入470uF的电解电容，可在其旁边多并联接几个小的瓷片电容，可改善音质。音乐集成片输出端接扬声器或蜂鸣器，这样可以有效防止因继电器触点吸合而造成的系统复位，从而使由按键清除闹钟定时时间的报时音乐声。
2.2电子时钟的软件设计
把AT89C51内部定时和计数器设置为定时器工作模式是电子秒表和电子时钟的计时基准.时针定时器的中断信号为10m/s，即每经过100次中断，时钟秒位加一，秒位经60次加一后向时位进位，当时间为23时59分59秒时，秒位再加一后变为00时00分00秒。当按键切换为电子秒表功能时，秒针定时器每产生一次中断，十毫秒单元加一，其经过10次加一后，百毫秒单元加一，依次进位可实现最长为9小时59分59秒999毫秒的秒表计时，可达到分辩10m/s的计时精度。
通过K1～K4按键可对时钟加以对时，当第一次按下K1键时，显示数码管第一位闪烁，继续按键时，下一位闪烁。当某一位闪烁时，按下K2按键能够使闪烁位加一。在正常时钟显示方式下，按下K2键可以转换年、月、日的显示。按下K3键能够进入秒表状态，按下K4键能够显示闹钟定时时间[3]。
三、电子时钟的键盘设计
本设计使用单键盘的方式设计，功能较为完备，既能减少对硬盘资源的损耗，又能调节和控制时分秒，使其转换为省电模式。在按键又松开后通过屏蔽数码管显示功能达到省电目的；在按键不松开时能够累加时分秒数字，按键一次累加一分钟；在连续按键两次时，能够调节时针，同样是累加一次为一小时，在达到时间调节目的后，延缓一段时间来判断并确保按下此键，然后对键值和处理程序进行保存。
总结
综上所述，本文设计的电子时钟具有功能齐全、性价比高、电路简单、制作成本低等优点，只要接入单电源即可供电，方便于在办公室和家庭等场所使用。简单的时钟设计对增强电子专业学生的动手能力及独立设计思考能力都会有很大的提高，本片的设计思想可作为市场产品加以推广也可作为电子专业学生设计电子时钟的参考，希望本文对读者有些许帮助。
参考文献
[1]王丹丹，郑宽磊.一种新的基于层次化模式实现的SOC时钟设计方法[J].微电子学与计算机，2011，11（04）：89-93.
[2]陈媛媛.基于无线网络的GPS时钟同步与信息发布系统[J].科学中国人，2014，08（23）：2.
[3]牛国锋，朱苗苗.基于瑞萨微控制器的LED电子时钟设计与实现[J].常熟理工学院学报，2012，02（18）：120-124.
（作者单位：西北师范大学）
作者简介
课程单片机原理及仿真课程设计
题目单片机控制步进电机
专业姓名学号
主要内容、基本要求、主要参考资料等
1、主要内容：
根据单片机课程所学内容，结合其他相关课程知识，设计步进电机控制，以加深对单片机知识的理解，锻炼实践动手能力，为以后的毕业设计和工作打下坚实基础。
2、基本要求：
本设计以MCS-51系列单片机为核心，采用常用电子器件设计。根据要求设计一个单片机仿真控制，要求：设计一个数码管；一个外中断通过门电路连接五个按键，这五个按键分别控制步进电机的正转反转暂停、加速与减速；正转时，数码管上显示‘Z’，反转时显示“F”，暂停时显示“S”，按加速键时，电机加速，按减速键时，电机减速。
（1）用PROTOUS设计出步进电机控制工作原理实验电路图
（2）通过对AT89S51单片机编程，编写定步进电机控制程序，实现用步进电机控制。
（3）上交相应仿真的电路图与编程文档。
（4）写出详细的设计原理说明小论文。
3、主要参考资料：
[1] 李泉溪，倪水平.单片机原理与应用实例仿真.北京：北京航空航天大学出版社，2012.[2] 张友德，赵志英，徐时亮.单片微机原理应用与实验.上海：复旦大学出版社，2010.[3] 单片机仿真实验系统说明书.完成期限
指导教师
（指导教师填写）
课程设计名称电子技术课程设计学生姓名专业班级设计题目数字钟
一、课程设计的任务和目的任务：设计一台能显示“时”、“分”、“秒”的数字钟，周期为24小时；具有校时、正点报时功能。
目的：培养学生综合运用所学知识的能力，综合设计能力，培养动手能力及分析问题、解决问题的能力。
二、设计内容、技术条件和要求
1.数字钟可显示“时”、“分”、“秒”，且“时”、“分”、“秒”分别用两个数码管显示，计满23小时60分钟60秒，则全部清零。
2.具有校时功能，时、分校时用1HZ的信号进行，而秒较时用2HZ时钟信号进行。
3.整点能自动报时。要求报时声响为四低一高，最后一响为整点，前四声用500HZ信号让喇叭发声，最后一声用1000HZ信号。
4.根据上述要求，画出电路总框图，简述各部分工作原理。
5.进行各部分电路的设计，要求有分析过程、原理图表示。
6.对原理图进行仿真。
7.在实验箱上组装、调试。
8．撰写设计总结报告。
三、时间进度安排
第一周：理论设计。
周一上午布置设计任务，讲解设计要求，安排答疑、实验时间；
周三、周四下午课程设计答疑，其他时间学生查资料，做初步理论设计;
周五交设计初稿，由指导教师审查；
第二周：仿真和安装调试、撰写设计总结报告
周一、二学生进实验室做仿真实验，并根据实验情况修正设计图;
周三至周五做插接线实验，最后根据实验情况总结、撰写设计说明书。
四、主要参考文献
1．各种版本的数字电子技术基础教材
2.各种版本的电子技术课程设计指导书
3.集成电路手册
毕业设计（论文）任务书
题目***网站营销模式分析/***网站的分析与设计专业学号姓名主要内容、基本要求、主要参考资料等：
主要内容：
毕业设计过程分：选题和资料收集阶段、分析和计划阶段、调研及设计阶段、撰写与报告修改阶段、成稿和毕业答辩阶段，具体内容和任务如下：
1．选题和资料收集：本阶段的主要任务是对所在单位或者拟进行分析的单
位其网站建设情况进行全面了解，发现需要解决的问题，或根据个人的情况，结合网站开发具体的应用需要，选择自己所要设计的题目，根据题目所涉及的内容和技术，有针对性地进行学习，查询相关技术资料和文献，熟悉所需得开发设计工具的使用。
2．分析计划阶段：本阶段主要任务是对确定的设计项目进行分析和规划，并制定具体的工作计划和方案。
3.调研及设计阶段：本阶段主要任务是根据上阶段计划任务逐步展开调研、收集相关材料和数据进行深入分析，或者完成设计系统的详细设计和初步开发。
4．撰写与报告修改阶段：本阶段主要任务是根据上述几个阶段的任务完成情况，完成调查报告的具体写作工作并根据指导教师的意见进行修改。
基本要求：
毕业设计主要包括以下内容，详细格式和要求如下：
1.所设计题目的意义和背景
2.所设计题目目前的研究进展
3.4.5.6.设计的主要内容及技术路线 设计所需要的数据来源及分析/设计网站的分析和设计 设计所得的结论/网站演示 参考文献目录
主要参考资料等：
1.何永祺，张传忠，蔡新春.市场营销学（第四版）东北财经大学出版
社 2011年.网站设计类相关文献
时间安排:
(1)1月1日,毕业设计任务落实
(2)2月25日-2月28日,完成开题报告,提交指导教师
(3)3月1日-3月7日,指导教师对开题报告提出建议
(4)3月8日-5月18日,学生根据开题报告完成毕业设计,20日前交班主任.备注:开题报告表格,论文格式请到学院网站上下载（jxjy.bjut.edu.cn的首页下载栏目中）
完成期限：2012年5月18日
指导教师签名：何喜军
关键词：单片机,微控制,MUC89c52,核心,电子秤
1 单片机简介
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上, 但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:CPU、内存、内部和外部总线系统, 目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器, 实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域。在导弹的导航装置、仪表的控制、计算机的网络通讯与数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理、自动控制领域的机器人、医疗器械、各种智能IC卡、民用豪华轿车的安全保障系统、摄像机、全自动洗衣机的控制, 以及程控玩具、电子宠物等等, 都得到了广泛的应用。
2 单片机在电子秤上的应用
2.1 硬件系统框图
2.2 数据采集部分电路设计
2.2.1 传感器选择
要求称重范围9.999Kg, 重量误差不大于Kg, 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—。我们选择的是L-PSIII型传感器, 量程20Kg, 精度为, 满量程时误差0.002Kg。可以满足本系统的精度要求。其原理如右图所示:
称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成, 内部线路采用惠更斯电桥, 当弹性体承受载荷产生变形时, 输出信号电压可由下式给出:
2.2.2 前级放大器电路部分
由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。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。
电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声, C1、C2为普通小电容, 可以滤除高频干扰, C3、C4为大的电解电容, 主要用于滤除低频噪声。
此电路的优点是输入级加入射随放大器, 增大了输入阻抗, 中间级为差动放大电路, 滑动变阻器R6可以调节输出零点, 最后一级可以用于微调放大倍数, 使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器, 所以输出电阻不是很大, 比较容易实现。缺点是电路要求R3、R4相等, 误差将会影响输出精度。实际测量, 每一级运放都会引入较大噪声。对精度影响较大。
2.2.3 A/D转换器
双积分型A/D转换器精度高, 但速度较慢 (如:ICL7135) , 具有精确的差分输入, 输入阻抗高 (大于) , 可自动调零, 超量程信号, 全部输出于TTL电平兼容。
双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零, 所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强, 对高于工频干扰 (例如噪声电压) 已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零, 对输出就不产生影响。尤其对本系统, 缓慢变化的压力信号, 很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。
作为电子秤, 系统对A/D的转换速度要求并不高, 精度上14位的A/D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ICL7135。
2.3 人机交互界面
键盘控制芯片ZLG7289控制键盘的扫描, 当监测到有键按下后ZLG7289的9脚便产生一个低电平通知单片机, 单片机可以采用查询或者中断方式将数据通过P1.5以串行方式读入。因为查询方式会浪费大量的时间, 所以本系统采用的是中断方式。LCD复位信号通过反相器接到单片机的RESET上, 上电或手动复位时将随单片机同时复位。由于复位后并行口输出高电平, LCD处于选中状态, 此时LCD将输出内部状态字, 将会影响数据总线上的数据传输。所以外接一个反相器。
2.4 程序流程图
程序中对A/D采入的数据进行了数字滤波, 进一步减小AD读入数据的误差, 7289键盘控制采用中断方式, 加快了程序的执行效率。
3 结语
单片机为核心的电子秤, 体积小、功能强大、智能化程度高、测量准确度高。因此被广泛的使用在菜场、商店。由于单片机系统资源丰富, 因此由单片机所组成的控制系统也易于扩展其它功能。掌握单片机技术对于控制电路的设计与研究极为重要。
参考文献
[1]郑毛祥.单片机应用基础.北京:人民邮电出版社.
[2]姚福安.电子电路设计与实践.山东:山东科学技术出版社.
[3]江晓安.数字电子技术应用.西安:西安电子科技大学出版社.
[4]阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社.
关键词：单片机；实践教学；全国大学生电子设计大赛；项目教学
作者简介：高明亮（1981-），男，辽宁沈阳人，沈阳工程学院自动控制工程系，讲师。（辽宁?沈阳?110136）
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）20-0103-01
全国大学生电子设计竞赛是由原国家教委和电子工业部组织的面向全国高等学校相关专业在校学生的竞赛项目，是我国高校中举办时间长、实施范围广、参与学生最多的竞赛之一，已成为考核大学生创新实践能力的一个重要标尺，得到了高等教育界和社会的广泛认可。大学生电子设计竞赛对高校电子专业的教学内容、课程体系、教学实践、教学手段、实验室建设等方面的改革起到了积极的促进作用，为培养学生的创新设计能力搭建了良好的平台。[1]在沈阳工程学院，经过多年实践，在电子设计竞赛平台上对单片机实践教学进行改革，并取得了一定的效果。
一、单片机实践教学中存在的主要问题
目前各高校由于观念、资金、师资和环境等方面的原因，单片机实践教学存在以下几方面问题：[2]
第一，实践教学观念仍存在偏差。由于受传统文化教育观念的影响，部分师生重理论、轻实践的观念仍客观存在，实践教学缺乏整体性、关联性和系统性，仍处于理论课程的从属部分，甚至部分实践教学环节流于形式。
第二，实验教学的弊端仍然存在。实践教学课程的设置较为零散，顺序和内容仍需优化；在开设的实验中验证型的内容多，开放性、设计性、创新型的实验内容少，同时实验内容存在单一性，而多知识点相结合的实验少，并且在所开设的实验课程中缺少与工程实际相结合的综合性、研究性的实验内容，不利于学生个性的发展和综合能力的提高。
第三，实践教学师资力量有待提高。教师中能够满足实践实训技能要求的人数比例不高，一部分年轻教师从高校毕业后进入学校从事教学工作，缺乏实践教学环节的专门训练，自身尚不能成为行家，难以胜任相关的实践指导工作。
第四，实验室建设投资有限，校内外实践基地的建设不尽完善，不能满足教学实践的需要。
第五，实践教学缺乏科学的评价与考核方法。现行的教学评价机制不能起到强化实践教学环节和鼓励实践教学环节改革创新的积极性，相反存在着制约倾向。
二、电子设计竞赛促进实践教学改革
大学生电子设计竞赛的目的在于推动电子信息类课程建设，引导高等学校在教学中培养学生的创新能力、协作能力和理论联系实际的学风，培养学生的工程实践素质、提高学生针对实际问题进行电子设计制作的能力；吸引、鼓励广大青年学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才的脱颖而出创造条件。本文从师资队伍建设、实践教学内容、单片机实践教学模式等方面探讨实践教学改革。[3，4]
1.师资队伍建设
随着电子技术的高速发展，教学内容往往落后实际几年甚至更多，这就要求教师能适应和赶上这种发展、变化，要有更宽更新的知识面和更丰富的实践经验，不断地将新内容、新技术、新方法充实到教学中去。我们研究制定了教学队伍知识、技术不断更新的科学有效的培养培训制度。鼓励教师到国内知名高校和高新技术企业学习深造，同时积极邀请高水平的技术人才给教师作报告。
2.依托电子设计竞赛丰富单片机实践教学内容
（1）优化实践教学内容。制订实践教学大纲时应该适当调整学时，以顺应单片机技术的快速发展，对现有的教材进行适当的增减，删除一些课本中的老化的、无关紧要的、过于理论化或抽象化的内容，增加一些在生产生活中可能运用到的真实案例和最新的单片机理论知识，通过实际案例将抽象的理论具体化。在教学中，适当加强C语言的学习，让学生既能看懂汇编语言也能够运用C语言将复杂的程序简单化。
（2）推广应用proteus仿真软件及keil编译软件。Proteus仿真软件上有国际通用的虚拟仪器及电子元器件库，学生可以更加方便地进行电路原理图的设计和仿真测试，观察电路的工作状态及软件运行后的变化情况。同时通过网络课件等形式引导学生练习使用keil软件。在单片机中，所有硬件电路设计、对应软件都可以在proteus和keil平台上进行。Keil完成单片机软件设计调试，proteus完成硬件设计及系统运行结果查看。这些软件极大地开拓了单片机的学习空间，降低了单片机的学习成本，提高了学习效果。
3.结合电子设计竞赛，改进单片机实践教学模式
（1）项目教学法的应用。建立以任务或项目为教学主线、教师为主导、学生为主体的实践教学模式。在学生最初接触单片机课程时，将单片机在实践生产的应用介绍给学生，并将科研项目或往届电子设计竞赛的作品（如多功能函数发生器、数字存储示波器等）带进课堂，激发学生对单片机课程的学习兴趣。通过实践的操作，带领学生在动手实践中深化理论知识的学习，并在动手实验教学中培养学生完成创新实验和课程设计的能力。课程设计和创新实验不仅要求学生具有独立分析问题和解决问题的能力，更加对学生的创新能力提出一定要求。在教师的引导和指导下，学生根据电子竞赛方向设计具有实际意义的电路，这不仅是对学生综合能力的提升，更是为学生将来走向社会成为应用型人才打下良好基础。
（2）以竞赛为契机，推进单片机课外教学。作为一门知识更新速度较快的课程，单片机教学的实战性得到重视。在全国大学生电子设计竞赛的推进下，学生逐渐走出课堂，不仅仅满足于平时课堂上学习的内容，而是自动自发地走进实验室，将单片机的学习当做课余生活的重要组成部分。我校为学生成立了开放性实验室，并为学生购置了AT89S51单片机最小系统开发板、51系列单片机试验箱等最新实验器材和实验操作中使用到的各类元器件。同时教研室机房的每台计算机均配备了keil编译软件和proteus仿真软件，使学生在自主学习过程中可先通过仿真软件验证实验思路、电路和程序的正确性，并在仿真成功后利用开发板或实验箱完成实验操作。以大赛为契机，让学生在以“取得名次为目标，提高能力为目的”思想指导下，主动思考，勤于钻研，通过大量电路板的绘制、编程仿真、调试等练习将动手操作能力不断地提到新的高度。
在整个竞赛的准备过程中，学生表现出单片机学习的极大热情，每次项目完成后教会学生做好总结和巩固工作并鼓励他们探索新的任务，通过亲身实践获得实际经验，养成科学精神和科学态度，掌握基本的科学方法，综合运用所学知识解决实际问题。
（3）加深校企交流，为学生就业创造良好平台。填鸭式的教学模式使得许多大学毕业生在就业后只会“纸上谈兵”。为填补工程技术人才的空缺，真正让学生带着技术走向工作岗位，我校不断通过与企业的交流进行课程改革。近年来，我校与东软集团、中科院微电子所、中科院自动化所、中科院计算所等多个企业均有合作，安排学生到生产线及公司研发部门参观学习，到相应岗位短期实习，许多在电子竞赛中涌现的优秀人才更是被各企业录用。
我校还建立了完整的网络平台。在平台上，学生不仅可以获取最新的单片机技术知识和科技资讯，还可以与往届毕业生进行在线交流，对目前的就业形势、就业方向有更好的把握。促使学生提高自身水平，为顺利就业打下良好基础。
4.单片机实践教学考核方式的改革
单片机实践教学考核重点考核和评价学生技术应用能力的掌握程度。改革过去主要以平时成绩为主考核模式，采取更加系统、合理并与实践教学内容和教学方法相适应的多样化考核方式，促进学生实践创新能力的发展与提高。具体做法如下：平时出勤成绩占20%，平时各章课题实验成绩占40%，期终实践技能考核成绩占40%（其中，考核内容完成情况占20%，课题报告答辩成绩占20%）。
期终实践技能考核内容为完成一个单片机应用系统开发任务。为了有效、合理地组织考核，安排2～3人一组，每组内容不同、难度相当，完成时间为3～4天。评分（包括系统测试、审阅课题报告和答辩）时间为1～2天。
三、成果初探
经过多年来单片机课程教学模式的改革，我校学生具有扎实的单片机理论基础和较强的实践能力，在历届大赛中多次取得全国二等奖，省级一、二、三等奖等优异成绩。历年来，我校走出去的毕业生能够满足当今社会对应用型人才的需求，能够将实践操作能力应用到工作中的生产中去，以最快的时间适应岗位需求，并在工作中体现出创新设计能力，受到了社会的一致好评。
参考文献：
[1]曹洪其,陈兵飞,陈卫兵.依托大学生电子设计竞赛培养创新型人才[J].南通职业大学学报,2007,3(21):39-41.
[2]张利红,梁英波.应用型本科电子信息工程专业时间教学改革的探索与实践[J].周口师范学院学报,2011,5(28):44-46.
[3]刘英杰,石初军,王勇.大学生电子设计竞赛对高校改革及人才培养的作用[J].华东交通大学学报,2005,12(22):273-278.
[4]朱庆欢.开展大学生电子设计竞赛,促进创新人才培养[J].韶关学院学报,2006,9(27):163-166.
课题名称 电子密码锁电路设计
课题性质
工程应用
专业
应用电子技术
班 级
学生姓名
学 号
指导教师
马玉清
教研室主任
姚庆峰
系部主任
王勇
发放日期
2012年06月25日 课题条件：
随着电子工业的发展，数字电子技术已经深入到了人们生活的各个层面，各种各样的电子产品也正在日新月异地向着高精尖技术发展。在安全技术防范领域，具有防盗报警功能的电子密码锁代替传统的机械式密码锁，克服了机械式密码锁密码量少、安全性能差的缺点，使密码锁无论在技术上还是在性能上都大大提高一步，得到了广大用户的青睐。
毕业论文（设计）主要内容：
1.具有密码输入功能，设定密码为4位（或8位）二进制代码（代码自设定），设置退格键，以便删除输入错误的密码。
2.密码输入完毕以确认键开锁。当开锁密码与存储密码一致时，锁被打开。当开锁密码与存储密码不一致时，可重复进行，若连续三次未将锁打开，电路则报警并实现自锁。（报警动作为响m分钟，停n秒）
3.广泛调研，提出几种可行的方案和单元电路的初步实现；多方论证，确定设计方案；按功能模块的划分选择元器件和中小规模集成电路，设计分电路，阐述基本原理；画出总体电路原理图，做简要说明。4.用EWB软件完成仿真；按规定格式完成毕业设计论文。
二、计划进度： 1.资料的收集撰写开题报告 7月18日至9月8日
2.方案设计 9月9日至9月15日
3.电路的设计指标分析与确定；后期的电路优化元器件的选择与参数确定9月16日至11月2日
4.毕业设计论文的修改、完善 11月3日至11月10日 5.毕业设计答辩11月15 日至11月20日 6.毕业设计工作总结11月20日至11月25日
三、主要参考文献：
1)康光华主编.电子技术基础.北京：高等教育出版社，1999.6 2)电子工程手册编委会等编.中外集成电路简明速查手册——TTL、CMOS.北京：电子工业出版社，1991 3)李士雄，丁康源主编.数字集成电子技术教程.北京：电子工业出版社，1995 4)沈尚贤主编.电子技术导论，上册.北京：高等教育出版社，1985 5)曹汉房，陈耀奎主编.数字技术教程.北京：电子工业出版社，1995 6)王卫兵，刘克刚，朱秋萍.用FPGA的电子密码锁.电子技术,2005，32（1）：26-28 7)谢嘉奎主编.电子线路.第三版.北京:高等教育出版社,1988 8)康华光.电子技术基础(模拟部分).第四版.北京:高等教育出版社,1999 9)徐以荣.电力电子技术基础.南京:东南大学出版社,1999 10)高文焕,陈润生编.电子线路基础.南京:东南大学出版社.1994
指导教师
马玉清
（系）教研室主任
****年**月**日
（2015届）
题 目：基于51单片机的电子秤设计
专业名称：应用电子技术
姓 名：谢玉夏
学 号：1210401038 班 级：2012级应用电子技术
指导教师：刘志芳
2014年 12 月 30 日
摘要
称重技术是人类生活中不可缺少的部分，自古以来就被人们所重视。作为一种计量手段，被广泛应用于工业、农业、贸易等各个领域。随着现代文明和科学技术的不断进步，人们对称重技术的准确度要求也越来越高，电子秤产品技术水平的高低，直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。近年来，电子称重技术取得了突飞猛进的发展，电子秤在称重计量领域中也占有越来越重要的地位，其应用领域也在不断地扩大。尤其是商用电子秤，由于其具有准确度高、反应灵敏、结构简单等优点，被广泛应用于工商贸易、轻工食品、医药卫生等领域。目前，机械秤正在逐步被电子秤取代，这就促使电子秤的研究需要进一步的深入。
本设计是以AT89S51为核心的一种高精度电子秤，系统采用模块化设计法，其硬件结构主要包括：数据采集模块、最小系统模块、电源模块、键盘和显示模块。其中，数据采集模块包括称重传感器和A/D转换电路；最小系统部分主要包括AT89S51和扩展的外部数据存储器；键盘由4×4位矩阵键盘组成；显示部分LM4229液晶显示。软件部分由C语言编程，实现对各部分的控制。该电子秤可以能够显示商品的名称、价格、总量、总价等；能够自动完成商品的价格计算；能够储存几种简单商品的价格；能够具有超重提醒功能。其称重范围为0～5Kg，分度值为0.001g。整个系统结构简单，使用方便。
关键词：电子秤；AT89S51单片机；称重传感器；A/D转换电路；液晶显示II
目录 绪论...........................................................1
1.1 选题的背景与意义.........................................1
1.1.1 选题的背景..........................................1 1.1.2 选题的意义..........................................2 1.2 电子秤的研究现状及发展趋势...............................2
1.2.1 电子秤的研究现状....................................2 1.2.2 电子秤的发展趋势....................................3 1.3 本文的结构...............................................4 2 系统总体方案设计...............................................5
2.1 电子秤的基本知识介绍.....................................5
2.1.1 电子秤的基本结构....................................5 2.1.2 电子秤的工作原理....................................5 2.1.3 电子秤的计量参数....................................6 2.2 总体方案设计.............................................7 2.3 系统各部分设计方案论证...................................8
2.3.1 电子秤分度数的设定..................................8 2.3.2 称重传感器的选定....................................8 2.3.3 A/D转换器的选定....................................14 2.3.4 单片机型号的选定...................................16 硬件设计......................................................18
3.1 系统硬件结构图..........................................18 3.2 单片机主控单元的设计....................................18
3.2.1 单片机引脚说明.....................................18 3.2.2 AT89S51最小系统设计................................20 3.3 数据采集模块设计........................................22
III
3.3.1 传感器单元设计.....................................22 3.3.2 A/D转换单元设计....................................22 3.4 键盘和显示电路单元设计..................................24
3.4.1 键盘电路设计.......................................24 3.4.2 显示电路设计.......................................25 3.5 系统总体原理图..........................................25 3.6 硬件抗干扰设计..........................................26 4 系统软件设计..................................................29
4.1 主程序设计..............................................29 4.2 LM4229液晶显示驱动程序..................................30 4.3 ADC0832采样程序.........................................31 4.4 键盘程序................................................31 5 系统仿真......................................................33
5.1 欢迎界面的仿真..........................................33 5.2 无重物情况仿真..........................................34 5.3 称量物体仿真............................................35 5.4 最大量程仿真............................................36 5.5 仿真总结与问题补充......................................37
5.5.1 仿真总结...........................................37 5.5.2 问题补充...........................................37 总结与展望....................................................39 附录程序.........................................................40 参考文献.........................................................49
IV 绪论
1.1 选题的背景与意义
1.1.1 选题的背景
（1）电子技术渗入衡器制造业
随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术不断渗入衡器制造业。在1954年使用了带新式打印机的倾斜杠杆式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与代替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。当时的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。（2）电子秤步入社会
电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、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。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，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。
近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。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缺少的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了基础，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%称量准确度的电子秤，并在70年代中期约对75 %的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。
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，我国通过自行研制、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、计算机技术于一体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、能在恶劣环境下工作、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等
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。
1.1.2 选题的意义
电子秤是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤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，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。目前市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调整时间长，易损坏，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。
1.2 电子秤的研究现状及发展趋势
1.2.1 电子秤的研究现状
近几年，我国的电子称重系统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。电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展，从模拟测量向数字测量发展，从单参数测量向多参数测量发展。电子称重系统制造技术及其应用得到了新发展。国内电子称重技术基本达到国际上20世纪90年代中期的水平，少数产品的技术已处于国际领先水平。
在研究方法上，电子称重系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或力的大小，通过压力传感器转换为电信号，并通过控制电路来处理该电信号。其中压力传感器大多数采用电阻应变片压力传感器，由于应变片的体积较小，市场上有多种规格可供选择，而且可以针对弹性敏感元件的形式可以灵活设计来适应各种应用场合的要求，所以
应变片式压力传感器得到广泛的应用。但是电阻应变片压力传感器的一个严重缺陷是应变灵敏度、应变片本身的电阻都随温度变化，而且灵敏度随温度变化较大。在不同的环境中，应变片的阻值发生变化，输出零点漂移明显。并且应变片的输出信号很小、线性范围窄，而且动态响应较差，有待进一步开发。
在国际上，一些发达国家在电子称重方面，从技术水平、品种和规模等方面都达到了较高的水平。特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。其中梅特勒．托利多公司生产的BBK4系列高精度电子秤精度达到了lmg，速度大约为1次／秒。目前，电子秤在称量速度方面需要进一步的研究。
在称重传感器方面，国外产品的品种和结构又有创新，技术功能和应用范围不断扩大。
1.2.2 电子秤的发展趋势
电子秤的称重功能是基于微处理器这一核心技术来实现的。由于目前在设计电子称重系统时大量地采用集成芯片，因此电子称重系统已经摆脱了以往的电子模式，正向小型化、模块化、智能化、集成化发展；其技术性能趋向于高速率、高准确度、高稳定性、高可靠性；其应用性趋向于综合性、组合性。
小型化：体积小、高度低、重量轻，即小薄轻。为使电子衡器的承载器达到小、薄、轻，开始采用重量轻且刚度大的空心波纹铜板和方形闭合截面的薄壁型材。
模块化：电子衡器的承载器采用模块式一体组合或分体组合，产生新的品种和规格。这种模块化组合不但提高了产品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生产效率，降低了成本。
智能化：与电子计算机组合或开发称重用计算机，利用计算机的智能来增加称重显示控制的功能，使其在原有功能的基础上增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能。
集成化：对于某些品种和结构的电子衡器，可以实现承载器与称重传感器一体化或承载器、称重传感器与称重显示控制器一体化。
综合性：电子称重技术和电子衡器产品的应用范围不断扩大，它已渗透到一些学科和工业自动控制领域。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密
结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。
组合性：在工业生产过程或工艺流程中，不少称重系统还应具有可组合性，即：测量范围可以任意设定；硬件能够依据不定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可使用不同的语言，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。
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。
1.3 本文的结构
本设计是以AT89S51为核心的一种高精度电子秤，系统采用模块化设计法，其硬件结构主要包括：数据采集模块、最小系统模块、电源模块、键盘和显示模块。软件部分由C语言编程，实现对各部分的控制。可以实现称重、去皮、置零、计价和显示等功能。其称重范围为0～5Kg，分度值为0.001g。整个系统结构简单，使用方便。全文共分为五章，各章主要内容如下：
第一章为绪论部分，简要介绍了选题的背景及意义、电子秤的研究现状及发展趋势以及本文的主要内容及结构；
第二章为总体设计部分，简要介绍了电子秤的结构及工作原理，论证了系统总体方案的设计，以及对各种方案的选择做出了比较；
第三章为系统硬件设计部分，主要是通过对各种模块的介绍以及对电路功能的分析，对系统硬件进行了选型和设计，得出系统硬件结构图；
第四章为系统软件设计部分，主要介绍了系统各部分软件的设计流程，给出了简单的程序；
第五章为系统软件仿真；
第六章为总结与展望，主要是对本课题的总结，以及对存在的问题进行归纳和进一步研究的方向。系统总体方案设计
2.1 电子秤的基本知识介绍
2.1.1 电子秤的基本结构
电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：
（1）承重、传力复位系统
它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。（2）称重传感器
即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。
按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。
对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。
（3）测量显示和数据输出的载荷测量装置
即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补偿元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。
2.1.2 电子秤的工作原理
当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器
随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。通常此电压信号很小，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过滤波电路和A/D转换电路转换成数字信
1号被送入到主控电路的单片机中○，单片机不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，单片机发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示。
2.1.3 电子秤的计量参数
电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、安全载荷、额定载荷、允许误差、分度值、分度数、准确度等级等。
（1）量程：一台电子秤不计皮重，所能称量的最大的载荷Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。
（2）安全载荷：为电子秤正常称量案范围的120%。（3）额定载荷：电子秤的正常称量范围。（4）允许误差：等级检定时允许的最大偏差。
（5）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。
（6）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max=n*d。
（7）准确度等级：国际法制计量组织把电子秤按照不同的分度数分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如表
1因为本设计采用软件仿真而不能进行实际的称量，故信号的放大滤波电路部分舍去，直接输入模拟电压信号，○放大滤波部分内容会在第五章仿真总结与问题补充中进行后续介绍。
2-1所示。
表2-1 电子秤等级分类
标志及等级 特种准确度
电子秤种类 基准衡器
分度数范围 n>100,000
高准确度 中准确度 普通准确度
精密衡器 商业衡器 粗衡器
10,000 按照设计的基本要求，可以确定系统共分为五大模块，数据采集模块、最小系统模块、超重报警模块、键盘和显示模块。其中，数据采集模块包括称重传感器和A/D转换电路；最小系统模块由AT89S51单片机及其外围电路组成；键盘由4×4位矩阵键盘组成，可以控制显示商品种类和价钱等信息；显示部分采用LM4229液晶显示，显示当前商品的名称、单价、重量及总价等信息。软件部分由C语言编程，实现对各部分的控制。该电子秤可以实现显示商品的名称、单价、重量、总价等功能。其称重范围为0～5Kg，分度值为0.001g。在扩展功能上，本设计增加了一个超重报警提示。其总体设计的框图如图2-1所示： 数据采集模块单片机最小系统超重报警模块键盘模块显示模块 图2-1 总体设计方框图 系统工作原理：把所称物体放到秤台上，物体的重力通过秤体传给称重传感器，传感器受到压力使电阻发生变化引起电压变化，再将电压值送到A/D转换电路，将模拟量转换成数字量，转换后的数字量送至单片机进行处理，并显示结果。单片机最小系统由AT89S51和外围的时钟电路及复位电路组成。显示电路设计采用LM4229液晶显示，对各部分的控制由采用C语言编程的软件来实现。 2.3 系统各部分设计方案论证 2.3.1 电子秤分度数的设定 当前，一些单位为了提高Ⅲ级商贸秤的准确度，尝试改小电子秤的分度值，扩大电子秤的分度数，以便达到高精度称量的目的。这样做非但不能进行高精度称量，还会破坏电子秤原有的计量性能，降低电子秤的准确度，有损电子秤的可靠性，使电子秤出现更多的计量误差。 现在我国已经完全与OIML规定接轨，衡器计量检定规程完全按OIML规定而来。表2-2为Ⅲ级商业秤误差要求。 表2-2 Ⅲ级数字显示商用衡器允差表 m <500e 500e< m≤2000e 2000e< m≤Max 允差e（检定分度值） 检定要求 ±0.5e ±1.0e ±1.5e 使用中要求 ±1.0e ±2.0e ±3.0e 由表2-2可知，它的整个称量范围允差规定是变化的，误差是从大到小再变大，最高准确度在中间。从0～500分度数为低精度称量段，到高于3000个分度数之后的实际称量精度逐渐变低，实际误差不断加大。分度数再高其允差也是不变的。从国外电子秤的准确度和分度数设置、国内原先衡器的检定标准和现在我们统计的电子秤分度数的准确度以及OIML对Ⅲ级秤的允差规定看，说明现有Ⅲ级商业秤的分度数设置为2000～3000是比较理想的，属于最佳分度数。这样设置决定了电子秤的准确度首检为±0.05%，使用中为±0.1%的正确性、合理性与必要性。 2.3.2 称重传感器的选定 称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。考虑到不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。在各种衡器和质量计量系统中，通常用 综合误差带来综合衡量传感器准确度，并将综合误差带与衡器误差带联系起来，以便选用对应于某一准确度衡器的称重传感器。国际法制计量组织(OIML)规定，传感器的误差带δ占衡器误差带Δ的70％，称重传感器的线性误差、滞后误差以及在规定温度范围内由于温度对灵敏度的影响所引起的误差等的总和不能超过误差带δ。若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。1．常用各种称重传感器 称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。 光电式传感器包括光栅式和码盘式两种。光栅式传感器利用光栅形成的莫尔条纹把角位移转换成光电信号。光栅有两块，一为固定光栅，另一为装在表盘轴上的移动光栅。加在承重台上的被测物通过传力杠杆系统使表盘轴旋转，带动移动光栅转动，使莫尔条纹也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表，即可计算出移过的莫尔条纹数量，测出光栅转动角的大小，从而确定和读出被测物质量。码盘式传感器的码盘是一块装在表盘轴上的透明玻璃，上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的代码。加在承重台上的被测物通过传力杠杆使表盘轴旋转时，码盘也随之转过一定角度。光电池将透过码盘接受光信号并转换成电信号，然后由电路进行数字处理，最后在显示器上显示出代表被测质量的数字。光电式传感器曾主要用在机电结合秤上。 液压式传感器：在受被测物重力P作用时，液压油的压力增大，增大的程度与P成正比。测出压力的增大值，即可确定被测物的质量。液压式传感器结构简单而牢固，测量范围大，但准确度一般不超过1/100。 电磁力式传感器：它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜；光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达1/2000～1/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。 电容式传感器：工作原理是利用电容器振荡电路的振荡频率f与极板间距d成正比的关系。极板有两块，一块是固定不动的，另一块是可移动的。在秤体加载重物时，两 极板间的距离发生变化，随之，电路的振荡频率也改变。只要测出频率的变化便可求出被测物的质量。电容式传感器耗电量少，造价低，准确度为1/200～1/500。 磁极变形式传感器：原理为铁磁元件在被测物体重力下发生形变，产生应力引起导磁率的变化，随之，绕在铁磁元件两侧的次级线圈的感应电压也变化。这样测出电压的变化量便可求出加到磁极上的力，从而确定物体的质量。磁极变形式传感器的准确度不高，一般为1/100，称量范围为几十至几万千克。 振动式传感器弹性元件受力后，其固有振动频率与作用力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出被测物作用在弹性元件上的力，进而求出其质量。振动式传感器有振弦式和音叉式两种。 振弦式传感器的弹性元件是弦丝。当承重台上加有被测物时，V形弦丝的交点被拉向下，且左弦的拉力增大，右弦的拉力减小。两根弦的固有频率发生不同的变化。求出两根弦的频率之差，即可求出被测物的质量。振弦式传感器的准确度较高，可达1/1000～1/10000，称量范围为100克至几百千克，但结构复杂，加工难度大，造价高。 音叉式传感器的弹性元件是音叉。音叉端部固定有压电元件，它以音叉的固有频率振荡，并可测出振荡频率。当承重台上加有被测物时，音叉拉伸方向受力而固有频率增加，增加的程度与施加力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出重物施加于音叉上的力，进而求出重物质量。音叉式传感器耗电量小，计量准确度高达1/10000～1/200000，称量范围为500g～10kg。 陀螺仪式传感器，转子装在内框架中，以角速度ω绕X轴稳定旋转。内框架经轴承与外框架联接，并可绕水平轴Y倾斜转动。外框架经万向联轴节与机座联接，并可绕垂直轴Z旋转。转子轴(X轴)在未受外力作用时保持水平状态。转子轴的一端在受到外力(P/2)作用时，产生倾斜而绕垂直轴Z 转动（进动）。进动角速度ω与外力P/2成正比，通过检测频率的方法测出ω，即可求出外力大小，进而求出产生此外力的被测物的质量。陀螺仪式传感器响应时间快(5秒)，无滞后现象，温度特性好（3ppm），振动影响小，频率测量准确精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的计量准确度(1/30000～1/60000)。 电阻应变式传感器利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千Kg，计量准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好，大部分电子衡器均使用此传感器。2．称重传感器的选择 传感器种类繁多，分类方式也千差万别，它们都有各自的特点，但在设计电子秤时，选择一种合适的传感器非常重要，传感器的性能在很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。称重传感器的选择主要从以下几个方面考虑。（1）对传感器数量和量程的选择 传感器数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。一般来说，秤体有几个支撑点就选用几只传感器，但是对于一些特殊的秤体，如电子吊秤，就只能采用一个传感器，一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。传感器的量程选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体自重、可产生的最大偏载及动载因素综合评价来决定。一般来讲，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但是在实际的使用当中，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。公式2-1给出了传感器量程选择的计算公式。 K0K1K2K3WmaxWC N（2-1） 式中C—单个传感器的额定量程；W—秤体自重；Wmax一被称物体净重的最大值；N—秤体所采用支撑点的数量；K0—保险系数，一般取1.2～1.3之间；K1—冲击系数；K2—秤体的重心偏移系数；K3—风压系数（2）传感器准确度等级的选择 传感器的准确度等级概括了传感器的非线性、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。称重传感器已按准确度等级划分，且已考虑了0.7倍误差因子，非自动衡器称重传感器的准确度等级要选择与电子秤相对应的准确度等级。称重传感器按综合性能分为A、B、C、D四个准确度等级，分别对应于衡器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个准确度等级。 （3）各种类型传感器的使用范围 称重传感器形式的选择主要取决于称重的类型和安装空间，保证安装合适，称重安全可靠；另一方面要考虑厂家的建议。对于传感器制造厂家来讲，它一般规定了传感器的受力情况、性能指标、安装形式、结构形式、弹性体的材质等。譬如铝合金悬臂梁传感器适合于电子计价秤、平台秤、案秤等；钢式悬臂梁传感器适用于电子皮带秤、分选秤等；钢质桥式传感器适用于轨道衡、汽车衡等；柱式传感器适用于汽车衡、动态轨道衡、大吨位料斗秤等。（4）使用环境 称重传感器实际上是一种将质量信号转换成可测量的电信号输出装置。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对于正确选用传感器至关重要，它关系到传感器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。一般情况下，高温环境对传感器造成涂覆材料融化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题；粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响；在腐蚀性较高的环境下会造成传感器弹性体受损或产生短路现象；电磁场对传感器输出会产生干扰。相应的环境因素下我们必须选择对应的称重传感器才能满足必要的称重要求。3．电阻应变式称重传感器 按照称重传感器选择的指标要求，以及对各种传感器的比较，本设计选定电阻应变片式传感器，下面对此类传感器做详细介绍。 电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变量一般为10-6~10-2，随之而产生的电阻变化率也大约在10-6~10-2数量级之间。这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。图2-2为电阻应变式称重传感器桥式测量电路。 图2-2 电阻应变式称重传感器桥式测量电路 R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。若不考虑Rm，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为： R4R1Ve R1R2R3R4（2-2） 由于桥臂的起始电阻全等，即R1=R2=R3=R4=R，所以V=0。当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+△R1、R+△R2、R+△R3、R+△R4时，电桥的输出电压变为： RR1RR4Ve RR1RR2RR3RR4（2-3） 通过化简，上式则变为： VeR1R2R3R4 4RRRR（2-4） 也就是说，电桥输出电压的变化与各桥臂电阻变化率的代数和成正比。如果四个桥臂应R变片的灵敏系数相同，且=Kε，则上式又可写成： R VeK1234 4（2-5） 式中K为应变片灵敏系数，ε为应变量。式2-5表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，△R1、△R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，△R2、△R4为负值。再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即 因此 VeK4eK 4R1R3R或13 R2R4-R或24 （2-6）（2-7） （2-8） 若考虑Rm，则电桥的输出电压变成： 令Su V，则 eSuRK R2RmRRRRRRVeKe 2RR2RmR2Rm2R（2-9） （2-10） Su称为传感器系数或传感器输出灵敏度。 对于一个高精度的应变传感器来说，仅仅靠4个应变片组成桥式测量电路还是远远不够的。由于弹性梁材料金相组织的不均匀性及热处理工艺、应变片性能及粘贴工艺、温度变化等因素的影响，传感器势必产生一定的误差。为了减少传感器随温度变化产生的误差，提高其精度和稳定性，需要在桥路两端和桥臂中串入一些补偿元件。如：初始不平衡值的补偿、零载输出温度补偿、输出灵敏度温度补偿等。 2.3.3 A/D转换器的选定 在实际的测量和控制系统中检测到的常是时间、数值都连续变化的模拟量，模拟量要输入到单片机中进行处理，首先要经过模拟量到数字量的转换，单片机才能接收、处理。目前有多种类型的A/D转换器，其类型有积分型、逐次逼近型、并行比较型、Σ- Δ调制型、压频变换型等。多种类型的ADC各有其优缺点，并能满足不同的具体要求。1．A/D转换器的分类：（1）积分型 积分型ADC工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。（2）逐次逼近型 逐次逼近型ADC由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。（3）并行比较型/串并行比较型 并行比较型ADC采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称Flash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级型ADC，而从转换时序角度又可称为流水线型ADC，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。（4）Σ-Δ调制型 Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。（5）压频变换型 压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可 以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。2．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转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。 （2）A/D转换器的转换速率。不同类型的A/D转换器的转换速率大不相同。积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速A/D转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速A/D转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。 （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。 2.3.4 单片机型号的选定 1．单片机选定准则 市场上的单片机型号很多，功能也有差异，在选择单片机型号的时候主要应该注意以下几个方面：（1）市场货源 系统设计者只能在市场上能够提供的单片机中选择，特别是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。（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，选择最容易实现系统技术指标的型号，而且能达到较高的性能价格比。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。影响性能价格比的因素除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。2．AT89S51单片机介绍 根据以上对单片机选型知识的介绍，本设计选用AT89S51单片机，下面对此型号单片机进行简介。 AT89S51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机。AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机，其指令集和传统的51单片机指令集是一样的。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AT89S51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。 AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 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，2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。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。硬件设计 3.1 系统硬件结构图 图3-1为系统总体硬件结构方框图，系统共分为三大部分：数据采集模块、单片机控制模块以及键盘和显示模块。各模块所采用的主要芯片型号已于图中有所标示。 AD转换ADC0832AT89S51单片机最小系统超重报警模块4*4矩阵键盘LM4229液晶显示 图3-1 系统总体硬件设计方框图 3.2 单片机主控单元的设计 3.2.1 单片机引脚说明 AT89S51单片机芯片为40个引脚，图3-2为单片机AT89S51引脚图。下面简单叙述各引脚的功能。 VCC/GND：电源/接地引脚； P0口：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1(对端口写1)时作高阻抗输入端；P0还可以用作总线方式下的地址数据复用管脚，用来操作外部存储器。在这种工作模式下，P0口具有内部上拉作用。对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节、校验程序、输出指令字节时，要求外接上拉电阻； P1口：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用； 另外，P1.0、P1.1可以分别被用作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和触发输入(P1.1/T2EX)；对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息； P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口；输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用； P2口在存取外部存储器时，可作为高位地址输出；内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息； P3口：P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。P3引脚功能复用见表3-1所示： 表3-1 P3口引脚功能复用 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 串行通讯输入(RXD)串行通讯输出(TXD)外部中断0(INT0)外部中断1(INT1)定时器0输入(T0)定时器1输入(T1)外部数据存储器写选通WR 外部数据存储器写选通RD RST：在振荡器运行时，有两个机器周期(24个振荡周期)以上的高电平出现在此管脚时，将使单片机复位。只要这个管脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0—P3口均置1，管脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序； XTAL1、XTAL2：XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz至24MHz内选择，电容取30PF左右。 ALE/PROG：访问外部存储器时，ALE(地址锁存允许)的输出用于锁存地址的低位字节，即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率的1/6)，在访问外部数据存储器时，出现一个ALE脉冲； PSEN：外部程序存储器的选通信号输出端。当AT89S51由外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期输出2个脉冲，即两次有效。但访问外部数据存储器时，将不 会有脉冲输出； EA/Vpp：外部访问允许端。当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。要使AT89S51只访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH)，这时该引脚必须保持低电平。 图3-2单片机AT89S51引脚图 3.2.2 AT89S51最小系统设计 单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统包括:单片机、晶振电路、复位电路。其中复位电路采用上电复位。其最小系统电路图见图3-3所示： 图3-3 单片机最小系统图 对于AT89S51单片机，其最小系统只需要电源、复位电路、时钟电路就能工作。由于我们的程序存储器（ROM）采用内部Flash存储单元，所以单片机上的EA接高。 微处理器系统在开始工作时必须对微处理器内部的寄存器等进行复位，使各个寄存器的值设为预定状态才能顺利开始工作。复位电路的好坏决定着单片机能否正常工作。复位电路基本功能是在系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。复位电路可以使用专用复位芯片，也可以用电阻电容搭建。本文从可靠性和成本考虑最终选用电阻电容来搭建复位电路。对于51内核的单片机，RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，可以完成复位操作。 3.3 数据采集模块设计 3.3.1 传感器单元设计 根据第二章对各种类型传感器特性的介绍，本设计决定采用L-psⅢ型称重传感器，该传感器为双孔平衡梁形式，是制作电子计价秤的专用产品，也可用于制造由单只传感器构成的电子案秤、台秤及专用衡器等。其主要技术指如表3-2所示： 表3-2 L-psⅢ型称重传感器技术指标 额定载荷 灵敏度 准确度等级 最大分度数 最小检定分度值 综合误差 重复性 蠕变 最小静载荷 最大安全载荷 极限过载荷 输入电阻 输出电阻 温度补偿范围 使用温度范围 接线方式 Kg mV/V %F.S.%F.S.%F.S./30min %Fmax %Fmax %Fmax 3,6,10,20,30,50 1.8±0.08 C3 3000 Fmax/10000 0.02 0.01 ±0.017 1 150 200 415～445 349～355-10～+50-20～+60 ℃ ℃ 输入（+）:红,输入（-）:白，输出（+）:绿 输出（-）:蓝，屏蔽:黄 3.3.2 A/D转换单元设计 根据对各种A/D转换器的介绍与分析，本设计选定ADC0832作为本设计的A/D转 换模块。下面对该芯片的情况进行简要的介绍。 ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。具有体积小，兼容性强，性价比高的特点，具体参数如下： 8位分辨率； 双通道A/D转换； 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源供电时输入电压在0~5V之间； 工作频率为250KHZ，转换时间为32uS； 一般功耗仅为15mW； 8P、14P-DIP（双列直插）、PICC多种封装； 商用级芯片温宽为0℃～70℃，工业级芯片温宽为-40℃～85℃； 1、下面对ADC0832的引脚进行说明，图3-4为该芯片的引脚图： 图3-4 ADC0832引脚图 CS—：片选端，低电平芯片使能； CH0：模拟输入通道0，或作为IN+/-使用； CH1：模拟输入通道1，或作为IN+/-使用； GND：芯片参考零点位（地）； DI：数据信号输入，选择通道控制； DO：数据信号输出，转换数据输出； CLK：芯片时钟输入； Vcc/REF：电源输入及参考电压输入（复用）。 2、ADC0832的接口电路 正常情况下，ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI，但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO与DI并联在一根数据线上使用。单片机与ADC0832的接口电路如图3-5所示。 图3-5 单片机与ADC0832连接图 当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可以任意，当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。 3.4 键盘和显示电路单元设计 3.4.1 键盘电路设计 在本设计中，采用的是4×4的矩阵式键盘，将单片机的P1.0-P1.3作为键盘的行线接口，P1.4-P1.7作为列线接口，列线通过电阻接+5V。商品的单价已由程序设定好，并 号连接。3.4.2 显示电路设计 3.5 系统总体原理图 可由键盘选择各种商品的价格。 图3-6所示，为完善其功能，电路中添加了上拉电阻。 图3-6 液晶显示模块LM4229与单片机接线图 在系统各部分的设计完成后，把各模块根据其功能和信号处理的流程连接起来，便得到系统总体设计的原理图，如图3-7所示，为简洁起见，其中的接线部分采用网络标本设计中显示部分采用了当今常用的LM4229液晶显示模块。其与单片机的接线如 措施。3.6 硬件抗干扰设计 图3-7 系统总体原理图 方面，但更重要的方面是外界干扰和接地引起的异常。 度。就单片机测控系统来讲，其主要干扰是来自电源和信号传输通道的干扰。用到称重传感器，所采用的应变式传感器是高阻抗器件，其绝缘性能、机械结构的稳定性等，直接影响工作特性的稳定。因此，应变片传感器的绝缘材料必须有很高的绝缘性统的可靠性更倍受人们的关注，这是因为系统的可靠性决定了系统能否达到所需要的精能、足够的机械强度、高形状稳定性及良好的抗湿性能。下面重点介绍单片机的抗干扰随着科学技术的迅速发展，人们对单片机测控系统的各种性能要求越来越高。而系本电子称重器的核心部件是单片机，所以我们的抗干扰措施主要是针对单片机。还电子秤在使用中，常常会出现各种各样的异常现象，电子秤本身的质量问题是一个 1、电源的抗干扰措施 普通用电中含有多种高次谐波，它们很容易经电源进入单片机系统，还有一些射频发射、电磁波等也会由电源线感应反馈进入单片机系统造成干扰。因此，在电源电路中必需采取有效地滤波措施，来抑制这些高频干扰的侵入。电源滤波的一般方法是在电源变压器初、次级分别设置低通滤波器和线间电容滤波器，使50Hz市电基波通过，而抑制掉高频信号。此外在变压器的初、次级之间均采用屏蔽层隔离，其中初级屏蔽层接大地，次级屏蔽层接系统逻辑地，以减少其分布电容，提高抗共模干扰的能力。 2、信号传输通道的抗干扰措施 信号传输通道包括系统的前向通道和后向通道，其主要干扰有：杂散电磁场通过感应和辐射方式进入通道的干扰；由于地阻抗耦合、漏电流等因素产生的加性干扰；以及因传输线衰减、阻抗失配等因素引起的乘性干扰。对于这三类干扰，可以采用以下几种措施加以排除。（1）光电隔离技术 光电耦合器对干扰信号具有良好的隔离性能，一是它的输入阻抗很小，约为100fl-lldl，而干扰源内阻则很大，通常为105Q～108Q，因此能分压到光电耦合器输入端的噪声很小；二是光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，即使干扰噪声有较高的电压幅度，但由于能量小，不能提供足够的电流使发光二极管发光而被抑制掉；三是光电耦合器的输入回路与输出回路之间分布电容极小，绝缘电阻很大，回路一边的干扰很难通过光电耦合器馈送到另一边去。因此，采用光电耦合器可将单片机与前向通道、后向通道及其他部分从电气上隔离开来，能有效地防止干扰信号的侵入。（2）接地技术 本系统既有模拟电路又有数字电路，因此数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连，如果两者不分，则会互相干扰。（3）输入输出信号线采用屏蔽双绞线 屏蔽双绞线对于静电干扰和电磁干扰有很好的抑制作用，有条件的话应尽量采用。但使用中应注意： 线缆敷设时不要过分用力或使电缆打结、避免弯曲超过900、避免过紧地缠绕电缆，以保护双绞47线的扭绞状态； 做线时，避免损坏线缆的外皮、不要切坏线缆内的导线； 接线时，双绞线的开绞长度尽量小，不要超过20mm； 双绞线的屏蔽层采用设备端单端接地方式。系统软件设计 本系统程序使用模块化的程序设计思想，主程序通过调用子程序以实现各部分功能。先进行软件的总体设计，然后进行各功能模块设计。 4.1 主程序设计 电子秤需要有数据采集、处理、存结果、送显示的运行过程。根据这一要求，电子秤的信息采集与处理分三个阶段：在微处理器的控制下，经传感器转换的电压信号通过输入电路送入A/D转换器处理，存入到数据存储器中；微处理器对采集的测量数据进行必要的数据处理，把数据信号处理为显示所要求的信号格式，通过输出接口电路输出并显示。主流程图见图4-1所示： 开始单片机初始化、LM4229进入欢迎界面、ADC0832初始化载物台是否有重物Y单片机存储ADC0832采样值N是否输入商品代码按键Y单片机执行计算并将结果送LM4229显示N测量结束键是否按下Y结束N 图4-1 主程序流程图 4.2 LM4229液晶显示驱动程序 开始写入控制字写入初始行Y是否换行？N全部数据已写完？Y结束N 图4-2 LM4229液晶显示驱动程序流程图 LM4229液晶能够显示比较复杂的汉字和图形，首先必须对其写入控制操作字，包括图形的显示方式，字体的模式。然后写入初始行地址，指针自动左移，直到写完全部数据为止。 write_data(place&0xff);//写入地址高位 write_data(place/256);//写入地址低位 write_com(0x24);//地址设置 write_com(0xb0);//设置数据自动写 write_data(ASC_MSK[(c1-0x20)*16+k]);/*---例如：0的ASCII码为0x30, 在ASC_MSK中的位置为0x10*16---16字节字码依次写入LCD---*/ write_com(0xb2);//自动复位 place=place+30; 4.3 ADC0832采样程序 开始拉低CS、拉高CLKDATA右移八位？Y拉高CS、拉低CLK，返回数据N结束 图4-3 ADC0823采样程序流程图 单片机通过拉低CS、拉高CLK来启动ADC0832进行外部压力传感转换后的电压信号进行采样，每产生8个CLK脉冲，DATA获得一位完整的8bit数据，此时MCU发送中断请求，拉高CS，拉低CLK,并将数据DAT返回。 4.4 键盘程序 本设计中采用了4×4矩阵式键盘，单片机定时进行查询。首先单片机发送行扫描代码，然后进行列扫描，当发现某一列出现了低电平时，即返回相应的键盘值。若没有发现则说明当前行没有键按下，行扫描右移一位，继续执行列扫描。 开始发送行扫描码发送列扫描码右移一位右移一位列扫描完毕？NYN行扫描完毕？Y返回键值结束图4-4 键盘程序流程图 系统仿真 在系统硬件与软件全部设计完成的情况下，将系统在protues7.5环境下进行了软件仿真，以确保本设计方案的可行性与准确性。因为在仿真时不能实际的把物体放到称重台上，所以在仿真时采用直接输入模拟电压信号的方法，来代替信号的采集。 5.1 欢迎界面的仿真 开始仿真时，先将用C语言编写的程序用Keil软件进行编译，生成可执行程序，然后装入单片机中进行仿真，按开始按钮，单片机及其他各部分电路开始工作，单片机调用内部存储数据对各部分接口电路初始化。200ms后LM4229进入欢迎界面，如图5-1所示。 图5-1 电子秤欢迎界面仿真 5.2 无重物情况仿真 欢迎界面过后，电子秤进入称重界面。此时，ADC0832不断对外部数据进行采样交给单片机进行处理，一旦有物品放入载物台，ADC0832立即发送中断请求，并将本次采集数据交给单片机进行处理。调节压力传感模拟电路电压，将电压设为0.00表示此时载物台上没有物体。此时LM4229显示指示“实用电子秤，名称······单价：0.000元/千克，总重量：0.000千克，总价：00.000元”。如图5-2所示。 图5-2 无重物称重界面仿真 5.3 称量物体仿真 上调压力传感电压，表示已有商品放在载物台上，ADC0832立即发送中断请求，并将本次采集的数据交给单片机进行处理，之后送入LM4229显示相应数据量。在此过程中，键盘不断进行扫描，一旦有键按下，单片机便对其数据进行相应处理，然后将对LM4229进行写操作。此时，按下键盘，选择相应的商品。如按下3号键，选择草莓，此时LM4229上显示“名称：草莓，单价：3.6元/千克，总重量：2.499千克，总价：“8.999元”（实际3.6×2.499=8.999元）。达到基本要求。如图5-3所示。当要称量下一种不同商品的时候，只需按下0键，选择商品代码，再按下相应商品键。 图5-3 称重情况仿真 5.4 最大量程仿真 将称重传感器调节到最大，显示最大称量，其结果如图5-4所示。由于元件及系统的误差，使得最大量程不能达到预定的5Kg，而是4.980Kg，这是在误差允许范围内的，符合要求。因为本设计添加了超重报警模块，所以在称量的过程中，一旦物体自身的重量超出电子秤的称量范围，蜂鸣器立即会发出“滴滴····”，警报声告诉工作人员，所称量物品超重。 图5-4 最大量程仿真 5.5 仿真总结与问题补充 5.5.1 仿真总结 以上，我们进行了几种基本情况的仿真，总结仿真的过程，我们可以得出以下结论： 1、该电子秤设计简单，操作方便，可以很容易的进行称量； 2、由于元件设置的原因，使电子秤的量程未达到预设的范围； 3、各商品的价格已在程序中设定好，既给称量带来了方便，也带来了麻烦，使得称量其他物品时需要修改程序。 5.5.2 问题补充 因为本设计采用软件仿真的方法，而不能进行实际的称量，所以采用了直接输入电压信号的方式代替了传感器采集的信号。但是经传感器采集的信号通常很小，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过滤波电路和A/D转换电路转换成数字信号才被送入到主控电路的单片机中进行处理。在实际称量中，可以加入放大滤波电路如图5-5所示。 图5-5 放大滤波电路 图5-5为放大滤波电路的设计。放大器采用放大芯片AD620电容C1、C3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；电容C2、C4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。因为采样信号电压值只有毫伏级，所以电阻R1、R2选用较小的阻值，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。 总结与展望 电子称重器是贸易市场中的常见的称重计量仪器。本文先说明了称重器的设计思路，并介绍了几种设计方案，选择了其中一种简单可行的方案。然后从电子秤的核心部件称重传感器的介绍开始，逐个进行各个模块器件的论证与选择。后面详细介绍了电子秤的硬件以及软件设计。 本设计为小量程（0～5Kg）称量器件，可以广泛应用于商店、菜市场等场合。在硬件部分设计过程中选用了A/D转换芯片ADC0832和LM4229液晶显示，大大简化了硬件电路及软件编程，并提高了系统的准确性和稳定性。人机界面部分由液晶显示与4×4位矩阵键盘组成，可以由键盘控制显示商品名称、重量和价格等信息，操作简单方便。软件设计中使用了C语言编程，便于修改和应用。 本次设计的电子称重器还存在一些缺点与不足，主要以下这两点：一是量程仅是5Kg，从而限制了该电子秤的使用范围。可采用大量程的称重传感器，但同时需要提高A/D转换芯片的位数，以保持精度。二是商品的种类与价格已编入程序，给称量其它的商品带来不便。三是本次设计没有完成实物的制作，从而不能预见商业产品开发中的所有问题，需要进一步研究。 通过这次电子秤的设计，我对所学的专业课知识有了更深的理解，尤其是单片机方面。在设计过程中，查阅了大量的中外文资料，解决了不少难题。另外本次设计提升了我分析问题解决问题的能力，增强了对学习的信心，相信这对我以后的工作和学习有重要的帮助。 附录程序 #include unsigned int sbit ADCS =P3^5;sbit ADDI =P3^7; sbit ADDO =P3^7; sbit ADCLK =P3^6; uint x1,y1,z1=0,w1;uchar ad_data,k,n,m,e,num,s; //采样值存储 uint temp1;sbit beep =P3^0; char press_data; //标度变换存储单元 float press;unsigned char ad_alarm,temp; //报警值存储单元unsigned char abc[5]={48,46,48,48,48};unsigned char price_all[6]={48,48,46,48,48,48};float price_unit[10]={5.5,2.8,3.6,4.5,2.4,4.2,3.8,6.0,1.5,0}; //商品初始单价 uchar price_danjia[5]={48,46,48,48,48};float price;uint price_temp1,price_temp2; //商品总价 uchar Adc0832(unsigned char channel); void alarm(void);void data_pro(void);void delay(uint k);void keyscan(); void disp_init();void price_jisuan();/************ 主函数 ************/ void main(void){ delay(500); //系统延时500ms启动 //ad_data=0; //采样值存储单元初始化为0 lcd_init(); //显示初始化 disp_init(); //开始进入欢迎界面 delay(1000); //延时进入称量画面 clear_lcd(0,4,40); clear_lcd(16,0,100); clear_lcd(28,0,40); clear_lcd(44,0,100); clear_lcd(56,0,40); clear_lcd(72,0,100); clear_lcd(84,0,40); clear_lcd(100,0,100); clear_lcd(112,0,40); write_lcd(0,8,“实用电子秤”); while(1) { ad_data =Adc0832(0); //采样值存储单元初始化为0 alarm(); data_pro();//读取重量 keyscan();//查询商品种类 write_lcd(40,0,“------------------------------”); write_lcd(56,0,“单 价:”); write_lcd(56,11,price_danjia); write_lcd(56,20,“元/千克”); write_lcd(72,0,“总重量:”); write_lcd(72,11,abc); write_lcd(72,20,“千克”); write_lcd(88,0,“总 价:”); price_jisuan(); //计算出价格 write_lcd(88,10,price_all); write_lcd(88,20,“元”); write_lcd(112,0,“设计学生:1210401038 谢玉夏”);} } /************ 读ADC0832函数 ************/ //采集并返回 uchar Adc0832(unsigned char channel) //AD转换，返回结果 { uchar i=0; uchar j; uint dat=0; uchar ndat=0; if(channel==0)channel=2; if(channel==1)channel=3; ADDI=1; _nop_(); _nop_(); ADCS=0;//拉低CS端 _nop_(); _nop_(); ADCLK=1;//拉高CLK端 _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿1 _nop_(); _nop_(); ADCLK=1;//拉高CLK端 ADDI=channel&0x1; _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿2 _nop_(); _nop_(); ADCLK=1;//拉高CLK端 ADDI=(channel>>1)&0x1; _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿3 ADDI=1;//控制命令结束 _nop_(); _nop_(); dat=0; for(i=0;i<8;i++) { dat|=ADDO;//收数据 ADCLK=1; _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;//形成一次时钟脉冲 _nop_(); _nop_(); dat<<=1; if(i==7)dat|=ADDO; } for(i=0;i<8;i++) { j=0; j=j|ADDO;//收数据 ADCLK=1; _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;//形成一次时钟脉冲 _nop_(); _nop_(); j=j<<7; ndat=ndat|j; if(i<7)ndat>>=1; } ADCS=1;//拉搞CS端 ADCLK=0;//拉低CLK端 ADDO=1;//拉高数据端,回到初始状态 dat<<=8; dat|=ndat; return(dat); //return ad k } void data_pro(void){ unsigned int; if(0 { int vary=ad_data; press=(0.019531*vary); temp1=(int)(press*1000); //放大1000倍，便于后面的计算 abc[0]=temp1/1000+48; //取压力值百位 abc[1]=46; abc[2]=(temp1%1000)/100+48; //取压力值十位 abc[3]=((temp1%1000)%100)/10+48; //取压力值个位 abc[4]=((temp1%1000)%100)%10+48;//取压力值十分位 } } /*****************报警子函数*******************/ void alarm(void){ if(ad_data>=256) beep=0; //则启动报警 else beep=1; } void delay(uint k){ uint i,j; for(i=0;i for(j=0;j<100;j++);} //开机欢迎界面 void disp_init(){ write_lcd(0,8,“欢迎使用电子秤”); write_lcd(16,0,“------------------------------”); write_lcd(28,0,“设计学生:谢玉夏”); write_lcd(44,0,“------------------------------”); write_lcd(56,0,“班级学号:1210401038”); write_lcd(72,0,“------------------------------”); write_lcd(84,0,“指导老师:刘志芳”); write_lcd(100,0,“------------------------------”); write_lcd(112,0,“设计日期:2014年12月”); } //键盘服务程序 void keyscan(){ P1=0xfe; temp=P1; temp=temp&0xf0; while(temp!=0xf0) { delay(5); temp=P1; temp=temp&0xf0; while(temp!=0xf0) { temp=P1; switch(temp) { case 0xee:num=1,price=price_unit[0], write_lcd(24,0,“名 break;case 0xde:num=2,price=price_unit[1],write_lcd(24,0,”名 break;case 0xbe:num=3,price=price_unit[2],write_lcd(24,0,“名 break;case 0x7e:num=4,price=price_unit[3],write_lcd(24,0,”名 break; } while(temp!=0xf0) { 称: 杏称: 李 称: 草 称: 葡 仁“);子”);莓“);萄”); temp=P1; temp=temp&0xf0; } } } P1=0xfd; temp=P1; temp=temp&0xf0; while(temp!=0xf0) { delay(5); temp=P1; temp=temp&0xf0; while(temp!=0xf0) { temp=P1; switch(temp) { case 0xed:num=5,price=price_unit[4],write_lcd(24,0,“名 break;case 0xdd:num=6,price=price_unit[5],write_lcd(24,0,”名 break;case 0xbd:num=7,price=price_unit[6],write_lcd(24,0,“名 break;case 0x7d:num=8,price=price_unit[7],write_lcd(24,0,”名 break; } while(temp!=0xf0) { temp=P1; temp=temp&0xf0; } } } P1=0xfb; temp=P1; temp=temp&0xf0; 称: 西称: 苹称: 雪称: 核 【单片机电子钟设计任务书】推荐阅读： 单片机课程设计报警器07-13 单片机编程经验07-23 单片机实习报告07-20 实验单片机指导书07-19 单片机工艺实训总结06-01 单片机应用实训总结09-08 单片机课程实践教学的论文07-16 单片机出租车计价器源程序05-24
