基于AT89C51单片机的电子计价秤的设计与实现

1、引言

随着电子技术的发展，衡器技术也在不断进步和提高。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秤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价秤。

2、电子计价秤实现的基本功能

本次设计的电子计价秤最大称重6kg，精确并显示到0.1g，适用于商业零售小重量称重部门，亦可以作为电子天平测微重量使用。它能够快速准确地时时地显示单重、单价，并自动计算总价（总价=单价×单重），并带有费用累计功能，最多累计次数50次。该电子计价秤带有16位液晶显示和14个按键功能，并附带越限（超出6kg）报警电路和看门狗自动复位电路。

3、电子计价秤的硬件电路设计与实现

3．1应变片式传感器及其测量放大电路

导体或半导体在外界作用下产生机械形变时，其阻值将发生相应的变化，这种现象称为“应变效应”。根据应变效应将应变片粘贴于被测材料上，使其在受到外界应力作用时，引起应变片的变形，并使其阻值发生变化。通过测量双差动全桥电路将应变片阻值的变化转换成电压的输出，就可确定被测材料机械量的变化。

我们根据传感器理论可知,设一长为L、截面积为S、电阻率为ρ的电阻丝，已知其阻值为R=ρ 当电阻丝L方向两端有机械应力F时，ρ,l,s都会发生变化，从而导致电阻发生变化,其金属丝的应变灵敏系数K为K= =1+2μ+c(1-2μ)  比例系数μ称为泊松比，c为金属晶格结构的比例系数，一般在-12(镍)～+6(铂)范围。在弹性形变范围内，K决定于泊松比μ和比例系数c；在塑性形变范围内，因μ=0.5，所以K=2。

在电子计价秤的实际应用中，应变式传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件亦称弹性体，利用它把被测物理量重量转换为弹性体的应变值。我们采用铝合金作为弹性体的材值。另一个是应变片，由于金属材料的应变片的稳度稳定性好，在很大范围内保持常数，所以一般采用金属电阻应变片。并且电子计价秤在秤台结构上一个显著的特点是一个相当大的秤台只在中间装置一块专门设计的传感器组来感应物料重量。当秤台上放置物料时，应变片产生电阻应变△R（应变片受拉时为R+△R，应变片受压时为R-△R），为了显示和记录，通常将应变片组成双差动全桥电路.双差动全桥电路具有较高的灵敏度，良好的线性关系和适应温度变化的补偿能力。如图3.1所示即采用两片受压，两 片受拉的四片应变片，且使相同受力状态的两应变片接入电桥的相对臂上。设R1=R2=R3=R4，且△R1=△R2=△R3=△R4，则此时输出电压为U=US•△R1/R1。电桥的电压灵敏度S= = US    可见，全桥双差动电路的电压灵敏度为US。同时完全线性。在全桥电路后面加了一级由AD521测量放大器单芯片集成电路。放大倍数的调节范围为0.1-1000,，并且具有高精度，高速度，高共模抑制比，防止低噪声漂移等优点。经过全桥双差动和放大电路处理后，我们得到U=kW的线性比例关系，K=1v/kg，即1g输出为1mv，1kg输出为 1v，满量移6v。

3.2信号预处理电路：

信号预处理电路的系统框图如图3.2,说明如下：LM331芯片组成的v/f变换电路具有价格低，精度高，编程简单的特点。

在电子计价秤设计中可作为 A/D转换电路（由于较多文章及书籍介绍此电路，在此不多介绍。其突出的特点是把模拟电压转换成抗干扰能力强的脉冲串。Ｖ／Ｆ转换过程是对输入信号的不断积分，它需要被测信号提供适当的驱动电流，因干扰信号不能提供电流而被滤掉。另外，Ｖ／Ｆ变换与计算机接口很容易采用光耦隔离。信号频率输出范围为 1Hz→10KHz，最大非线性误差为 0.01%,由于在软件中，单片机 AT89C51一秒钟采样脉冲信号，由于采样信号范围较宽（1Hz→6KHz），为了提高低频区的测量准确度，我们决定采用10倍倍频电路扩频10倍，其中10倍倍频电路由锁相环芯片CC4046和一个10分频器CC4518芯片组成。为了减少通道及电源的干扰，在其中加了整形和光耦隔离（由4N28组成）电路，至此经过信号预处理电路我们得到了 F=10W关系的脉冲串送入AT89C51的T0定时/计数进行计数。比例关系为（1g→1mv→10Hz），满量程（6kg→6v→60kHz）。

3．3、AT89C51液晶驱动芯片7211AM及 16位LCD液晶显示

在电子计价秤中正常显示情况下，须时时显示单价、单重、总价，例：6.7元/千克*4.1259千克=27.6 元，此时单价显示6.7元/千克.单重显示4.1259千克、总价显示27.6 元  ，在累计费用情况下，须显示ADD标志累计字符、费用总价、费用累计次数。例：累计到第四次，总金额为701.9元. 此时单价显示4表示第四次累计.单重显示ADD累计符、总价显示701.9元。

本次设计采用AT89C51单片机16位液晶LCD静态显示方式，(液晶显示器(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻、超薄,无闪烁等许多其它显示器无法比拟的优点)驱动芯片为4片INTERSIL公司的ICM7211AM芯片，占用AT89C51单片机的P0口和P2口的部分I/O。如图3.3原理图所示。四片ICM7211AM的BP连在一起，            

接到LCD的背极BP，一片7211AM芯片的OSC端接16kHz的晶振信号，以产生125Hz的BP信号，其余芯片的OSC端接地。各片的段输出信号对应接到LCD各位的7个段。各片CS(—)1端作为本芯片的片选端对应P2.4-P2.7数据线，CS(—)2作为写有效信号端，连到AT89C51的WR(—)上。各片的数据输入B0-B3和位选输入DS1和DS2  分别连到数据总线P0口。编程也较简单，             

只要向口地址中写入二位位选码和4位BCD码，即可实现相应位的显示 。

3.4、键盘专用芯片74C922及12个按键矩阵组设置。

在电子计价秤中，带有12个按键矩阵组设置，其中0—9数字键用于输入单价，DEL用于单价清空，累计键用于费用累计，鉴于此，我们采用专用键盘管理芯片74C922。74C922为CMOS工艺技术制造，工作电压为3—15V，“二键锁定”功能，编码输出为三芯输出，可直接与微处理器数据线相连，内部振荡器完成4×4矩形键盘扫描，有  按键时，DA变高，通过非门接到AT89C51的INT0口，并且设INT0为边沿触发方式，当DA变高时，经过非门变为低电平跳变产生INT0外部中断，通知AT89C51从数据总线读键值，判断键值从而完成相应的散转程序功能。根据接线图及74C922芯片真值表，我们知道，键0­—9对应ABCD 输出（0000—1001），键DEL对应ABCD输出（1010），键累计对应ABCD输出（1011），接线图见图3.4另外在电子计价秤的面盘上有电源开关POWER和手动复位按键RESET，此外不多述。

3.5 越限（超出6kg）报警电路和看门狗自动复位电路。

当承重越限（超出6kg）时，全桥放大电路输出电压大于6V，报警电路由电压比较电路和三级管驱动蜂鸣器电路组成，此处不多赘述。看门狗自动复位电路由可重触发单稳触发器4538设计而成，4538内部有两个单稳触发器功能部件，采用软件置位AT89C51的P1.7管脚定时喂狗，如软件跑飞，则软件不能及时喂狗，第一个单稳触发器不能及时触发，延时τ=RC秒后，其达稳态，利用此下降沿触发另外一个单稳触发器（其输出接AT89C51的RESET 端），只要有10秒的暂稳态高电平，即可复位单片机。可见，本次设计的电子计价秤除设手动复位键外,还配备看门狗自动复位电路, 防止软件跑飞,双重保险,抗干扰性能强. 

4、电子计价秤的软件设计与实现

电子计价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、INT0中断程序按键散转程序、数据处理子程序（双字节乘法、二—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*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00H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INT0外部中断程序中，采样单价并赋值单价计算RAM区和显示RAM区。其中设R1为标志位寄存器，表示单价最大为99.9元，最多只能送三位，若再按键，则无效。设R2为标志位寄存器，表示累计金额时为最多50次，超过50次最后的显示为第50次累计金额。内部30H-5FHRAM分配为单价，单重，总价，累计总价的计算和显示RAM区，此处不多赘述。由于篇幅所限，此处只给出主程序流程图如图4.1所示：

5、结束语

根据以上所述的电子计价秤的软硬件设计方法，我们开发出了样机，经实验证明，该仪器能读数精确、稳定、可靠地进行测试重量，时时显示单重、单价、总价及具有金额累计功能，达到了预期要求。                                                                                                                     

参考文献：
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[2] 李华主编 MCS-51系列单片机 实用接口技术  北京：北京航天航空大学，2003年
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中南工业大学出版社  1999年
[4] 王云章编  电阻应变式传感器应用技术    北京  中国计量出版社  1999年
[5] 赵亚军编 电子天平的使用与调修200问   北京  中国计量出版社  2003年                                           
[6] 孙育才、苏字成主编。 微型计算机应用系统设计与实现。南京：东南大学，1990年