基于单片机的电子测量系统仿真设计

文浩，宋世宇

（成都理工大学 机电工程学院，四川成都，610000）

1 设计要求

■1.1 设计题目

通过电桥电路、放大电路、数模转换电路、控制部分、显示部分和键盘输入部分构成完整电子秤测量系统，并完成电子秤的硬件设计调试和程序调试仿真。具体要求如下所列：

（1）利用Proteus 构建相应的测量系统硬件，主要包括：电桥电路（半差动）、放大电路（TL082 构成仪用仪表放大器结构）、模数转换电路（ADC0832）、单片机控制部分（AT89C51）、显示部分（LCD1602）和键盘部分（矩阵键盘）。按照一定的器件搭建硬件仿真电路，并完成硬件电路的调试。

（2）利用keil 单片机仿真软件对单片机进行程序仿真，完成控制、计算、AD 采样、键盘输入、显示部分的相应程序编写并调试。

（3）利用proteus 和keil 联合调试仿真，完成整体系统的集成调试。

（4）根据输入电阻的变化和显示输出情况，完成静态标定，完成对系统灵敏度、线性度等指标的测量。

■1.2 设计方案及框图

根据要求，作者拟采用差动电桥来模拟应变式电阻传感器的工作[1]，模拟有待称量的物体放在传感器上方，传感器感受应变后产生电阻变化后转为电压变化，由于变化非常微小，所以又采用仪表放大电路将微小的变化放大，将放大信号送入AD 采样芯片，采样后送入MCU 中，通过LCD1602 显示出重量。通过矩阵键盘输入物品的价格，可以直接在LCD1602 中显示商品的单价，重量以及总价，通过此方案画出的设计框图如图1 所示。

图1 电子测量系统设计框图

2 硬件设计

■2.1 电桥电路

如图2 所示，即为半桥差动电路，如果让R1和R2为工作电阻应变片，那么他们两个电阻值分别“一增一减”，实现变化互补达到差动，可以消除线性误差，改善测量结果的质量。半桥差动电桥比单臂电桥测量结果的质量更好。若将电桥四臂都接入电阻应变片，则可以构成全桥差动电桥。这两种都可以提高电桥的灵敏度。但本次设计只采用半桥差动电桥。

图2 半桥差动电路

■2.2 仪用仪表放大电路

仪用仪表放大器电路如图3 所示。两个同相输入接法的运放A1、A2 组成第一级差分放大电路，运放A3 组成第二级差分放大电路。在第一级电路中v1、v2分别加到A1 和A2 的同相端，R1 和两个R2 组成的反馈网络，引入了负反馈，两理想运放A1、A2 的两输入端形成虚短：vp-vn= 0,因而有和，故得：

图3 仪用仪表放大器电路图

于是我们可以计算出电路的电压增益为：

因为在前级电桥电路所产生的变化非常微小，所以本文采用了TL082 构成了仪用仪表放大电路来将其放大。以便于后面的观察，此外增加了一个电压表在输出端，可以方便观察后面AD 采样后的输出是否正确。电路的连接如图3所示。

■2.3 ADC0832 模数转换电路

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。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，已经有很高的普及率[2]。

芯片各个接口说明：

①：CS_片选使能，低电平芯片使能。

②：CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

③：CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

④：GND芯片参考0电位(地)。

⑤：DI数据信号输入，选择通道控制。

⑥：DO数据信号输出，转换数据输出。

⑦：CLK芯片时钟输入。

⑧：VCC/REF电源输入及参考电压输入(复用)。

作者采用CH1 为模拟输入端，将前面电路放大后的模拟信号送入ADC0832 芯片，输出送入AT89C51 主控芯片中去。电路连接如图4 所示。

图 ADC0832 模块转换电路

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 和DI 并联在一根数据线上使用。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 的电平可任意。当要进行A/D 转换时，须先将CS使能端置于低电平并且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。在第1 个时钟脉冲的下沉之前DI 端必须是高电平，表示起始信号。在第2、3 个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能，其功能项见表1。

表1

如表1 所示，当此2 位数据为“1”“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2 位数据为“1”、“1”时，只对CH1 进行单通道转换。当2 位数据为“0”“0”时，将CH0 作为正输入端IN+，CH1 作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”“1”时，将CH0 作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。

到第3 个脉冲的下沉之后DI 端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI 端则开始利用数据输出DO 进行转换数据的读取。从第4 个脉冲下沉开始由DO 端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO 端输出下一位数据。直到第11 个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11 个字节的下沉输出DATD0。随后输出8 位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D 转换的结束。最后将CS 置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。更详细的时序说明可见图5。

■2.4 LCD1602 显示部分

LCD1602 是字符型液晶显示器，它的主控芯片是HD44780 或者其他兼容芯片。能够同时显示16x2 即32 个字符。LCD1602 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，即可以显示出图形。

芯片各个接口说明：

①：GND 为电源地。②：VCC 接5V 电源正极。

③：LCD 驱动电源，也叫偏压信号。

④：RS 为寄存器选择，高电平1 时选择数据寄存器、低电平0 时选择指令寄存器。

⑤：RW 为读写信号线，高电平1 时进行读操作，低电平0 时进行写操作。

⑥：EN 端为使能(ENABLE)端，高电平1 时读取信息，负跳变时执行指令。

⑦～⑭：D0～D7 为8 位双向数据端。

DDRAM(Display Data RAM)就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码，共80 个字节，其地址和屏幕的对应关系如图6 所示。

图6 地址和屏幕对应关系图

DDRAM 相当于计算机的显存，为了在屏幕上显示字符，就把字符代码送入显存，这样该字符就可以显示在屏幕上了。同样LCD1602 共有80 个字节的显存，即DDRAM。但LCD1602 的显示屏幕只有16×2 大小，因此，并不是所有写入DDRAM 的字符代码都能在屏幕上显示出来，只有写在范围内的字符才可以显示出来，写在范围外的字符不能显示出来。这样，在程序中可以利用下面的“光标或显示移动指令”使字符慢慢移动到可见的显示范围内，看到字符的移动效果。前面说了，为了在液晶屏幕上显示字符，就把字符代码送入DDRAM。例如，如果想在屏幕左上角显示字符“A”，那么就把字符“A”的字符代码41H 写入DDRAM 的00H地址处即可。LCD1602 和AT89C51 连接如图7 所示。

图7 系统整体电路图

■2.5 矩阵键盘部分

作者采用了MM74C922 键盘解码器，这个解码器能够自己独立地进行键盘检测、消抖，可以直接将键盘键值以四位BCD 码输出，节省MCU 的IO 口。而且能自动消除按键抖动，非常方便我们使用矩阵键盘。它还能给出按键是否按下的标志，其数据线还具有三态输出的功能，便于进行总线连接。具体电路可见图7。

■2.6 主控部分

主控部分采用了AT89C51 芯片，AT89C51 是一种带4K字节FLASH 存储器，256 字节片内数据存储器(00H～7FH为片内RAM，80H～FFH 为特殊功能寄存器SFR)，32 个I/O口线，两个16 位定时/计数器，5 个中断源，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路的单片机。

P1.0～P1.2 口分别接ADC0832 的片选使能端CS、时钟信号端CLK、数据输出端DI/DO；P1.6 接MM74C922的输入提示端DA；P1.7 接蜂鸣器；P0 端口接上拉电阻作LCD0832 的D0～D7的数据输入端；P2.4～P2.7 依次接MM74C922 的四位数据传输端口A、B、C、D；P3.4～P3.7依次接LCD0832 的EN、RS、RW 端。

具体连接图见图7 所示。

■2.7 整体电路仿真图

整个电路模型由以上几个部分共同组成，将它们连接好后如图7 所示。

3 软件调试及实验效果

■3.1 Proteus 仿真调试

在Proteus中选择需要的元器件，按照原理画出电路图，将各个元件放置在合适的位置，利用总线可以简化电路图，调整位置后可以得到如图7 所示仿真电路图。

■3.2 Keil 程序编写

利用Keil 编写程序，分别编写LCD1602.h、ADC1602.h、MM74C922.h、delay.h 等程序，最后在main.c 中调用函数即可。编写完成函数后，通过编译后，将会生成一个.hex文件，在Proteus 中双击AT89C51 就可以选择生成的.hex文件下载进单片机内，可以实现联合调试。下面为Keil 中编写的部分主函数程序代码。

■3.3 实验效果

在Proteus 中，通过改变滑动变阻器的接入阻值大小，可以模拟不同重量的物品。当没有放置物品，即滑片在正中间的时候，电桥电路此时处于平衡状态，输出电压为0；故显示为0。此时LCD1602 显示如图8 所示。

图8 LCD1602显示图（未放置物品）

当改变左边滑动变阻器滑片位置时，例如改变至65%，相应的右边滑动变阻器应该调至45%，将会显示WT：1.50KG；再输入单价为06（注意输入应从低位输入，此时先按6 再按0），通过程序计算后，总价将会在TOTAL：后方显示。此时LCD1602 显示如图9 所示。

图9 LCD1602 显示图（放置物品）

称量结束后，可以通过清零按钮将输入数据清零，做好了下一次称量的准备。按下清零后回到初始状态。

■3.4 指标情况

3.4.1 灵敏度

测量电桥的输入输出特性（含放大电路），调节输入端滑动变阻器每次变化5%即10Ω，得到多组数据。导入Matlab 后画出的图像如图10 所示。

图10 特性曲线

3.4.2 线性度

通过拟合直线的值，如表2 所示，再根据测得值Y，可以计算出来它的最大偏差为：ΔLMAX=0.178。由此还可以知道满量程YFS= 5，所以可以计算出线性度γL为：

表2

表3

表4

3.4.3 回程误差

通过正反行程测量，得到反行程数据，输入Matlab 中可得正反行程最大误差为：ΔHMAX=0.0700。

所以可以计算出回程误差Hγ为：

■3.5 结语

在电桥电路设计过程中，总是无法得到需要放大倍数的电压值，只修改一个参数无法满足，可以通过修改两个值共同作用从而得到需要的放大倍数；在LCD1602 显示部分，在值的显示部分无法让其完全显示出来时，需要合理安排显示字符的位置，让其完全显示；在总价计算的过程中，10以内单价计算没有问题，超过10 后，就会出现计算错误，输入12 计算，结果却是21 的计算结果，此时是因为输入的值存放的数组中，顺序搞错，才会出现这样的情况，更正后即可正常计算结果并显示出来；整个设计达到了电子秤的基本要求，之后还可以根据需要加上一些其他功能，例如去皮功能，存储功能等，以方便使用。